倪 鵬, 樊之陽

(長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130012)

基于物聯(lián)網(wǎng)高校能耗智能化監(jiān)控系統(tǒng)

倪 鵬, 樊之陽

(長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春 130012)

利用物聯(lián)網(wǎng)物物相連的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了廊道、教室的智能化照明,水電能源的智能化管理以及監(jiān)控系統(tǒng)，解決了高校水電能源的浪費(fèi)問題。

物聯(lián)網(wǎng)； 能耗； 智能化； 監(jiān)控

0 引 言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是中國持續(xù)發(fā)展的重要保障。根據(jù)2013年教育部統(tǒng)計(jì)，我國共有高校2 198所，在校學(xué)生超過2 300萬，占全國總?cè)丝诘?%，但是高校的能源消耗卻占到了全國社會(huì)總能源消耗的8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人均能源消耗指標(biāo)[1]。高校是培養(yǎng)人才的重要課堂，在高校實(shí)施能源監(jiān)控不僅可以降低能耗、降低辦學(xué)成本，更能夠提高學(xué)生對能源問題的認(rèn)識(shí)程度，培養(yǎng)學(xué)生的節(jié)能意識(shí)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前高校在能源利用與管理上主要存在以下兩方面問題：一是長明燈造成的電能源浪費(fèi)；二是長流水造成的水能源浪費(fèi)。為了解決以上問題，高校急需一套融合能源監(jiān)督、管理、統(tǒng)計(jì)和控制為一體的解決方案。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)的概念是在1999年提出的，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)和智能終端的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境逐漸成熟。2009年溫家寶總理發(fā)表重要講話，提出“感知中國”的戰(zhàn)略，在“十二五”規(guī)劃明確指出要“推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和在重點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用示范”。目前，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要在農(nóng)業(yè)、安防、交通等場所，教育領(lǐng)域應(yīng)用較少，隨著網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)的普及，為高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用奠定了通信硬件基礎(chǔ)平臺(tái)。

文中通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高校能耗監(jiān)控系統(tǒng)，為高校設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定的能耗監(jiān)控智能化解決方案，在高校能耗的智能化監(jiān)督、智能化管理、智能化統(tǒng)計(jì)和智能化控制等方面提出相應(yīng)的解決方案，為建設(shè)節(jié)約型高校做出貢獻(xiàn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)之所以得到廣泛的應(yīng)用主要原因在于它賜予了物體“智慧”，只有當(dāng)物體具有“智慧”后才具備與人類交流的能力，才能實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的最終目的，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的溝通[3]。物體的“智慧”是通過把物體的感知能力、通訊能力和處理能力疊加一起實(shí)現(xiàn)的，所以物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)由感知部分、網(wǎng)絡(luò)部分和應(yīng)用部分組成。

感知部分類似于人的皮膚和五官，主要的作用是識(shí)別物體和感知信息，包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的短距離傳輸兩部分，數(shù)據(jù)采集部分由條碼識(shí)讀器、RFID、各類傳感器和攝像頭等具有識(shí)別能力的器件組成，短距離數(shù)據(jù)傳輸通過藍(lán)牙、紅外和ZigBee等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)部分類似于人的中樞神經(jīng)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的長距離傳輸和數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)部分負(fù)責(zé)將感知部分獲得的信息安全、準(zhǔn)確、可靠的傳輸，主要通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊和專用網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4]。

應(yīng)用部分類似于人的應(yīng)用和反應(yīng)，主要負(fù)責(zé)物體“智慧”的體現(xiàn)。應(yīng)用部分負(fù)責(zé)把網(wǎng)絡(luò)部分傳遞的信息分析處理，依據(jù)正確的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用，例如智能信號(hào)燈、智能大棚、智能家居、智能工業(yè)監(jiān)控等。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)圖

2 高校能耗智能化監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

高校能耗智能化監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)根據(jù)高校的水電實(shí)際應(yīng)用情況，遵從安全、可靠、穩(wěn)定、可行及可擴(kuò)展等原則設(shè)計(jì)，參考先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)和處理技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成，主要包括感知、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用三個(gè)層次，具體架構(gòu)如圖2所示。

2.1感知層

感知層主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的短距離傳輸兩部分，完成數(shù)據(jù)采集工作。

數(shù)據(jù)采集主要是通過在樓梯走廊、公共教室、實(shí)驗(yàn)室、水房、衛(wèi)生間、寢室等公共房間放置溫度傳感器、濕度傳感器、探頭傳感器、超聲波傳感器、人體探測傳感器、震動(dòng)傳感器、用水量傳感器和用電量傳感器等信息采集設(shè)備，可以獲取房間溫度、亮度、濕度、進(jìn)出的學(xué)生數(shù)、室內(nèi)使用人數(shù)、使用人的具體位置、水能源的使用狀態(tài)及用量和電能源的使用狀態(tài)及用量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這一部分位于系統(tǒng)整體架構(gòu)的最低層，是智能化能源監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的核心。

短距離無線數(shù)據(jù)傳輸主要通過ZigBee 技術(shù)完成。ZigBee的命名來源于蜜蜂，因?yàn)槊鄯涫峭ㄟ^煽動(dòng)釋放發(fā)出“嗡嗡”的聲音來傳遞方位信息。ZigBee是一種短距離傳輸技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)里比較實(shí)用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它具有復(fù)雜度低、速率低、功耗低、成本低等特點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納255個(gè)設(shè)備，實(shí)用覆蓋范圍在10～1 000 m之間，使用2.4 GHz免執(zhí)照頻段，采用頻跳技術(shù)，符合IEEE802.15.4協(xié)議。

圖2 高校能耗智能化監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要是為監(jiān)控系統(tǒng)提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系，完成感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳輸工作，并通過Internet和移動(dòng)通信(2G，3G)兩種技術(shù)完成。

Internet 是國際互聯(lián)網(wǎng)的簡稱。Internet基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以交流信息和資源共享為目的，通過很多路由和公網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)，是一個(gè)數(shù)據(jù)的集合。Internet應(yīng)用廣泛，覆蓋面大，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝緩?。物?lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)是在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)化的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)物與物之間的數(shù)據(jù)交流。Internet作為監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑之一，配合IPv6協(xié)議工作，不僅為人類提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，還可以為大量電子產(chǎn)品提供服務(wù)，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程智能家居控制、遠(yuǎn)程定位等，通過Internet技術(shù)可以大面積提高物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍，開闊物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，把物聯(lián)網(wǎng)深入到生活中的各個(gè)細(xì)節(jié)。

移動(dòng)通信(2G，3G)網(wǎng)是主要專注于移動(dòng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，它是移動(dòng)物體與固定物體或者移動(dòng)物體與移動(dòng)物體之間的通信，在通信過程中可以采用無線和有線兩種方式[5]。目前，移動(dòng)通信主要包括2G和3G網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)可以利用移動(dòng)通信的移動(dòng)能力強(qiáng)和數(shù)據(jù)響應(yīng)快等特點(diǎn)提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的靈活性和快捷性。

2.3應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是分析網(wǎng)絡(luò)層傳輸來的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)具體需求做出處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督、管理、統(tǒng)計(jì)和控制等功能。監(jiān)控系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)廊道智能照明系統(tǒng)、教室智能照明系統(tǒng)、智能用水系統(tǒng)、用電量監(jiān)控系統(tǒng)、用水量智能監(jiān)控系統(tǒng)[6]。

廊道智能照明系統(tǒng)主要是通過在感知層收集到的信息，計(jì)算廊道需要補(bǔ)償?shù)臒艄饬炼龋?jì)算廊道行人的具體位置，實(shí)現(xiàn)廊道燈光的智能調(diào)節(jié)和智能跟隨等功能。

教室智能照明系統(tǒng)主要是通過在感知層收集到的信息，計(jì)算教室需要補(bǔ)償?shù)臒艄饬炼?、?jì)算教室內(nèi)的實(shí)際人數(shù)、計(jì)算教室內(nèi)學(xué)生的具體學(xué)習(xí)位置，實(shí)現(xiàn)教室燈光智能調(diào)節(jié)和智能控制教室內(nèi)亮燈數(shù)量和亮燈的位置等功能。

智能用水系統(tǒng)主要是通過在感知層收集到的信息，計(jì)算水流的使用狀態(tài)、水房的使用人數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人使用時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水龍頭的功能。

用電量監(jiān)控系統(tǒng)和用水量監(jiān)控系統(tǒng)通過感知層收集用量信息，計(jì)算用量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)使用情況，實(shí)時(shí)打印用量曲線，實(shí)現(xiàn)通過B/S網(wǎng)站和移動(dòng)手機(jī)兩種方式監(jiān)控和管理用量情況，發(fā)現(xiàn)有使用問題的時(shí)候第一時(shí)間通過手機(jī)通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)人可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[7]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的感知層主要由光線強(qiáng)度檢測芯片TSL2561、人體感應(yīng)芯片HC-SR501、距離檢測芯片SRF05和電量檢測芯片ADE7755等數(shù)據(jù)采集芯片組成，由于涉及的電路圖較多這里不一一介紹[8]。

光線強(qiáng)度檢測采用TSL2561模塊，TSL2561是TAOS公司推出的一種光-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它可以將光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，能夠通過總線訪問，具有功耗低、效率高和可編程操作等特點(diǎn)。

人體感應(yīng)采用HC-SR501模塊，HC-SR501模塊通過德國原裝LHI778探頭檢測，具備工作電壓低、穩(wěn)定性強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)。

距離檢測采用SRF05模塊，SRF05模塊是SRF04的升級(jí)版[9]，測量的有效距離是4 m，SRF05可以只通過一只管腳發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，節(jié)省MCU的管腳資源，SRF05模塊電路原理如圖3所示。

圖3 SRF05電路

具體距離檢測通過下式實(shí)現(xiàn)

式中：D----測量的距離長度；

T----從聲波發(fā)射到聲波返回的時(shí)間差;

S----超聲波在空氣中的傳播速度。

傳播速度與溫度有關(guān)，具體數(shù)值見表1。

表1 傳播速度與溫度對應(yīng)數(shù)值表

假設(shè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率fosc為12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，空氣溫度為30 ℃,則

T=N×t

水能計(jì)量采用LWGY型渦輪流量傳感器，它可以將流量信號(hào)以脈沖的形式輸出，供電電源為12 V或者24 V，最遠(yuǎn)傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到500 m。

電能計(jì)量采用ADE7755芯片(美國ADI公司研制的計(jì)量芯片)，它具有精度高、誤差小(在500∶1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差低于0.1%)、低功耗等特點(diǎn)。ADE7755將電壓和電流信號(hào)數(shù)字化后直接相乘得到瞬時(shí)功率信號(hào)，然后將瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就得到有功功率分量，具體公式如下:

式中：V(t)----瞬時(shí)電壓；

V0----平均電壓；

Vh----h次電壓諧波有效值；

αh----h次電壓諧波相位角;

I(t)----瞬時(shí)電流；

I0----平均電流；

Ih----h次電流諧波有效值；

βh----h次電流諧波相位角。

具體電量檢測通過下式實(shí)現(xiàn):

式中：F----引腳F1，F(xiàn)2輸出的脈沖頻率；

V1----通道1差動(dòng)輸入電壓有效值；

V2----通道2差動(dòng)輸入電壓有效值；

G----PGA的增益；

VREF----基準(zhǔn)電壓。

F1-4為主時(shí)鐘CLKIN分頻獲得，分頻系數(shù)由S0和S1確定，見表2。

表2 F1-4頻率表

假設(shè)輸入220 V,10 A的電流,外部分壓比是1/1 880=117 mV,電流經(jīng)300微錳銅取樣后3 mV。

CurrentGain=16;

SCF=S1=S0=1;

CF=16×F=1.586 脈沖/s。

那么1kW·h就是 1.576×3 600s=5 673.6脈沖,這個(gè)就叫脈沖常數(shù)。假如脈沖常數(shù)要求為5 600,那么可以通過調(diào)節(jié)電阻,把分壓電阻調(diào)小,把輸出脈沖校準(zhǔn)到5 600。如果以0.01kW·h為最小單位存取,那么單片機(jī)計(jì)56個(gè)脈沖就0.01kW·h。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)是在微軟公司的Windows2000系統(tǒng)下開發(fā)的，具體使用ASP.net開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫用MSSQL。根據(jù)具體功能包括廊道智能照明子系統(tǒng)、教室智能照明子系統(tǒng)、智能用水子系統(tǒng)、用電量監(jiān)控子系統(tǒng)、用水量智能監(jiān)控子系統(tǒng)。限于篇幅，具體子系統(tǒng)的程序流程圖和具體程序省略。

5 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

5.1能耗采集測試

能耗采集性能是監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要部分，為了保證監(jiān)控系統(tǒng)的正確應(yīng)用，我們設(shè)計(jì)如下測試：在教室放置燈400W、電視200W和投影700W三種額定功率已知的耗電設(shè)備，根據(jù)ADE7755原理計(jì)算脈沖數(shù)，通過多次測量得到測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 能耗脈沖比對圖

通過測試結(jié)果證實(shí),該模塊實(shí)際應(yīng)用誤差微小，可以滿足用戶實(shí)際需求。

5.2無線傳輸測試

無線傳輸性能是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)，保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性是監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的重要保障。本次測試主要從誤碼率和丟包率兩個(gè)方面測試傳輸性能。測試地點(diǎn)設(shè)計(jì)在廊道，在30m長的廊道里設(shè)計(jì)擺放了6個(gè)傳感器(2個(gè)亮度傳感器、2個(gè)人體傳感器、2個(gè)超聲波傳感器)，在2h內(nèi)6個(gè)傳感器向中心控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包，一共發(fā)送9組數(shù)據(jù)(200～1 000個(gè)包)，通過測試得到結(jié)果見表3。

表3 數(shù)據(jù)包傳輸統(tǒng)計(jì)表

通過測試結(jié)果證實(shí),該網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)某晒Πl(fā)包率在0.99以上，對包率在0.002以下，可以滿足用戶實(shí)際需求。

6 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)的研究不僅可以為我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，更可以加快我國邁向發(fā)達(dá)國家的步伐。文中以物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能耗監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件成本較低，節(jié)能效果較高，性價(jià)比較好，系統(tǒng)應(yīng)用方便靈活，實(shí)用性強(qiáng)，具有較高的推廣價(jià)值，為我國物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供參考。

[1] 仇保興.進(jìn)一步加快綠色建筑發(fā)展步伐：中國綠色建筑行動(dòng)綱要(草案)解讀[J].城市發(fā)展研究，2011,18(7):1-6.

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Intelligent campus energy consumption monitoring system based on internet of things

NI Peng, FAN Zhi-yang

(School of Software Vocational Technology, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Based on Internet of things, an intelligent monitoring system for campus energy consumption is designed, which include intelligent control for the lighting of corridors and classrooms and intelligent management for the hydroelectric consumption, to save the energy.

internet of things; energy consumption; intelligent; monitoring.

2014-05-25

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)研究項(xiàng)目(2014146)； 吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140204033GX)

倪 鵬(1980-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)講師，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究,E-mail:nipeng@mail.ccut.edu.cn.

TP 393

A

1674-1374(2014)06-0677-06