資永祥

(云南睿城建設項目管理有限公司，昆明 650200)

基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

資永祥

(云南睿城建設項目管理有限公司，昆明 650200)

在建筑施工過程中，由于各種原因，會產(chǎn)生一定的能耗，提高建筑施工的成本，因此需要對建筑施工能耗進行監(jiān)控，從而將將能耗控制在可控范圍內(nèi)，降低施工成本;傳統(tǒng)的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)，一直存在系統(tǒng)模塊多、操作繁瑣的問題，不利于后續(xù)利用維護工作的開展。提出基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，首先對建筑施工能耗監(jiān)測的內(nèi)容進行分析，確定系統(tǒng)的設計目標；其次，對系統(tǒng)中芯片和單片機進行選型，對供電電源電路、SPC3工作電路、通信接口電路、單片機及外圍電路、以及離散量接口電路進行設計，完成系統(tǒng)結構設計；最后，通過對LM算法過程進行分析，根據(jù)LM算法存在問題，利用改進LM算法對基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)進行建模，提高建筑施工能耗監(jiān)測的精度;實驗證明，所提方法設計的能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)響應時間短，對建筑施工的能耗監(jiān)測準確度較高，具有較好的使用價值，為監(jiān)測系統(tǒng)的研究發(fā)展創(chuàng)造條件。

傳感器；建筑施工能耗；能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對建筑建設也提出了一定的要求[1]。建筑施工總量的不斷提升，建筑施工能耗也逐年增加，造成的污染嚴重[2]。開發(fā)病建設健康、智能的低碳生態(tài)建筑，對解決我國能源方面具有一定的作用[3]。而對建筑施工的能耗進行監(jiān)測，有利于節(jié)省建筑施工能耗，降低建筑成本，對實施建筑能耗統(tǒng)計及建筑節(jié)能管理具有現(xiàn)實意義[4]。傳感器的出現(xiàn)，為研究建筑施工能耗的監(jiān)測提供了新的思路[5-6]。隨著對能耗的重視程度的加深，該課題已成為相關專家學者研究的重點課題，引起了較大的反響，也產(chǎn)生了許多研究成果[7]。

文獻[8]提出基于LPC1768的能耗采集監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，從當前能耗采集監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對能耗采集監(jiān)測系統(tǒng)進行分析。利用LPC1768處理器，利用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，對能耗采集監(jiān)測系統(tǒng)的硬件進行設計，通過建立Internet與數(shù)據(jù)之間中轉(zhuǎn)站從而實現(xiàn)通訊，在此基礎上，以模塊化思想為依據(jù)，對系統(tǒng)的軟件進行設計，從而完成基于LPC1768的能耗采集監(jiān)測系統(tǒng)設計，但這種方法設計的系統(tǒng)無法及時對能耗數(shù)據(jù)進行傳輸，導致使用范圍受到限制。文獻[9]提出了一種基于CMP模型的建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，首先對建筑施工過程中各設備的能耗占建筑施工過程中總能耗的比例進行分析，選用比例最大的建筑施工設備建立LMP模型，利用建筑施工不同階段設備能耗占總能耗比例變化主導設備，從而實現(xiàn)建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計，但這種方法設計的系統(tǒng)存在能耗監(jiān)測準確度低的問題。文獻[10]提出了一種基于高效利用的建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計方法，首先對當前建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)存在問題進行分析，提出能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理分析的方法，并根據(jù)該方法對能耗監(jiān)測系統(tǒng)的模型進行構建，并對實現(xiàn)該模型的硬件和軟件進行設計，從而完成能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計，但這種方法設計的系統(tǒng)結構過于復雜，不利于操作使用。

針對傳統(tǒng)方法存在的問題，提出基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計，首先從建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能角度出發(fā)，對能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計目標進行分析，完成系統(tǒng)結構設計，對系統(tǒng)中單片機進行選型，并對供電電源電路、SPC3工作電路、通信接口電路、單片機及外圍電路、以及離散量接口電路進行設計，在此基礎上，對LM算法過程及存在問題進行分析，提出利用改進LM算法對基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)進行建模，提高監(jiān)測的準確度。實驗證明，改進的能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)運行能耗較低，監(jiān)測準確度較高，為該領域的發(fā)展創(chuàng)造條件。

1 基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)是針對建筑施工過程中的機電設備的能耗計量、分析和解決支持的綜合監(jiān)控平臺，利用系統(tǒng)、功能、網(wǎng)絡等一體化集成技術為依據(jù)進行設計，采用同一的計算機操作系統(tǒng)平臺，對建筑施工過程中的能耗進行智能監(jiān)測。本文設計的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對綜合管理、能耗數(shù)據(jù)報表、能耗數(shù)據(jù)分析等多種集成監(jiān)測管理。通過搭建建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對建筑施工能耗情況的監(jiān)視、分析功能。

建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⒔ㄖ┕み^程中的各類機電設備能耗數(shù)據(jù)匯集到監(jiān)測平臺進行統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)功能整合，本文所設計的系統(tǒng)目標如下所述。

1)整合多種監(jiān)測方式:在建筑施工過程中，不同階段使用的機電設備不同，當監(jiān)測設備的能耗時，有的設備本身自帶儀表進行監(jiān)測，有些設備僅進行簡單的控制，針對這種情況，建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)不同監(jiān)測方式。

2)監(jiān)控的數(shù)據(jù)可編輯:由于對建筑施工設備能耗的監(jiān)測存在一定的誤差，需要建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)具有編輯功能，從而實現(xiàn)對存在誤差的數(shù)據(jù)的修改刪除。

3)報表形式多樣:不同的建筑施工要求的報表格式不一，因襲需要建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠編輯報表形式，身纏報表模板，根據(jù)需要，調(diào)整報表模板，使建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)報表滿足使用者需求。

4)多角度數(shù)據(jù)分析:在建筑施工過程中，能耗數(shù)據(jù)受各種因素的影響，因此需要建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠從多角度對能耗數(shù)據(jù)進行分析。

5)建筑施工情況監(jiān)控:建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)根據(jù)以往能耗數(shù)據(jù)以影響因素，分析能耗變化，制定能耗基準，當能耗草果該基準時，及時報告能耗信息。

6)系統(tǒng)的可靠性及可擴展性:可靠性要求建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時隔離故障，保證數(shù)據(jù)的準確可靠，可擴展性要求系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況靈活配置，方便后續(xù)管理維護。

針對上述設計目標設計的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)結構設計

通過上述論述，從建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)功能出發(fā)，對系統(tǒng)的設計目標進行分析，從而完成建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)結構設計。

2 基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)上述基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計，需要對硬件進行選型，在此基礎上，對系統(tǒng)的電路和軟件進行設計。

2.1 基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)單片機選型

本文設計的基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括單片機模塊、DP通信模塊、能耗數(shù)據(jù)采集/輸出模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、SPC3模塊，通過將這些模塊利用電路進行連接，從而實現(xiàn)基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)。

本文從系統(tǒng)的設計需求出發(fā)，綜合考慮成本、內(nèi)置空間容量等因素，選用具有兼容性好、存儲空間適中、使用連接方便等優(yōu)點的C8051F020作為系統(tǒng)核心單片機。

2.1.2 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)供電電源電路設計

本文設計的系統(tǒng)利用了兩次電壓轉(zhuǎn)換電路，由于系統(tǒng)的輸入電壓是24 V，SPC3的工作電壓為5 V，單片機的工作電壓為3.3 V，因此為保證建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)供電電路實現(xiàn)，需要在系統(tǒng)、SPC3和單片機之間添加電壓轉(zhuǎn)換電路，具體電路設計如圖2所示。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路設計

在建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換電路中，選用帶隔離的電壓轉(zhuǎn)換模塊，當輸入端反接時，二極管和三極管能夠有效對電壓轉(zhuǎn)換模塊進行保護。

2.1.3 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)SPC3工作電路設計

本文設計的系統(tǒng)中SPC3芯片采用英特爾工作模式，在同一總線上參數(shù)數(shù)據(jù)和弟子信息，片內(nèi)共有11個總線位參與RAM尋址。

通過將SPC3的引腳與C8051F020對應的引腳進行連接，從而實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)信號的讀寫、存儲等操作。利用C8051F020的I/O引腳從而實現(xiàn)對SPC3的復位控制功能，從而完成建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)SPC3工作電路設計。

2.1.4 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)通信接口電路設計

本文設計的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)中，為了保證SPC3與總線的通信，需要利用TTL電平與差分電平的轉(zhuǎn)換電路，本文中，利用MAX485芯片進行轉(zhuǎn)換。

MAX485芯片利用半雙工通訊方式，實現(xiàn)TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換，本文設計的通信接口電路如圖3所示。

圖3 通信接口電路設計

通過上圖可以看出，RO和DI端分別為輸出端和輸入端，A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號，從而實現(xiàn)建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)通信接口電路設計。

2.1.5 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)單片機及外圍電路

對建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)單片機及外圍電路設計主要包括對外部復位電路、JTAG接口電路、單片機I/O引腳的分配。通過對單片機和外圍電路的設計，保證建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。

2.1.6 建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)離散量接口電路

為實現(xiàn)8路離散量的輸入/輸出功能，在輸入/輸出接口設計主要用到74LS377、LED和撥碼開關等器件，本文采用74HC245控制輸入信號的方向，從而完成離散量接口電路設計。

通過上述論述，對基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，主要包括對芯片和單片機選型、供電電源電路設計、SPC3工作電路設計、通信接口電路設計、單片機及外圍電路設計、以及離散量接口電路設計。從而實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計。

2.2 基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)建模

為了提高基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測準確度和監(jiān)測效率，本文利用改進LM算法對建筑施工能耗進行建模，通過建模，降低系統(tǒng)的復雜度，減少計算時間，提高監(jiān)測精度，具體方法如下所述。

首先利用LM算法進行概述。LM算法是一種神經(jīng)網(wǎng)絡中非線性訓練方法，通過參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，在不同的位置接近梯度下降，通過對該位置算法的選擇，完成網(wǎng)絡訓練。

在利用LM算法的過程中，通過一系列近似和優(yōu)化處理，利用下式對建筑施工能耗的權值或與之進行調(diào)整。

x(k+1)=x(k)-[JTJ+μI]-1JTe

(1)

式中，J表示雅克比矩陣；μ表示能耗系數(shù)；當系數(shù)μ逐漸減少至0附近時，上式相當于牛頓法，在訓練過程中，系統(tǒng)接近目標誤差的速度越快，訓練結果精確度越高。為了讓系統(tǒng)更可能的接近牛頓法，如果每一步迭代后誤差逐漸減小，就讓μ繼續(xù)減小，否則增加μ。

但LM算法存在收斂速度慢、精確度低問題，雖然減少了迭代次數(shù)，但迭代的計算量卻增加了，使系統(tǒng)的運行不穩(wěn)，運算效率較低，為提高運算效率，需要對LM算法進行改進。

為提高LM算法迭代速度，減少計算力，對LM算法做進一步優(yōu)化。

Δx=x(k+1)-x(k)-[JTJ+μI]-1JTe

(2)

利用LM算法對能耗閾值進行調(diào)整過程中，首先利用上式對Δx值進行計算，然后計算得到x(k+1)的值，設定：

(3)

將上式代入公式(2)得到：

Δx=-A-1b

(4)

在對Δx進行計算過程中，首先對n階方陣A求逆，在于矩陣b做乘法運算，利用矩陣運算，求得求逆的時間復雜度為n3，將此數(shù)量進行四舍五入，降低運算的時間復雜度，也可以減低計算過程中的誤差。

通過上述論述，對LM算法的過程進行分析，并根據(jù)LM算法存在問題，提出高進LM算法進行基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)建模方法，提高對建筑施工能耗監(jiān)測的精確度。

3 實驗及結果分析

為證明本文提出的基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計方法的可行性，進行一次實驗。在網(wǎng)絡環(huán)境下搭建建筑施工能耗監(jiān)測實驗平臺。通過觀察本文所提方法設計的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體有效性，從而完成實驗。

3.1 實驗步驟

實驗中，通過對本文方法設計的建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)進行組裝，分析其運行結果，從而得到實驗數(shù)據(jù)，完成建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)設計實驗。具體過程如下：

1)首先實驗本文方法設計的建筑施工能耗監(jiān)測系統(tǒng)響應速度(s)，實驗通過設定一個較低的基準能耗，觀察當所用能耗超過基準能耗時，對系統(tǒng)監(jiān)測的能耗信息進行匯總報告的耗時(s)。對比文獻[7]方法、文獻[9]方法和本文方法的設計系統(tǒng)響應時間；

2)對比3種方法的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)(焦)與實際能耗數(shù)據(jù)(焦)。

3.2 實驗結果分析

對比文獻[7]方法、文獻[9]方法和本文方法的設計系統(tǒng)響應時間得到實驗結果如圖4所示。

圖4 3種方法設計的能耗監(jiān)測系統(tǒng)響應時間對比

通過圖4可以看出，本文所提方法設計的能耗監(jiān)測系統(tǒng)當監(jiān)測能耗超出基準能耗時的反應速度快，由于本文所設計的系統(tǒng)直接將能耗信息傳入管理人員手中，沒有任何中間設備對能耗信息進行處理，因此響應速度較快。

然后對比建筑施工過程中使用汽油和燃油的機械設備、使用電能的電器設備以及綜合使用汽油和電能的機電設備的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)(焦)與實際能耗數(shù)據(jù)(焦)，對比結果如圖5所示。

圖5 能耗監(jiān)測結果對比

通過圖5可以看出，無論哪種類型的機電設備，本文所提方法設計的能耗監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測效果都優(yōu)于文獻[7]和文獻[9]所提方法的監(jiān)測效果，因此本文所提方法設計的能耗監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的可靠度較高。

綜合上述實驗可以得出，本文所提方法設計的基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的監(jiān)測效果且監(jiān)測結果的響應速度較快，為該領域的研究應用創(chuàng)造條件。

4 結束語

為滿足國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，建筑施工節(jié)能逐漸成為研究的熱點，需要對建筑施工能耗的監(jiān)測進行有效的建筑施工能耗計算分析，從而降低建筑施工的成本。為此，提出一種基于傳感器的建筑施工能耗智能監(jiān)測系統(tǒng)設計方法。實驗證明，所提方法設計系統(tǒng)能夠準確對建筑施工能耗進行及分析，并在建筑施工實際能耗超過基準能耗時，及時反映能耗數(shù)據(jù)，具有良好的使用價值。

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Design of Intelligent Monitoring System for Construction Process Energy Consumption Based on Sensor

Zi Yongxiang

(Yunnan Ruicheng Construction Project Management Co., Ltd,Kunming 650200,China)

In the construction process,various reasons would produce a certain energy consumption and improve the construction cost, so we need to monitor the construction energy consumption, as to control energy in the controllable range,due to reduce the construction cost. The traditional intelligent monitoring system for building energy consumption has many problems, such as many modules and complicated operation, which is not conducive to the follow-up maintenance work. Puts forward the design method of the construction of intelligent monitoring system based on the energy consumption of the sensor, it analyzes the energy consumption monitoring construction of the content , to determine the design goals of the system; secondly, the selection of chip and MCU systems, design of power supply circuit, SPC3 circuit, communication interface circuit, MCU and peripheral circuit, and discrete the amount of interface circuit, complete the design of the system structure; finally, according to the LM algorithm’s analysis, LM algorithm based on the existing problems, the improvement of the construction of the energy consumption of sensor intelligent monitoring system model based on LM algorithm, it improves the accuracy of construction energy consumption monitoring. Experiment shows that energy consumption intelligent monitoring system designed by the proposed method has short response time and high accuracy in monitoring the energy consumption of building construction. It has good use value, and creates conditions for the research and development of monitoring system.

sensor; building construction energy consumption; energy consumption intelligent monitoring system design

2017-06-28；

2017-07-24。

資永祥(1970-)，男，云南陸良人，副高級工程師，主要從事土工工程與管理方向的研究。

1671-4598(2017)12-0054-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.014

TP274

A