李海峰 梁竹關(guān) 丁洪偉 楊志軍 段文迪

摘 要：針對(duì)建筑樓宇等場所耗能嚴(yán)重的問題，提出一種本地接入及遠(yuǎn)程接入兩種不同接入方式的節(jié)能控制系統(tǒng)方案，采用輪詢模型，當(dāng)不同用戶在被服務(wù)過程中時(shí)，由系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制樓宇內(nèi)特定區(qū)域的受控電器工作，避免全天候開啟造成的過度浪費(fèi)。經(jīng)過理論推導(dǎo)得出輪詢系統(tǒng)概率母函數(shù)、平均排隊(duì)隊(duì)長和平均等待時(shí)間，并利用Matlab進(jìn)行理論值與實(shí)驗(yàn)值的仿真分析，由此確定遠(yuǎn)程接入的預(yù)約時(shí)間，證明該方案的可行性。然后在理論分析和仿真驗(yàn)證基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)電路方案，主要由能夠區(qū)分混合服務(wù)策略的令牌產(chǎn)生模塊、令牌識(shí)別模塊構(gòu)成，基于FPGA平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明了設(shè)計(jì)方案完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排;接入控制;智能控制;混合服務(wù)策略輪詢;Matlab;FPGA

中圖分類號(hào)：TP39;TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

人類社會(huì)不斷進(jìn)步，節(jié)能減排在世界范圍內(nèi)蔚然成風(fēng)，黨和國家高度重視。經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的同時(shí)能源需求量極大增長，無論智能電網(wǎng)風(fēng)力、光伏等新能源并網(wǎng)發(fā)電，還是煤炭等不可再生的傳統(tǒng)能源發(fā)電，在利用的過程中都需要投入資金、消耗大量資源、造成一定污染，節(jié)能減排對(duì)建設(shè)生態(tài)文明國家戰(zhàn)略而言尤為重要[1-2]。

從用電端減少電能的消耗以及對(duì)電網(wǎng)沖擊造成的諧波污染是一種節(jié)能減排的可行方案。我國建筑能耗已占據(jù)社會(huì)總能耗的絕大部分，而其中供熱、空調(diào)系統(tǒng)能耗更約占這部分能耗的70%[3-4]。智能技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新使得智能建筑迎來新局面，越來越多的智能建筑開始大規(guī)模使用計(jì)算機(jī)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并取得了一定成效，智能樓宇不僅可以實(shí)現(xiàn)安全、消防檢測控制[5-6]，還可以實(shí)現(xiàn)供熱、空調(diào)、照明、給排水以及供配電等智能控制[7-9]。

在節(jié)能的同時(shí)需要滿足國民對(duì)生活和工作環(huán)境的要求，滿足綠色化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)人性化和智能化。無論寒冬盛夏，人們都希望從室外進(jìn)入房間就能享受舒適的環(huán)境，另外當(dāng)房中無人時(shí)，應(yīng)及時(shí)關(guān)閉通用電系統(tǒng)，并設(shè)法在用戶到達(dá)房間之前的特定時(shí)段提前控制打開用電器。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和普及使人們依賴應(yīng)用手機(jī)終端為自己提供便捷、安全、智能的服務(wù)。目前，無論是學(xué)校[10]、企業(yè)[11]、政府[12]、酒店[13]甚至家居樓宇[14]都鋪設(shè)了互聯(lián)互通、集中管理、分散控制的控制系統(tǒng)，使得采用合適方式接入控制智能樓宇的房間暖通或空調(diào)等用電系統(tǒng)成為可能[15]。采用如短信、微信、APP等預(yù)約方式，通過手機(jī)遠(yuǎn)程接入把預(yù)約時(shí)間傳輸?shù)椒块g的控制系統(tǒng)中，在預(yù)約時(shí)間開啟用電器[16-17]。利用RFID技術(shù)可直接通過智能樓宇門禁系統(tǒng)自動(dòng)開啟，即本地接入。為節(jié)省開銷和方便維護(hù)，遠(yuǎn)程接入和本地接入均需先接入集中管理系統(tǒng)，然后共用總線傳輸?shù)较鄳?yīng)房間的分散控制電器中。

從需要被服務(wù)的緊急程度來看，遠(yuǎn)程接入和本地接入屬于不同性質(zhì)，前者可以規(guī)定預(yù)約時(shí)間的下限，屬于能夠適當(dāng)延緩服務(wù)的用戶數(shù)據(jù)，而后者來不及預(yù)約，屬于需要緊急服務(wù)的用戶數(shù)據(jù)，因此，需區(qū)分服務(wù)以滿足用戶的使用體驗(yàn)。因其控制的有效性，輪詢模型被廣泛應(yīng)用于交通信號(hào)控制、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)中[18-19]。采用輪詢模型的輪詢系統(tǒng)分類通常會(huì)根據(jù)服務(wù)臺(tái)（器）查詢每個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列（終端），服務(wù)數(shù)據(jù)分為門限、完全和限定K三種類型。其中，限定K（K=1）服務(wù)系統(tǒng)有較好的公平服務(wù)特性，但平均等待時(shí)延較長[20];完全服務(wù)系統(tǒng)平均等待時(shí)延最短，但公平性較差[21];門限服務(wù)系統(tǒng)的性能適中[22]。本文針對(duì)智能樓宇的上述節(jié)能需要，提出創(chuàng)新型方案，設(shè)計(jì)了基于混合服務(wù)策略輪詢的接入式節(jié)能控制系統(tǒng)，通過理論推導(dǎo)、特性分析、電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案可行性以及系統(tǒng)功能的正確性。

1 混合服務(wù)策略的輪詢模型

1.1 模型定義

用戶接入系統(tǒng)后形成隊(duì)列，本文提出的混合服務(wù)策略輪詢系統(tǒng)模型把本地接入和遠(yuǎn)程接入的用戶數(shù)據(jù)（信息分組）分別歸為中心隊(duì)列h和普通隊(duì)列d，采用完全服務(wù)策略和限定（K=1）服務(wù)策略。通過嵌入式馬爾可夫（Markov）鏈和概率母函數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在離散時(shí)間狀態(tài)下解析出系統(tǒng)信息分組的平均排隊(duì)隊(duì)長和平均等待時(shí)延等特性參數(shù)，為設(shè)計(jì)智能樓宇接入節(jié)能控制系統(tǒng)硬件電路奠定理論基礎(chǔ)。輪詢系統(tǒng)模型如圖1所示。

2 混合服務(wù)輪詢系統(tǒng)性能分析

2.1 平均排隊(duì)隊(duì)長用gdh（j）表示tn*時(shí)刻系統(tǒng)對(duì)中心隊(duì)列h服務(wù)時(shí)，隊(duì)列j（j=d，h）中平均排隊(duì)等待服務(wù)的信息分組數(shù);用ghd（j）表示在tn+1時(shí)刻系統(tǒng)對(duì)普通隊(duì)列d服務(wù)時(shí)，隊(duì)列j中平均排隊(duì)等待服務(wù)的顧客數(shù)。根據(jù)概率母函數(shù)的性質(zhì)，ghd（j）和gdh（j）分別由式（4）、式（5）求一階偏導(dǎo)后化簡而得：

經(jīng)推導(dǎo)化簡得中心隊(duì)列h信息分組平均排隊(duì)隊(duì)長：

同理對(duì)式（4）、式（5）求二階偏導(dǎo)數(shù)，聯(lián)合一階偏導(dǎo)，經(jīng)計(jì)算化簡得到普通隊(duì)列d信息的分組平均排隊(duì)隊(duì)長：

2.2 平均等待時(shí)延

信息分組等待時(shí)間wj是指信息分組進(jìn)入隊(duì)列j（j=d，h）的存儲(chǔ)器到其被發(fā)送出去的時(shí)間，其概率母函數(shù)為Wj（zj），普通隊(duì)列和中心隊(duì)列信息分組的平均等待時(shí)延用E（wd），E（wh）表示，根據(jù)排隊(duì)論和概率母函數(shù)的性質(zhì)可得到普通隊(duì)列信息分組的平均等待時(shí)延：

式中平均查詢周期。

中心隊(duì)列信息分組的平均等待時(shí)延：

3 混合服務(wù)輪詢理論計(jì)算與仿真分析根據(jù)以上所建立的混合服務(wù)策略輪詢系統(tǒng)模型，信息分組到達(dá)過程服從泊松分布，在系統(tǒng)穩(wěn)定條件下應(yīng)用Matlab進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以及仿真實(shí)驗(yàn)。輪詢特性參數(shù)曲線如圖2所示，改變服務(wù)條件生成曲線結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：理論值與仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的合理性。進(jìn)一步分析系統(tǒng)的性能：

（1）圖2（a）與圖3（a）表征了不同條件下隊(duì)列平均排隊(duì)隊(duì)長，隨著信息分組到達(dá)率的增加，中心隊(duì)列的平均排隊(duì)隊(duì)長較之于普通隊(duì)列更短，得到了很好的服務(wù)區(qū)分。

（2）圖2（b）與圖3（b）表征了不同條件下隊(duì)列平均等待時(shí)間。隨著信息分組到達(dá)率的增加，中心隊(duì)列的平均等待時(shí)間較普通隊(duì)列更短，得到了很好的服務(wù)區(qū)分。將圖中縱軸時(shí)隙單位取為s，則中心隊(duì)列平均等待時(shí)間約為1 s，符合正常刷卡的時(shí)間要求，而普通隊(duì)列平均等待時(shí)間上限（手機(jī)預(yù)約時(shí)間下限）分別約為550 s和130 s，即對(duì)應(yīng)至少提前約10 min和3 min，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)取更大的預(yù)約時(shí)間。

4 基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

4.1 設(shè)計(jì)思路

為避免碰撞，確保在任一時(shí)刻僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)占信道，即只有一個(gè)隊(duì)列向共用總線傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用包含控制信息和地址信息的幀作為令牌。本地接入和手機(jī)接入的信息分組送到接入控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器等待傳輸服務(wù)，系統(tǒng)輪詢向排隊(duì)等待傳輸服務(wù)的隊(duì)列發(fā)放令牌，中心隊(duì)列和普通隊(duì)列通過識(shí)別令牌信息決定是否能夠占用總線傳輸數(shù)據(jù)以及采用的服務(wù)策略。根據(jù)描述，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自上而下的模塊化電路設(shè)計(jì)，接入控制系統(tǒng)的主要功能模塊分別是存儲(chǔ)器模塊、令牌產(chǎn)生模塊、令牌識(shí)別模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（1）存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)為每個(gè)受控電器分配專門的地址編號(hào)，無論是手機(jī)或RFID卡接入，被服務(wù)時(shí)均須指明需控制的電器地址編號(hào)。中心隊(duì)列和普通隊(duì)列分別配置足夠容量的存儲(chǔ)器，并按照先進(jìn)先出的順序讀出數(shù)據(jù)。不論是本地接入或遠(yuǎn)程接入，用戶均隨機(jī)接入。中心隊(duì)列用戶通過門禁卡接入系統(tǒng)，當(dāng)讀卡系統(tǒng)讀取門禁卡信息時(shí)將對(duì)應(yīng)的電器地址提取出來，送到該接入控制系統(tǒng)的中心隊(duì)列存儲(chǔ)器;普通隊(duì)列用戶的遠(yuǎn)程接入信息包含需要控制的電器地址信息，打開電器的預(yù)約時(shí)間，信息便送到接入控制系統(tǒng)存儲(chǔ)于普通隊(duì)列的存儲(chǔ)器中。

（2）令牌產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)接入控制系統(tǒng)輪詢到普通隊(duì)列時(shí)，只提供傳輸一個(gè)信息分組的服務(wù)，而輪詢到中心隊(duì)列時(shí)，需要提供傳輸所有信息分組直到無信息分組為止的服務(wù)，故服務(wù)過程中需要不斷檢測其是否為空。令牌包含服務(wù)隊(duì)列的地址信息和服務(wù)策略的控制信息。令牌幀中的地址信息控制相應(yīng)隊(duì)列獲得占用總線發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限，令牌幀中的控制信息需區(qū)分是完全服務(wù)還是限定（K=1）服務(wù)的策略。

（3）令牌識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

各隊(duì)列通過檢測發(fā)放的令牌幀中的地址信息以確定是否獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)限。中心隊(duì)列獲得發(fā)送權(quán)限后可占用傳輸通道發(fā)送存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)至存儲(chǔ)器為空，普通隊(duì)列獲得發(fā)送權(quán)限后可占用傳輸通道發(fā)送其存儲(chǔ)器中的一個(gè)信息分組。

4.2 仿真波形

本系統(tǒng)采用Altera公司的QuartusⅡ開發(fā)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖5所示。其中data1和data2為中心隊(duì)列和普通隊(duì)列存儲(chǔ)器的輸出數(shù)據(jù);q為該系統(tǒng)服務(wù)后輸出的數(shù)據(jù);empty為用于檢測被服務(wù)隊(duì)列是否有信息分組需要傳輸?shù)男盘?hào)，低電平時(shí)表示隊(duì)列中有信息分組需要傳輸;num為檢測隊(duì)列是否收到令牌的信號(hào)，高電平表示收到令牌;chanel為檢測是否獲得占用通道權(quán)限時(shí)間長短（區(qū)分服務(wù)策略）的信號(hào)，高電平時(shí)打開對(duì)應(yīng)隊(duì)列的數(shù)據(jù)發(fā)送通道。

在仿真過程中向隊(duì)列隨機(jī)加入數(shù)據(jù)“0”表示隊(duì)列空，此時(shí)隊(duì)列中無信息分組，當(dāng)data1非0時(shí)，即中心隊(duì)列中有信息分組（empty1=0），此時(shí)隊(duì)列1獲得令牌權(quán)限（num1=1）與通道占用權(quán)限，通道打開（chanel=1），data1中信息分組依次被完全服務(wù)（從q端輸出）;當(dāng)data1中信息分組為“0”時(shí)，中心隊(duì)列中無信息分組（empty1=1），普通隊(duì)列獲得令牌權(quán)限（num2=1），若存儲(chǔ)器中有信息分組（empty2=0），此時(shí)普通隊(duì)列獲得通道占用權(quán)限且通道打開（chane2=1），data2中的一個(gè)信息分組被限定（K=1）服務(wù)（從q端輸出）;普通隊(duì)列中的一個(gè)信息分組被傳輸服務(wù)后中心隊(duì)列獲得傳輸權(quán)限，依次類推，周而復(fù)始，系統(tǒng)功能得以驗(yàn)證。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)針對(duì)服務(wù)器在處理不同業(yè)務(wù)時(shí)性能需求方面的差異，提出一種雙隊(duì)列單服務(wù)臺(tái)混合服務(wù)策略輪詢模型，以該輪詢模型作為理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)接入控制系統(tǒng)，不同接入方式采用不同的服務(wù)策略，實(shí)現(xiàn)了用戶刷卡和預(yù)約，使得系統(tǒng)在服務(wù)時(shí)控制樓宇建筑內(nèi)耗能設(shè)備在特定時(shí)段工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的目的。經(jīng)公式推導(dǎo)計(jì)算，通過Matlab仿真分析模型特性，結(jié)合FPGA進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真，從理論到實(shí)踐驗(yàn)證了該模型的合理性與功能的正確性。本文提出的方案思想不僅可以用于智能樓宇節(jié)能控制，還可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)將其運(yùn)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智慧教室等調(diào)度、服務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景及研究價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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