黃詩(shī)雯 周勃 楊昕培

1 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院

2 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

能源是當(dāng)今國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源短缺已經(jīng)成為我國(guó)亟待解決的問題。我國(guó)每年新增的建筑面積約20 億m2，占世界一半，居全球首位。公共建筑作為民用建筑的重要組成部分，雖然只占建筑總面積的4%，但每年的耗電量卻約占全國(guó)城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米的年耗電量更是普通居民住宅的10～20 倍，相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家是同類建筑的2 倍[1]。所以在能源問題日益突出的今天，需要有能耗管理系統(tǒng)參與控制并減少建筑能耗。

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展和能源危機(jī)的出現(xiàn)，建筑節(jié)能已經(jīng)成為建筑設(shè)計(jì)與能源管理的關(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)很多大型公用建筑都存在用能不合理的情況，然而全國(guó)范圍內(nèi)也只有不到15%的公共建筑建立了能耗管理監(jiān)控系統(tǒng)，絕大多數(shù)的酒店仍在使用傳統(tǒng)的能耗管理方法。西方發(fā)達(dá)國(guó)家目前主要基于LonWorks技術(shù)對(duì)供暖、制冷、照明等能耗系統(tǒng)進(jìn)行改造，使得能源消耗與同類大樓相比降低80%以上[2]。

本文從建筑節(jié)能角度出發(fā)，分析了酒店能耗監(jiān)控需求，進(jìn)行了符合環(huán)境要求與監(jiān)控精度的傳感器選型，并進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的設(shè)計(jì)。通過此酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)，可以解決日常能耗測(cè)量中不規(guī)范、不連續(xù)、存在誤差等問題，減少人力資源投入，便于即時(shí)查看能耗現(xiàn)狀，對(duì)不同供熱、制冷末端房間能耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，有利于制定酒店能源使用策略，并進(jìn)行簡(jiǎn)單溫濕度與燈光控制，提高酒店節(jié)能效率并減少運(yùn)營(yíng)成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為監(jiān)控系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)兩部分。

監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集傳感器和智能抄表系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)，利用酒店內(nèi)原有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)或使用獨(dú)立的通信模塊將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到上位機(jī)服務(wù)器。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所與監(jiān)控需求的不同，下位機(jī)主要分為兩種不同的子系統(tǒng)：應(yīng)用在人員密集、流動(dòng)性大、房間大、層高較高的室內(nèi)監(jiān)控子系統(tǒng)，如酒店大堂、餐廳、會(huì)議室內(nèi)。應(yīng)用在以面積小、人員少的客房為主要監(jiān)控對(duì)象的客房監(jiān)控子系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用華為OceanConnect 云平臺(tái)，負(fù)責(zé)接收并處理下位機(jī)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，再根據(jù)設(shè)定閾值邏輯判斷房間內(nèi)節(jié)能情況，通過可視化界面將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)展現(xiàn)給酒店管理人員。酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要使用傳感器采集房間內(nèi)溫濕度、人數(shù)、空調(diào)出風(fēng)口溫度與風(fēng)速、煙霧、單位時(shí)段用電量等信息，使用STM32 微控制器對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再利用網(wǎng)絡(luò)或通信模塊，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到上位機(jī)服務(wù)器。

2.1 STM32 微控制器

STM32 系列32 位微控制器，由意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics）研發(fā)與設(shè)計(jì)，其使用專門為要求高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M4 內(nèi)核設(shè)計(jì)架構(gòu)[3]。設(shè)計(jì)使用STM32L4 低功耗微控制器，其豐富的功能可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，也為系統(tǒng)的可擴(kuò)展性預(yù)留了空間。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

下位機(jī)采用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采集室內(nèi)與空調(diào)出風(fēng)口溫濕度，RAD20CM 紅外傳感器統(tǒng)計(jì)房間內(nèi)人數(shù)，風(fēng)速輪采集空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)速，MQ-2 煙霧氣敏傳感器采集房間內(nèi)煙霧情況，LT518 電能采集模塊采集房間單位時(shí)段內(nèi)耗電量，光敏二極管采集室內(nèi)光照信息。各傳感器使用總線結(jié)構(gòu)與微控制器鏈接，由STM23 微控制器進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)處理與通信指令發(fā)送。

2.3 通信系統(tǒng)

下位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用ESP8266 WIFI 模塊和NB-IoT 通信模塊與上位機(jī)云平臺(tái)進(jìn)行通信。針對(duì)使用地點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同情況，系統(tǒng)將自動(dòng)切換網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，在有酒店基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下，使用以太網(wǎng)接口或者WIFI 模塊通信；其余環(huán)境使用NB-IoT 模塊通信。

2.4 操作系統(tǒng)

設(shè)計(jì)使用實(shí)時(shí)內(nèi)核μC/OS-III。根據(jù)酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，將不同的模塊功能設(shè)計(jì)成幾個(gè)不同的任務(wù)：開始任務(wù)、溫濕度采集任務(wù)、風(fēng)速采集任務(wù)、光環(huán)境采集任務(wù)、紅外人數(shù)統(tǒng)計(jì)任務(wù)、用電量采集任務(wù)、通信任務(wù)。

在酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，除了開始任務(wù)與通信任務(wù)之外，所有任務(wù)都時(shí)刻處于運(yùn)行態(tài)。開始任務(wù)在運(yùn)行結(jié)束后，會(huì)刪除其自身任務(wù)。通信任務(wù)包括以太網(wǎng)、WIFI、NB-IoT 三個(gè)通信任務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境自動(dòng)選擇模式后進(jìn)行通信任務(wù)的掛起與恢復(fù)。操作系統(tǒng)工作示意圖如圖2 所示。

圖2 操作系統(tǒng)工作示意圖

3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)使用了華為OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，該平臺(tái)具有應(yīng)用預(yù)集成的解決方案與生態(tài)鏈構(gòu)建、接入無關(guān)、強(qiáng)大的開放與集成能力、支持全球主流IoT 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及功能實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)

使用OceanConnect 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，首先選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)備型號(hào)、類型、通信協(xié)議等相關(guān)參數(shù)。不同類型的設(shè)備要接入到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并構(gòu)建互聯(lián)互通方案，需要經(jīng)過Profile 定義、設(shè)備開發(fā)、插件開發(fā)、測(cè)試認(rèn)證等一系列過程。

首先在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行編解碼插件開發(fā)。編解碼插件主要作用是根據(jù)設(shè)置的消息類型與字段順序，將下位機(jī)通信模塊發(fā)送的傳感器監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)解碼，并保存在對(duì)應(yīng)的字段內(nèi)。亦將下發(fā)命令與數(shù)據(jù)按照字段順序編碼，發(fā)送給下位機(jī)通信模塊。

結(jié)束編解碼插件開發(fā)后，需要進(jìn)行產(chǎn)品模型（Profile）定義。Profile 定義用于描述設(shè)備具備的能力和特性，同時(shí)設(shè)置命令屬性，包含下發(fā)命令字段與相應(yīng)命令字段的設(shè)置。通過Profile 命令屬性定義進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和控制策略設(shè)計(jì)，當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)溫濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)可向下位機(jī)發(fā)送發(fā)送命令調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。人數(shù)在某個(gè)范圍內(nèi)開啟相對(duì)應(yīng)數(shù)量的燈光。煙霧出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行報(bào)警等功能。

3.2 Web 應(yīng)用開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的Web 應(yīng)用開發(fā)使用了華為IoT Booster 平臺(tái)。IoT Booster 是一種無碼化的應(yīng)用開發(fā)SaaS 服務(wù)，可以更加便捷、快速的構(gòu)建應(yīng)用，管理設(shè)備。IoT Booster 平臺(tái)搭建便捷，只需從組件面板拖拽所需模塊，并配置相關(guān)參數(shù)接口，即可配置對(duì)應(yīng)的用戶界面。使用華為IoT Booster 平臺(tái)搭建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控界面如圖3 所示。

圖3 IoT Booster 界面圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

使用此系統(tǒng)對(duì)北方地區(qū)某酒店客房進(jìn)行能耗監(jiān)控測(cè)試，測(cè)試時(shí)間夏季下午17 時(shí)左右，室外溫度30 ℃。系統(tǒng)開始工作后監(jiān)測(cè)房間內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，可以得到數(shù)據(jù)結(jié)論：該客房?jī)?nèi)有一名測(cè)試人員，室內(nèi)溫度26 ℃左右，空調(diào)出風(fēng)口溫度16 ℃，送風(fēng)口流速3 m/s，已用電量11.5 度，燈光環(huán)境與煙霧報(bào)警狀態(tài)均正常。系統(tǒng)的能耗監(jiān)控實(shí)時(shí)頁(yè)面圖如圖4 所示。

圖4 能耗監(jiān)控實(shí)時(shí)頁(yè)面圖

圖5 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)客房24 小時(shí)溫濕度變化曲線

根據(jù)酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)得客房當(dāng)日監(jiān)控結(jié)果，導(dǎo)出24 小時(shí)溫濕度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并繪圖如圖5 所示。

由曲線可分析出，11:00 時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到人員進(jìn)入房間，并開啟空調(diào)使房間溫度濕度降低。18:00 時(shí)由于環(huán)境溫度降低工作人員關(guān)閉空調(diào)，導(dǎo)致房間內(nèi)溫度濕度上升。溫度曲線由顯著變化并可分析出，開空調(diào)可導(dǎo)致房間濕度降低。因此系統(tǒng)可有效及時(shí)地測(cè)量房間溫濕度，具有連續(xù)、準(zhǔn)確、避免人為誤差的特性，便于即時(shí)查看能耗現(xiàn)狀，對(duì)不同供熱、制冷末端房間能耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，有利于制定酒店能源使用策略，提高酒店節(jié)能效率并減少運(yùn)營(yíng)成本。

5 結(jié)語(yǔ)

酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)酒店內(nèi)能耗的監(jiān)控，而且可以通過遠(yuǎn)程端實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的建筑電器控制。因此，酒店能耗監(jiān)控系統(tǒng)提高了建筑能耗的監(jiān)控效率，為進(jìn)行酒店能耗經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)酒店節(jié)能來達(dá)到大型商業(yè)建筑可持續(xù)發(fā)展。