劉風(fēng) 孫中諾

摘要：智能化建筑物的高能耗問題日益突出，造成大量的資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用靈活性差，能源管理系統(tǒng)成本較高;為克服這些不足，將低能耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入智能建筑能源管理系統(tǒng)。研究低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)用，包括 GPRS電源模塊、供電模塊、電能采集模塊、水采集模塊、能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)模塊;軟件低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括能量采集節(jié)點(diǎn)接入、數(shù)據(jù)傳輸過程和網(wǎng)關(guān)程序。節(jié)能管理方面，采用碰撞檢測(cè)載體感知方式完成數(shù)據(jù)上傳，滿足智能建筑能耗管理要求;

關(guān)鍵詞：低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng);智能樓宇;能耗管理;軟硬件應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）10-0242-02

建筑是人們基本的生活場(chǎng)所。由于人口向城市遷移，房屋不斷增加。建筑物使用能耗占全國(guó)能源消費(fèi)的比重越來越大，能源消耗大幅度增加。住宅能耗不斷上升，住宅能耗占能耗總量的34%……從國(guó)內(nèi)能耗統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目來看，建筑能耗與交通運(yùn)輸、工業(yè)能耗處于同一水平[1]。從全球來看，建筑能耗占全球總能耗的41%。當(dāng)前我國(guó)能源利用存在著巨大的浪費(fèi)和低效現(xiàn)象。

當(dāng)前，建筑能耗監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)落后，與建筑節(jié)能有關(guān)的規(guī)劃、政策不完善，對(duì)建筑能耗的具體情況認(rèn)識(shí)不足。建筑物節(jié)能工作任重而道遠(yuǎn)，如何運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)積極解決這一問題已是當(dāng)務(wù)之急。智能化建筑物的能源消耗是維持人們生活和技術(shù)進(jìn)步的基本條件。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著能源需求的增加，人類生存和發(fā)展面臨的首要問題即將變?yōu)槟茉炊倘?[2]。為此，提出在智能建筑能源管理系統(tǒng)中應(yīng)用廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng) WIFI。廣域小功率物聯(lián)網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景，可以有效推動(dòng)我國(guó)建筑節(jié)能減排工作。智能化設(shè)備已逐步滲透到生活的各個(gè)方面。由臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦到手機(jī)、手表、智能設(shè)備，首要的任務(wù)就是建立通信連接，使數(shù)據(jù)能順利傳送，成為有效的信息流。

1硬件結(jié)構(gòu)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

廣域智能化設(shè)備已逐步滲透到生活的各個(gè)方面。從臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦，到低功、高效智能設(shè)備的任務(wù)就是通信網(wǎng)絡(luò)連接，使數(shù)據(jù)能順利交換。智能樓宇能源管理系統(tǒng)，采用無線傳輸，無需布線，終端、繼電器全部由電池供電，節(jié)省維修費(fèi)用，降低功耗，大大延長(zhǎng)使用壽命[3]。該系統(tǒng)采用移動(dòng)電話組網(wǎng)的方式，在基站中設(shè)置多個(gè)能耗采集終端進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[4]。通過自組織方式，小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)可以靈活組網(wǎng)，并且其有著距離遠(yuǎn)、很低的功耗、極強(qiáng)的穿透力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)非常適合智能建筑中的能源管理系統(tǒng)。

1.1 GPRS功耗模塊

本發(fā)明的終端裝置由于外殼結(jié)構(gòu)的遮擋，使終端信號(hào)大大降低。在小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)中，集電箱需要集中并上傳數(shù)據(jù)，而集電箱（基站）的功能連接對(duì) GPRS模塊的功率要求較高，因此難以找到適合的大容量集電箱供建筑物供電[5-6]。6123采用了一種低功耗 GPRS模塊，特別適用于太陽能監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性好，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠滿足終端和繼電器在低功耗情況下的功耗要求。所以data-6123低功耗 GPRS模塊是對(duì)雙通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)一步擴(kuò)展，極大地提高了基站的覆蓋范圍，并且當(dāng)數(shù)據(jù)正常時(shí)，用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的成本也是比較低的，而且在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面也比較容易實(shí)現(xiàn)。

唯一的設(shè)備 ID和位置信息與服務(wù)器相連，設(shè)備會(huì)定期報(bào)告維護(hù)情況，例如電池功率和設(shè)備狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)上通過多條集中設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過 GPRS模塊上傳到服務(wù)器端。管理員可以利用后臺(tái)管理系統(tǒng)將其連接到云服務(wù)器上，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤和維護(hù)。因而無需人員進(jìn)行設(shè)備狀況的現(xiàn)場(chǎng)檢查，在很大程度上降低了維修的費(fèi)用。運(yùn)營(yíng)商提供了GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它的通信費(fèi)用一般需要由信息量或者 SMS來進(jìn)行收取。

1.2電源模塊

電源模塊為節(jié)點(diǎn)提供電源，節(jié)點(diǎn)是由大容量電池進(jìn)行供電的，功率模組提供節(jié)點(diǎn)工作的能量。使用ER26500電池繼電保護(hù)及端子壽命可達(dá)一年以上，無需更換電池，無需維護(hù)。在該電源的支持下，將干電池化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其兩極分別帶有正負(fù)電荷，由正負(fù)電荷產(chǎn)生電壓，而電流是在電壓作用下定向移動(dòng)的。當(dāng)電荷散盡時(shí)，荷盡壓消了。

1.3電量采集模塊

選擇柳川485智能電表，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能建筑用電數(shù)據(jù)的采集。通過儀器把采集模塊連接到采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)抄表、預(yù)付費(fèi)及抄表的通關(guān)控制。能量采集電路能夠準(zhǔn)確地采集到終端消耗的能量，使用485- ttl模塊，4 G無線遙控單相三相預(yù)付費(fèi)電表遙控手機(jī)，整體安裝成本低，適合電表集中安裝，安裝位置不受信號(hào)影響。采集器采用4 G物聯(lián)網(wǎng)卡，電表的通信不依賴 GPRS，智能電表是通過采集節(jié)點(diǎn)的UART3接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，波特率達(dá)到2400 B/S。

1.4水量采集模塊

采用泰安485智能水表，實(shí)現(xiàn)了建筑用水與能耗的智能化數(shù)據(jù)采集，可以在采集節(jié)點(diǎn)的位置安裝連接水表， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表數(shù)的抄錄、預(yù)先支付水費(fèi)以及對(duì)水表的開關(guān)進(jìn)行控制。通過設(shè)計(jì)水量采集電路，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確采集終端耗電數(shù)據(jù)的目的。智能水表485的數(shù)據(jù)交換，是通過485轉(zhuǎn) TTL模塊和UART3接口來實(shí)現(xiàn)的，UART3接口是進(jìn)行能量采集的節(jié)點(diǎn)。

1.5能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)模塊

整個(gè)能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換都是以網(wǎng)關(guān)為中心的，網(wǎng)關(guān)通過 GPRS模塊接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的能耗數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器。因使用ER26500工業(yè)電池不能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定網(wǎng)關(guān)的要求，需進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。Gateway使用標(biāo)準(zhǔn)DC12V電源。另外，無線通信模塊和網(wǎng)關(guān)處理器采用串行通信方式。

2軟件部分低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

2.1能耗采集節(jié)點(diǎn)接入和數(shù)據(jù)發(fā)送流程

載波感知多訪問協(xié)議采用一種沖突檢測(cè)方法來檢測(cè)沖突，該方法的基本檢測(cè)原理為不同的通信站在發(fā)送消息前都需要對(duì)信道內(nèi)的信息進(jìn)行監(jiān)聽，一旦信道之間出現(xiàn)沖突，就不進(jìn)行消息的發(fā)送，同時(shí)要發(fā)出強(qiáng)沖突信號(hào)，以對(duì)在該信道發(fā)出的沖突做出及時(shí)的通知。在檢測(cè)到信道內(nèi)有信號(hào)傳輸時(shí)，它便主動(dòng)返回原來的位置并且等待其他信號(hào)完成傳輸;如果信道出現(xiàn)空閑時(shí)，它便會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)。這種機(jī)制可以在一定條件下保證信號(hào)的可靠傳輸。

（1）能耗采集節(jié)點(diǎn)接入流程

能源采集節(jié)點(diǎn)最終的接入過程還是要參照IEEE802.11的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，在終端接通電源后，它首先將數(shù)據(jù)通信請(qǐng)求發(fā)送到周圍的接入點(diǎn)。空余時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，周邊接入點(diǎn)將從能量采集節(jié)點(diǎn)接收查詢指令，否則將立即回復(fù)并明確發(fā)送。終端會(huì)自動(dòng)選擇有較強(qiáng)信號(hào)的應(yīng)答接入點(diǎn)，同時(shí)對(duì)接入點(diǎn)上的MAC 地址進(jìn)行保存，并作為上位節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1展示了能量收集節(jié)點(diǎn)訪問流程。

（2）能耗采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，能量采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沖突檢測(cè)是通過載波進(jìn)行對(duì)多路接入?yún)f(xié)議的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，能量采集節(jié)點(diǎn)不做出有關(guān)信道的任何判斷，反而是進(jìn)行同信道之間的直接競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)接入點(diǎn)完成數(shù)據(jù)包的直接發(fā)送，等待接入點(diǎn)的確認(rèn)響應(yīng)。如果訪問點(diǎn)沒有響應(yīng)時(shí)，那么不同的終端可能會(huì)在同一時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，進(jìn)而導(dǎo)致信道之間的沖突。這時(shí)能量采集節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地用 K乘以通信時(shí)間單位，這取決于CC1125采集節(jié)點(diǎn)終端的符號(hào)率和能量消耗能力，通信總長(zhǎng)度和 K值的范圍。若資料在重新傳送后沒有再從存取點(diǎn)收到回應(yīng)，則會(huì)再傳回，直到判斷存取點(diǎn)無效，再重新選取存取點(diǎn)。

2.2網(wǎng)關(guān)程序

假設(shè)能源管理系統(tǒng)內(nèi)的所有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資源都僅僅在感知層之間進(jìn)行傳輸，那么它將難以發(fā)揮出其本身最大的作用和最大的價(jià)值。在設(shè)計(jì)能源管理系統(tǒng)時(shí)，將在因特網(wǎng)上進(jìn)行最終的能源消耗數(shù)據(jù)，并通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)與人們進(jìn)行交互，從而使其價(jià)值可以達(dá)到最大化。物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)連接的橋梁是能源管理系統(tǒng)的入口處，而管理以及控制各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)之間的節(jié)點(diǎn)的則是能源管理系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和傳感終端。關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換通過 TCP/IP協(xié)議完成的，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。上述網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)工作：協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)的管理以及其維護(hù)，數(shù)據(jù)的采集以及其轉(zhuǎn)發(fā)功能，有時(shí)也要完成網(wǎng)絡(luò)訪問認(rèn)證管理模塊的增加。

能耗管理系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)軟件流程：接通網(wǎng)關(guān)點(diǎn)之間電源，啟動(dòng)因特網(wǎng)并將模塊接入，接著注冊(cè)服務(wù)器，該步驟需要UDP接口完成，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，對(duì)整個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊完成更新工作，網(wǎng)關(guān)的通信地址是通過獲取該網(wǎng)關(guān)的MAC 地址實(shí)現(xiàn)的，但該獲取也是要借助 WAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊;網(wǎng)關(guān)模塊和協(xié)調(diào)模塊都是在一個(gè)相同的設(shè)備上，因此使用該 MAC地址。然后等待接收來自WAN的數(shù)據(jù)，通過WAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊對(duì)WAN協(xié)議進(jìn)行分析和重新的打包，并完成緩存區(qū)分析數(shù)據(jù)的保存。由于不需要等待其他任務(wù)，核心處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝和上傳是通過調(diào)用Internet訪問模塊來完成的。同時(shí)，如果有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，Core處理調(diào)用NetworkManagement模塊對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問和管理，同時(shí)對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定期回收和維護(hù)。

2.3服務(wù)器設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器是通過UDP 實(shí)現(xiàn)的通信，UDP是一種沒有連接的傳輸協(xié)議，它與TCP 不一樣，它是不可靠的，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送的時(shí)候，會(huì)對(duì)不同的數(shù)據(jù)包按照類型進(jìn)行分組、排序和組裝工作，但是這樣的排序方式不會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸造成任何的影響。具有較低功能損耗的廣域物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑能量管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)都是大小不一的，數(shù)據(jù)包中分布幾個(gè)字節(jié)，但是由于通過 UDP所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的頻率較低，對(duì)于TCP 這樣的既復(fù)雜又具有可靠性的協(xié)議而言是不適合的，在此情況下 UDP則可以發(fā)揮它自身的優(yōu)勢(shì)。

在用socket調(diào)用 UDP接口創(chuàng)建了服務(wù)器監(jiān)控過程之后，建立了服務(wù)器的基本模型。這時(shí)，根據(jù)應(yīng)用程序的需求，需要為不同客戶傳輸數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的線程。此時(shí)，服務(wù)器的前端程序還需要使用線程池來實(shí)現(xiàn)線程的應(yīng)用和處理工作。在LinuxSystem中進(jìn)行服務(wù)器程序的運(yùn)行，LinuxSystem是一個(gè)具有繁多任務(wù)和多個(gè)線程的操作系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所需進(jìn)行接收和處理客戶機(jī)之間的連接，但這項(xiàng)工作還是要通過對(duì)進(jìn)程與線程機(jī)制的合理使用來實(shí)現(xiàn)使服務(wù)器的穩(wěn)定性和可用性得到有效提高，利用線程池來對(duì)可用線程與系統(tǒng)資源進(jìn)行統(tǒng)一分配和管理。當(dāng)服務(wù)器程序有需要的時(shí)候，即客戶機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，服務(wù)器程序則會(huì)對(duì)存在于線程池里面的線程做出請(qǐng)求，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)做出一定的處理，包括數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫操作。

3結(jié)束語

在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)能量采集節(jié)點(diǎn)和能量采集網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。通過對(duì)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和網(wǎng)關(guān)程序的編寫，能源采集節(jié)點(diǎn)通過低能廣域物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能采集。Gateway對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和封裝，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，從而允許能源管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。本設(shè)計(jì)的消費(fèi)管理系統(tǒng)由于經(jīng)費(fèi)不足，尚不完善，有待進(jìn)一步完善。關(guān)于提出的能源管理系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到的問題，接下來的工作則是對(duì)系統(tǒng)的功能做出更進(jìn)一步的完善，比如開發(fā)可配置各終端為無線接入網(wǎng)絡(luò)的 PC軟件或手持終端。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金光，高子航，江先亮，等.基于低功耗廣域網(wǎng)的海島水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34（24）：184-191.

[2] 鄧超，閆石，王金良，等.能耗監(jiān)管系統(tǒng)在醫(yī)院空調(diào)運(yùn)行與管理中的應(yīng)用[J].暖通空調(diào)，2019，49（1）：29-33.

[3] 馮曉星，唐飛，李琰，等.低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)終端的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2018，43（12）：881-887.

[4] 羅步升.路由算法在均衡物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗分析中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（25）：206-211.

[5] 羅鈞，劉澤偉，張平，等.基于非線性因子的改進(jìn)鳥群算法在動(dòng)態(tài)能耗管理中的應(yīng)用[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2020，42（3）：729-736.

[6] 王俊，譚榮華.基于嵌入式技術(shù)的超低功耗紅外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光雜志，2020，41（3）：177-181.

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