智能楼宇能量管控系统的设计与实现

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

0 引言

随着中国经济的快速发展，能源消耗持续增加，能源问题越来越引起人们的关注。据统计，我国现阶段建筑总电耗占整个社会终端总电耗的27%～29%，建筑总能耗占整个社会终端能耗的20.7%。随着国家产业结构的调整和城市的发展，建筑能耗将超越其他行业，最终位居社会能耗的首位，能源问题将成为制约中国经济和社会发展的重要因素[1]。因此，研究建筑楼宇的能耗管控系统是一个重要的课题。楼宇能耗的监测和节能改造首先需要对楼宇环境进行实时的监测，以了解楼宇内的环境状况和能源使用情况。对所有房间的温度、湿度、电量等信息进行采集和统计，实现建筑能耗的在线监测和动态统计[2]。目前，环境和能耗信息采集的手段主要有有线和无线两种方式。在有线方式中，每个传感器设备都必须通过有线连接才能进行数据的采集和发送，因而布线量大、成本高，同时也很难满足结构复杂的楼宇环境。随着无线传感器网络的快速发展，大规模、低功耗、多功能的传感器设备通过协同感知、特有的无线通信协议来完成数据的采集和处理。因此，无需布线且功耗低、组网灵活[3]、基于无线传感器网络的智能楼宇能量管控系统将会有很大的应用市场。

1 系统整体框架的设计

基于物联网的智能楼宇能量管控系统的架构主要由小区能耗数据的采集和小区服务器管理两部分组成[4]：小区能耗数据的采集包括住户单元的大功率电器能耗数据的采集，小区水、电、气三表能耗数据的采集；小区服务器管理主要包括小区能耗数据库管理和控制管理两部分。

系统各部分功能如下。

① 家庭内部的大功率电器能耗数据采集：住户单元的能耗数据采集主要是针对家里的大功率电器，由家庭无线能耗采集设备进行能耗数据的采集，并将数据通过家庭网关上传至小区服务器。

② 小区水、电、气三表数据采集(中继器和集采器)：中继器和集采器主要负责小区水、电、气三表数据的采集，并通过集采器将数据上传至小区服务器。

③ 小区服务器管理(服务器Web显示前端和数据库后端)[5]：小区服务器管理主要分为一个控制管理服务器前台和两个数据库管理后台。其中一个数据库管理后台主要负责管理存储小区每栋楼中水、电、气三表的能耗数据，数据库管理后台主要由电力公司、自来水公司、燃气公司等部门进行相应数据的查看与管理，小区单元不能进行访问；另外一个数据库管理后台主要供小区对住户单元能耗数据的存储与管理，同时家庭中各种环境传感器的环境参数值也将由家庭网关上传至这个数据库进行管理。控制管理服务器前台主要是通过控制管理界面对水、电、气三表和家中各种电器设备进行相应管理和控制。

智能楼宇能量管控系统结构拓朴图如图1所示。

图1 系统结构拓扑图

2 系统具体设计

2.1 节能控制系统设计

为了加强控制系统的性能，本方案采用后台处理的方式对楼宇中用户单元进行控制，需要采用处理功能强大的服务器来对相关的数据进行接收、解析、存储和访问，并分析节能控制系统的功能[6]。服务器结构如图2所示。服务器将能耗采集设备采集的数据以家庭为单位，对数据进行解析、分类处理[7]。环境参数和能耗参数作为节能控制参数执行控制算法，由算法确定对终端耗能设备的控制策略；对于安防信息，按照其安全等级执行不同的控制策略。

图2 服务器节能系统框架图

2.2 能耗管理系统设计

本方案管理系统包括数据库的建立和楼宇能耗预测两部分，用户可以通过Web访问数据库服务器[5]来查询历史数据和当前数据。该方案采用预测算法预测楼宇的用电量，为配电提供数据支持。

为了满足大量数据的处理功能，本设计方案采用数据库服务器做后台处理，其结构图如图3所示。本服务器将家庭水、电、气的总能耗和分项能耗数据、环境数据储存在数据库中，管理系统通过算法对历史耗能数据进行统计和预测，对楼宇能耗进行定量的预测。通过Web访问服务器，查询所需的数据；通过分类分项对数据进行管理，并采用相应的算法对数据进行分析，得出楼宇能耗的预测值。

图3 管理系统结构图

3 智能楼宇三表采集设计

3.1 硬件设计

智能楼宇三表采集设计主要基于楼层中继器完成数据的采集，楼层中继器的主控芯片使用STMicroelectronics公司的STM32F103RC芯片。该芯片是一款32位基于ARM核心的带64 kB闪存的微控制器，具有两个USART、两个16位定时器、一个SPI接口、一个I2C接口和一个USB接口。该芯片支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒时间之间达到最佳的平衡。无线射频模块为433 MHz无线射频模块，该无线模块广泛应用于车辆监控、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域[8]。中继器通过RS- 485总线与三表连接，进行三表数据的采集，然后通过433 MHz无线模块将采集的三表数据上传给楼宇集采器。中继器硬件结构框图如图4所示。

图4 中继器硬件结构框图

3.2 软件设计

三表采集技术支持RS- 485总线和无线采集两种方式，并且能够对水、电、气三表数据进行统一的采集，便于实现能耗的统一管理。数据采集和处理程序是三表集抄最重要的功能之一，主要是完成抄表任务及数据的处理。要实现三表数据的集中采集，首先要弄清楚水、电、气三表采集的标准。

智能三表集采技术与电表的通信协议采用行业最新标准DL/T 645-2007《多功能电表通信规约》，但水表、气表集抄数据通信采用的是参照行业标准CJ/T 188-2004《户用计量仪表数据传输技术条件》，电表和水、气表采用不同的通信标准。要实现不同通信协议的数据的统一采集，首先要分析以上两种协议规范的不同。智能三表集采器向智能三表发出的帧格式如表1、表2所示。

表1 智能电表通信帧格式表

表2 智能水表通信帧格式表

中继器与三表之间都是采用主从半双工式通行协议，集采器为主站，中继器为转发站，电表为从站。每块表都有自己的地址编码，当通过RS- 485总线和无线方式建立通行链路后，由主站来发送控制信息帧。

智能三表集采器发出控制码C标志命令，当C= 11H，表示抄电表命令；当C= 33H，表示断电处理。数据长度L表示符表示数据域Data的长度。数据域Data表示数据域，包括数据标志、密码、数据、帧序号等，其结构随控制码的功能而改变。检验码CS表示从第一个帧起始符开始到校验码之前的所有各字节的模 256 的和，即各字节二进制算术和，超过 256 的溢出值不计。智能电表的通信帧格式与智能水、气表的通信帧格式有明显不同。

中继器要实现的功能是建立可靠的通信通道，处理和交换集采器与表单元间的数据信息，集中采集一层楼的三表数据。中继器接收到采集器的采集指令，完成对下面挂载的所有表的能耗数据采集后，将数据发送到集采器，同时存储能耗数据和三表地址。

4 智能照明控制设备

楼宇照明设备的电能消耗约占整个楼宇能耗的50%，特别是一些公共场所，电能浪费现象十分严重。为了更好地节约电能，开发一种智能化的照明控制设备是必要的[8]。

4.1 结构和原理

智能照明控制设备的结构主要包括电源转换电路、光照检测电路、热释电红外传感器及处理电路[9]、单片机系统、CC2430无线通信模块和继电器控制电路，智能照明控制设备结构如图5所示。工作时，光照检测电路和热释电红外传感器将采集到的光照强度、室内是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行亮度调节和开关操作，同时将照明设备的状态信息通过信息反馈电路和CC2430反馈到控制终端，从而实现照明设备的智能控制，达到节能的目的。

图5 智能照明控制设备原理框图

4.2 硬件电路设计

热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电效应是由温度的变化而引起晶体表面荷电的现象，同压电效应类似。试验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2 m；而加上光学透镜后，其检测距离可大于7 m。由于热释电红外传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器的输出信号的不规则波形变成适合于单片机处理的数字信号。热释电信号检测电路组成框图如图6所示。

图6 检测电路组成框图

本设计采用BIS0001来完成对热释电红外传感器输出信号的处理。BIS0001是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延时时间定时器以及封锁时间定时器等构成。热释电红外信号处理电路如图7所示。

图7 热释电红外信号处理电路

图7中，热释电红外传感器S极输出信号送入BIS0001的14脚，经内部第一级运算放大器放大后，由BIS0001的16脚输出，经C4耦合，从12脚输入到内部第二级运算放大器放大；再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间比较器；最后从2脚输出信号送入单片机进行照明控制。

4.3 软件设计

软件部分主要是完成对光照检测电路和热释电红外传感器信号处理电路的输出信号进行处理。当光照较强时，系统对光照检测电路的输出状态进行检测；当光照较弱时，系统对热释电红外传感器信号处理电路的输出信号VO进行检测，当室内有人时，VO输出高电平，系统控制照明设备点亮并按设置的时间进行延时[10]。当在延时时间内再一次检测到有人存在时，则系统按照设置的时间进行延时；当在延时时间内检测到没人时，则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出信号VO进行检测。由于控制设备还可以通过无线模块远程控制几路不同功率的照明设备，所以管理人员可以选择开启相应功率的照明设备[8-11]，最后将照明设备的状态信息反馈至控制中心。根据上述要求设计的软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

5 结束语

本设计以楼宇能耗的监控和管理为背景，结合无线传感器网络的特点，在总结和研究了国内外基于物联网的楼宇能耗监控和管理平台的基础上，设计和开发了基于无线传感器的楼宇能耗监测管理平台。该平台通过对能耗设备的严格监测和管理，实现现代城市居民区的能耗管理和人性化自动化的能耗监测功能。

[1] 许锦标，张振昭.楼宇智能化技术[M].北京：机械工业出版社，2010：101-105.

[2] 李中明.我国物联网发展现状及策略[J].计算机时代,2011(3):13-15.

[3] 郑军，张宝贤.无线传感器网络技术[M].北京：机械工业出版社,2012：32-40.

[4] 楼志斌.智能楼宇能耗监控系统的设计与实现[J].计算机应用与软件，2012，29(6)：205-207.

[5] 李锋博.基于WEB的智能建筑系统集成的设计与应用[J].电气应用，2009，28(7)：38-41.

[6] 张乐.基于物联网的智能楼宇能耗监测管理系统的研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[7] 赵洪飞.基于WSN的智能建筑能量管理系统研究与实现[D].济南：山东大学，2009.

[8] 马小军.智能照明控制系统[M].北京：东南大学出版社，2009：155-161.

[9] 景博.智能网络传感器与无线传感器网络[M].北京：国防工业出版社，2011：45-52.

[10]耿瑞辰，郝敏钗.传感器与检测技术[M].北京：北京理工大学出版社，2012：172-177.

[11]杨清梅,孙建民.传感器与测试技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2005.