基于无线传感网络的校园信息节能节水装置研究

王鑫沈成黄程

（苏州科技学院，江苏 苏州 215009）

0 引言

随着我国经济的发展，建筑高能耗的问题日益突出。在我国现有的约430亿平方米建筑中，只有4%采取了节能措施。随着物联网技术的发展，以物联网技术为基础建设智能建筑的信息化节能节水目前研究不多，而针对校园的基于无线传感技术的校园信息节能节水装置研究几乎是为零。

1 校园信息节能节水装置的基本功能

校园信息节能节水装置的基本功能如下：

1.1 室内照明系统的自动化控制

当室内光线不足，且传感器检测到有人存在时，系统会自动打开相应区域的照明设备，对该区域实行照明。

1.2 校园内建筑用水的智能控制

通过相应的传感器，实时监测水管内的压力数据，根据实际使用情况，自动化调节水压。

1.3 室内气温的自动化监控

当室内温度低于或高于设定值，且传感器检测到有人存在时，系统会自动打开该区域的温控设备，对该区域进行温度调节。

1.4 室内空气质量的智能化监控

当室内空气质量不达标时，系统会立即打开通风设备，以使室内环境合格。

1.5 楼道灯光的智能化监控

当传感器检测到楼道内有人走动时，系统会自动对该区域以及可能运动到的地方进行照明。

2 无线传感网络下的校园信息节能节水装置的总体设计

本系统由数据采集端、无线网络、监控服务器、执行端四个部分组成。数据采集端对周围的环境进行数据采集，经由无线传感网络传输到监控中心，监控中心的服务器对采集而来的数据进行分析和判断，并得到相应的解决方案，再通过无线传感网络传输到相应的执行器中，从而达到校园建筑的信息节能与节水的效果。

如下图所示校园信息节能节水装置的总体设计图如下

图1 校园信息节能节水装置的总体设计图

2.1 数据采集端

大量的传感器分别放置在学校的教室、楼道、走廊以及水箱内,通过自组织的方式构成网络（即子站），各子站之间相互独立,互不通信，只有子站内部节点可以相互交换数据，子站内的传感器节点负责对数据的感知和采集,各子站的数据通过线路传输到汇聚节点（各子站网关）。汇聚节点与监控中心通过无线网络进行通信，监控中心的服务器通过对传输而来的数据进行分析、判断，并给相应的执行器下达命令。

2.2 无线网络

无线网络采用了Zigbee协议组网。Zigbee协议在近距离组网下具有低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率、低成本的特点。本设计中的无线网络主要对现场设备进行实时监测与自动控制。

2.3 监控服务器

在监控服务其中，系统根据汇聚节点获得的信息，对信息进行汇总。处理各节点传输过来的信息，发出相应的指令并选择相应的执行器进行执行。

2.4 执行端

大量的执行遍布于学校的各种建筑内，汇聚节点接受相应的指令，并将接收过来的指令分配给各个子执行端，从而实现校园的信息节能。

3 无线传感网络下的校园信息节能节水装置的主要解决方案

校园内教室、楼宇节能以及供水管网节水、节电技术研究，利用现代信号处理、先进控制和网络通信技术研究城市供水管网的电气控制，构建新型节能信息网络。该监控系统由监控中心计算机和节能监控节点组成；其节能监控节点包括：无线远程通信模块和无线传感模块；用于监控电气设备运行状态的无线传感模块通过无线远程通信模块与监控计算机通信，无线远程通信模块将无线传感模块中的数据传送至监控计算机，并将监控计算机的指令信息传送至无线传感模块。主要设计可分为以下几点：

3.1 用于设备监控的无线传感模块设计

该无线传感模块采用TI公司的CC2530芯片为主控芯片，配以无线传感器构成。将无线传感网技术应用于校园供水管网和校园建筑节能的监测与管理。充分利用无线传感网具有的低功耗、低成本、无需敷设线路的优势，在供水管网上安装压力传感器、流量传感器和无线测控单元，即可对供水管网的工作过程进行无线监测及无线数据传输；在教室内安装光线传感器、红外传感器、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、PM2.5传感器和无线测控单元，即可对教室的温度、空气质量、照明等进行合理化监视从而实现智能化调控；在楼道内安装光线传感器、红外传感器、声音传感器等从而实现在夜间楼道照明的智能化监测。充分利用无线传感网络节点所具有的集测、控于一身的优势，可根据校园的用水情况，在现场对水泵进行实时控制，实现变频恒压供水，能够有效地降低过供水管网的水、电损耗；还可依据学校教室、楼宇的使用情况，实现校园用电的智能化控制，从而有效的节约能源。上述无线传感模块与无线远程通信模块之间采用基于Zigbee无线通信模式进行数据传输。

3.2 监控中心上位PC机监控软件开发

采用专门用于自动化控制的工业组态软件或使用计算机高级语言编程开发上位PC机监控软件，该软件所要解决的关键性技术问题是采用Zigbee无线通信方式与无线远程通信模块进行数据通信，并通过无线远程通信模块对执行现场监控的无线传感模块进行监督管理。

综上所述，通过无线传感网技术与Zigbee无线通信技术相结合的无线通信模式，既可实现无线传感模块对校园内教室、楼宇、校园供水管网的实时监控，也可实现监控中心对现场设备进行有效地调节和控制。提高了校园建筑用电、供水管网的智能化、网络化程度。最大限度地实现了建筑信息节能节水的目的。

4 结语

建筑节能的重点主要有建筑物本身的节能、供暖系统的节能、大型公共建筑中用能系统的节能，以及各种家用电器的节能。围绕着这些重点领域，有大量的新产品、新技术有待研究、开发与推广。本项目所进行的大学校园节能模式研究就是一种全新的尝试。

1）本项目主要通过传感器监测校园教室、楼宇用电的合理性，通过一些小的方面实现校园建筑的节能；

2）与此同时通过监测校园内建筑用水从而实现校园内管网的合理化控制，有效的降低了水管的损耗。

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