基于无线传感器的大型公共建筑用电分项计量技术的研究

王旭东　刘金刚

摘 要：目前我国大型公共建筑耗电量呈逐年增加趋势，为降低公共建筑的不合理用电，在公共建筑中建立分布式自组织的无线传感器用电监控网络，是实现智能节电的重要方式。无线传感器网络与分项计量相结合的智能控电系统，可以动态的对公共建筑中的用电设施设备进行控制，实现了用电信息及时可靠的传输，发挥了无线网络迅捷、准确的技术特点。

关键词：无线传感器网络 建筑分项节电 数据传输 系统设计

0.引言

目前，大型公共建筑用电主要分为常规用电和特殊用电，其分项计量一般采用计量表进行计量。但挂表计量具有如下缺陷：一是对供用电线路改动较大，改造成本较高；二是建筑内部负荷类型较多，无法进行准确区分；三是无法实时反映建筑内用电的动态变化。为实现公共建筑的有效节能，实时监测用电设施设备的变化，在大型公共建筑中构建无线电力监测网络是实现智能节电的发展方向。而无线传感器的使用，使电力监测系统管理起来更加简单便捷，易于维护，具有较强的技术优势和节能前景。

1.系统总体架构

无线传感器节能系统具有高智能化、数据采集同步、覆盖区域广、可远程调控等特点。系统易于安装，造价较低，利用无线传感器对用电设施设备及用电环境进行感知，将信息数据通过无线网络传送至服务器，是目前智能建筑节能的主流技术。

無线传感分项计量系统可以通过智能决策对建筑内部的用电进行有效控制，系统决策者可以对其中某个设备和节点进行直接干预。系统主要由无线传感器、路由节点、分项节点、监测中心等组成。

无线传感器分项计量系统主要分为数据采集和智能控制两个部分，运行方式如图1所示。无线传感器和路由节点布置于监控区域内，根据用电设施设备的实际情况予以排布，将采集的数据传至分项节点，并最终传至监控中心。监控中心的软件系统对接收的数据进行分析、汇总、显示和报警，实现公用建筑分项计量的实时在线监控。

2.无线传感器网络的硬件设计

无线传感器网络由分项节点、路由节点、传感器节点等组成，传感器采集的数据经由路由节点、分项节点传递至监控中心服务器，而监控中心的指令则下行至分项节点、路由节点和传感器。

2.1传感器节点

传感器节点通常由传感器模块、无线通信模块、采集处理模块及电源模块组成。传感器模块包含环境感知芯片和信号调理芯片，采用光强、气体、温度等传感器，通过各种传感器对周边物理环境的温度、湿度、光照强度等能耗参数进行感知，并通过实时监测来采集数据。采集处理器可以采用低电压、低功率的单片机芯片；无线通信芯片也要尽量选用低功耗内建空闲与关机模式的芯片，以实现远程传输、低能耗、抗干扰能力强的需求。考虑到能耗成本问题，电源采用磷酸铁锂电池供电。

2.2路由节点与分项节点

路由节点一般由通信模块构成，主要的作用是中转传感器与分项节点、分项节点与监测中心之间的数据。分项节点一般具有较强的数据汇聚和处理能力，以及一定的数据存储能力。分项节点可以以一个具有计算分项能力和采集能力的无线传感器节点代替，也可以是一个仅具备无线通信接口的网关设备。

2.3网关接入与服务器决策控制

为了实现无线传感器节点与网络服务器的接入，需要借助网关设备实现，可以使用GSM、CDMA等方式接入。对于服务器端，在接收到网关设备转换的无线传感器节点感知的信息数据后，对数据进行相应的分析和处理，最终做到决策的智能化。

3.无线传感器网络的软件设计

在无线传感网络中，依据传输数据的不同，将其分为三类。一是通讯数据，即传感器对能耗周边环境周期性采集到的光照强度、温湿度等信息，其数据量较为庞大；二是传输数据，这部分数据包括路由信息、网络状况等，在传输过程中存在一定的延时及丢包率；三是指令数据，包括服务器端传递的指令、监控任务及报警等信息，属于关键性数据。为保证上述数据的高效有序传输，以及系统的稳定，应合理设计其软件。

3.1节点软件

节点软件由传感器节点、路由节点和分项节点软件构成，以单片机C语言做为编程语音，面向节点各硬件进行程序开发。路由节点、传感器节点一般只需要传输数据，而分项节点做为中转控制点，需要向传感器节点、路由节点发送同步信息，同时将收集到的数据发送至监测中心服务器端。

软件的编程采用模块化设计，包括硬件的初始化、数据采集与处理、无线通讯等模块。以传感器节点为例，节点按设定的采集时间间隔进行数据采集。该节点可以同时接收并转发其它节点的数据，在接收到分项节点的高级信息后，可以对传感器状态进行调整，在结束调整任务后，进入停歇状态，并关闭传感器电源，以节约能耗，直至下一采集阶段的开始。

3.2监测中心软件

监控中心通过GPRS等网络通信模块获得传输到本地服务器的采集数据。本地工作人员可以实时调用查看整个系统内的运行数据，各分级用户可以实时根据自己的权限，通过INTERNET远程访问数据。监控中心采用VC进行程序开发，利用串口通信经Activex控件获得分项节点发送的监测信息，并通过调用外部程序，将接收的监测数据存储在本地服务器。

监控中心软件是包括参数设置、实时监控、数据采集分析与处理、用户管理等多个模块的综合系统。参数设置模块的功能为设置用电参数的上下限值及通讯参数；实时监控模块实时反映各用电场所设施设备的实际用电数据，数据的最终表现形式为动态曲线图及指标化报表；数据分析处理模块是对采集的海量数据进行分析处理，并对可能产生的非常规耗电进行预警；用户管理模块的功用是对不同级别的用户进行权限设定及访问设定。上述各个模块产生的数据可以转化为EXCEL文件，并转存到本地。

相对于传统的分项计量方式，大型公共建筑使用无线传感器网络进行电能的分项计量，是公共建筑智能化的重要一步。无线通讯技术的引入，结合智能信息处理，使远程能耗监控更易于实现，同时也降低了分项计量的投入成本，提高了分项计量的覆盖范围，使计量精度更高，数据传输速度更快，有利于大型公用建筑向智能化建筑转型。

参考文献

〔1〕杨显峰等. 无线传感器网络智能建筑节能系统数据传输协议设计与实现〔J〕.现代电子技术，2011，34：37-41.

〔2〕钟吉源. 基于无线传感器网络技术的智能交通信息采集系统的研究〔J〕.中国新技术新产品，2013，12：16-17.

〔3〕杨修明，赵辉. 建筑能耗分项计量及其设计施工要点〔J〕.建筑节能，2013，12：102-105.

〔4〕王旭东.通讯技术在校园能源管理系统中的设计及应用〔J〕.中国化工教育， 2013，11：94.

〔5〕肖军，赵平. 建筑节能技术的效能评价研究〔J〕. 建筑技术，2012，12：1078-1079.

〔6〕张红英.基于单片机实现的WiFi无线传感器网络产品综述〔J〕. 科技传播， 2011，6：211-213.