基于WSN的智能小区能耗管控系统

罗永顺，罗梓杰

（广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510635）

基于WSN的智能小区能耗管控系统

罗永顺，罗梓杰

（广东技术师范学院机电学院，广东 广州 510635）

针对当前小区设备管理复杂、能源浪费严重、管理自动化程度低等问题，本文设计了一套基于WSN的智能小区能耗管控系统.借助布设在楼宇中的无线传感设备，系统可采集楼宇的水表、气表、电表三表的能耗参数，对数据进行汇总、处理和分析后，为管理部门提供小区的能源消耗情况，实现了小区管理部门对楼宇等建筑的能耗自动检测与管理，同时为政府对城市能耗监控提供了一种解决方案.

WSN；智能小区；能耗管控

0 引言

虽然我国的住宅单位面积能耗虽少于公共建筑，但因住宅基数大，增速快，因此住宅建筑能耗增长必将成为一种趋势，据统计目前住宅能耗已占到全社会终端能耗近18%.小区住宅建筑能耗包括水、电、气三大类，其节能改造后可以实时监测楼宇环境变化，了解楼宇内的能源使用情况和环境状况，方便管理部门进行管理和调节，提高管理部门的调节控制能力.如北京市房地产科学技术研究所的徐俊芳等人通过对北京市住宅小区建筑全年能耗分析来为探讨北京市住宅建筑的节能提供参考和数据基础［1］.随着无线传感器的升级换代，借助低功耗、多功能的传感器协同完成数据采集和处理变得更容易.因此，无需布线且可灵活组网［2］、基于WSN的智能小区能耗管控系统将有广阔的应用市场.

1 能耗管控系统的整体结构

基于WSN的智能小区能耗管控系统由智能三表采集系统和小区服务器管理系统两部分组成，系统结构拓朴图如图1所示.其中智能三表采集系统主要是对小区住户水、电、气三表能耗数据的采集，由每个楼层的水电气三表、每层的中继器及楼宇采集器组成；小区服务器管理系统主要由后台数据库、前台管理系统和监控页面组成，用以实现能耗数据的处理与分析［3］.

图1 系统结构拓扑图

2 智能三表采集系统

2.1 硬件设计

智能三表采集系统由中继器和采集器组成，其中三表的数据采集任务由中继器完成，再借助采集器将数据上传至小区服务器.

中继器采用R S-485总线方式进行三表数据的采集，然后通过内置的nRF905无线通信模块将采集到的三表数据上传至采集器［4］.中继器的硬件结构如图2所示，其主控芯片为STCl2LE56l6AD芯片，支持多种低功耗模式.无线芯片选用nRF905无线数据通信收发芯片，工作频段433／868／915MHz ISM，通过SPI接口进行配置.借助ShockBurst技术，nRF905无线通信模块通过RFID无线通信网络与后台数据库进行数据的收发，可以提供高速的数据传输而无需使用昂贵的高速微控制器来进行数据处理.

图2 中继器硬件结构框图

2.2 三表采集技术设计

由于三表采集具有多协议的特点要求，这要求系统具有兼容性的特点，能够对水、电、气三表数据进行统一采集，方便全部能耗数据的管理.三表采集技术支持无线采集和RS-485总线两种方式，其与水表、气表集抄数据通信的依据是行业最新标准CJ/T188-2004《户用计量仪表数据传输技术条件》，与电表的通信协议依赖于行业标准DL/T 645-2007《多功能电表通信规约》，智能三表采集系统向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2 智能水、气表通信帧格式

三表之间与中继器均采用主从半双工式通行协议，主站为楼宇采集器，转发站为中继器，三表为从站.每块表均有独立的地址编码，通过无线方式和R S-485总线协议建立通行链路后，可接收来自主站的控制信息帧.

楼宇采集器与三表通讯流程图如图3所示.三表统一控制码C标志命令由楼宇采集器发出，当需要抄表时，令C=11H；当结束处理时，令C=16H.L表示数据域Data的长度，数据域Data的结构取决于控制码，数据标志、密码、内容、帧信号等则包括在数据域Data里面.检验码CS表示从首帧起始符起到校验码之前的所有字节的模之和.可靠性高的通信通道依赖于中继器建立，用于交换和处理采集器与三表单元之间的数据信息，集中采集每层楼的所有三表数据.此外中继器在接收到来自楼宇采集器的采集指令后，必须完成对所挂载三表的能耗数据采集任务，同时将有效数据发送至楼宇采集器处存储［5］.

图3 楼宇采集器与三表通讯流程图

3 小区服务器管理系统

小区服务器管理系统包括后台数据库和前台管理系统，后台数据库主要应用于存储与管理小区住户单元水三表能耗数据，并供自来水公司、电力公司及燃气公司等管理部门进行历史数据的访问和查看，而普通单元用户不能进行访问.前台管理系统主要是通过控制界面对小区设备进行相应管理和控制，结合后台数据库的数据，增强和提高管理部门的调节控制能力.小区服务器管理系统结构如图4所示.

3.1 后台数据库的工作机制

后台数据库和楼宇采集器之间采用中断方式进行数据的发送和接收.由发送端向接收端发送请求传输指令，当接收端收到请求传输指令后，给发送端返回一个指令，发送端根据接收端返回的指令判断是否开始传输数据；数据库处理设置有一主线程和多子线程，主线程用于处理、标识数据的完整性和准确性，而子线程利用队列阻塞机制进行初步的数据储存、处理；从而增强网络的强健性和冗余性.

图4 管理系统结构图

3.2 前台管理系统的设计

前台管理系统的图形用户界面（GUI）负责与用户进行人机交互，通过自动分项分类对数据进行管理，并借助相应的算法统计历史能耗数据和对单元能耗进行定量预测，最终得出楼宇能耗的预测值，为配水、配电、配气提供数据支持.

4 结论

基于WSN的智能小区能耗管控系统利用WSN无线传感器网络的特点，在充分分析了智能小区能耗智能化管理的要求上，设计了智能三表采集系统和小区服务器管理系统两部分结构，并设计了两部分的整体设计方案.借助该系统，可以对小区用户能耗进行管理，实现现代城市居民小区的能耗监测和人性化、自动化的管理功能.

［1］徐俊芳,田昕,江青文等.北京市住宅小区建筑全年能耗分析［J］.节能技术，2011,29(3):252-255.

［2］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.

［3］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.

［4］吴平.基于无线传感器网络的智能楼宇安全系统的设计［J］.自动化技术与应用，2014，33(3):99-102.

［5］王平,谢浩,付蔚等.智能楼宇能量管控系统的设计与实现［J］.自动化仪表，2014，(3):64-68.

［责任编辑：郭正涛］

Design of Energy Consum ption Control System in Intelligent Residential Based on WSN

LUO Yong-shun，LUO Zi-jie
(Institute of electrical and mechanical，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510635，China)

energy consumption problem is a serious problem in communities,such as the energymonitoring of institute of electrical and mechanical.A set of intelligent building energy control system has been designed in this paper.Based on wireless sensor network,the use of water，electron and gas could be collected,summarized, processed and analyzed.The processing results should be proved for managements to make managementmore convenient.This system make the detection and management of energy consumption to be automatic,and provide a way to solve other energy consumption in the city.

WSN;Community;Controlof energy consumption

TP 4

B

1672-402X（2016）02-0041-03

10.13408/j.cnki.gjsxb.2016.02.009

2015-12-10

罗永顺（1973-），女，广东始兴人，广东技术师范学院机电学院副教授.研究方向：智能控制.