建筑能耗实时监测系统的设计

王升军，尚兆功，高　鹏，刘玲云，郭祥洋(.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南　500; .山东省城乡规划设计研究院，山东济南　5003)



建筑能耗实时监测系统的设计

王升军1，尚兆功1，高鹏2，刘玲云2，郭祥洋1
(1.山东建筑大学信息与电气工程学院，山东济南250101; 2.山东省城乡规划设计研究院，山东济南250013)

王升军(1992—)，男，硕士研究生，研究方向为智能家居服务装备。

摘要:基于互联网平台设计了一种建筑耗电实时监测系统，利用智能硬件和智能传感器，通过WiFi、ZigBee等网络技术实现远程数据的采集和信息的交换。重点阐述了建筑能耗检测方式和能耗监控平台的设计。提出建筑能耗监测系统能及时获得建筑能耗数据，实现整个公共建筑的实时耗电信息监测，为建筑能耗优化提供数据依据。

关键词:建筑能耗监测系统;能耗检测参量;硬件设计;智能网关

尚兆功(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为智能家居服务装备。

高鹏(1981—)，男，从事建筑电气方面的设计。

0　引言

随着经济、科技的不断发展和人们生活水平的提高，公共建筑(如学校宿舍、医院、酒店)在社会发展中显得越来越重要。由于公共建筑受电量消耗巨大、耗能分散、不稳定、管理混乱、运行不规范等因素制约，因而公共建筑耗电信息采集处在盲区状态。随着《建筑节能条例》的实施，不同建筑建立了能耗系统运行管理制度，公共建筑用电的运行过程也将实现有序化和节能化。

能耗监测技术正向着智能化、网络化的方向发展，已有的能耗监测系统大多由基于总线型(RS-485总线)的远传能耗计量基表来实现数据采集、分析、输出、保存和管理及表单汇总。本文设计了一种建筑能耗监测系统，通过远程无线的方式实现数据采集。

1　系统总体架构及能耗检测参量分析

每个房间内设有智能电表，实时监测房间内的用电量、电压、电流、功率等信息，通过无线网络上传至楼层网关，经过交换机连接到监控主机。同时，数据通过LAN总线经路由器到达Internet，用户可通过手机获取建筑物内的环境信息及用电信息，实现用电的智能化。能耗监测系统架构如图1所示。

图1　能耗监测系统架构

建筑能耗检测参量总体分为分类统计和电量分项统计。用电量、燃气、水暖等传统检测参量属于分项统计，用于建筑物分类能耗的总体宏观展示。电量分项统计包括照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电，便于能源监测系统对能耗数据进行归类、分项、分析、统计，使能耗检测系统管理更精细化。此外，能耗检测需要完成电量各项参数的检测，可以利用智能硬件实现电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、品质因数等参数的实时检测和计算分析，为建筑能耗分析、电网能耗调度等提供数据支持。

2　系统硬件设计

2.1智能电表的设计

智能电表模块主要由电源模块、计量模块、MCU模块、无线模块、LCD显示模块、存储模块、时钟等组成，其系统组成如图2所示。

图2　智能电表系统组成

2.1.1电源模块设计

电源模块采用开关电源，避免频繁更换电池带来的不便。开关电源电路按照低成本、高效率和离线式开关电源的要求设计。在220 V电压供电、无负载工作的情况下，电路消耗的电能约为80 mW。核心芯片TNY254P允许一个缓冲区去限制漏极峰值电压，其开关频率为44 kHz，在该频率下工作能够减少电磁干扰。输出滤波电路选择π型滤波电路，过滤出电路中的高频杂波。以EE13为核心的变压器，提供的输出功率可达2.5 W，满足设备的需求。

2.1.2电量采集模块的设计

电量采集模块原理如图3所示。电量采集模块采用RN8209电量计量芯片，能够采集单相电路的电压、电流、有功功率、无功功率等参数，可支持SPI和USART接口与处理器通信，具有体积小、精度高、功能强等优点。

图3　电量采集模块原理图

电流采集时，相线的输入端经过0.56 μΩ锰铜产生微小的压降，锰铜两端经过1 kΩ电阻连接到电流通道A的正负模拟引脚，采用完全差分输入方式从寄存器中读取电流有效值。

电压采集采用差分输入方式，为了降低功率采用多个电阻串联的方式，1 kΩ电阻的电压输入到电压通道的正模拟输入引脚，电路通道的负模拟引脚经过1 kΩ电阻与地相连，从寄存器中读取电压有效值。

电流通道B通过电流互感器，获得中性线上的电流，与电流A通道采集到的电流值相比较，如果不相同，则有窃电现象。另外，有功功率、无功功率均可以通过读取寄存器获得。

2.1.3无线通信模块设计

无线通信方式选用WiFi通信，替代了传统的ZigBee、433、蓝牙等通信方式。ESP8266模块可以通过RS-232与MCU进行交互，MCU可以用AT指令集对其进行配置，作为服务器带动多个终端设备。系统通信时设置网关为服务器，激发出AP热点，其余各个模块作为终端建立TCP连接，即可实现无线通信。用户可通过手机加入到网关的无线网络中，可远程获取房间内的能耗信息。

2.2智能网关的设计

智能网关包括MCU、外部存储单元、WiFi模块、以太网转串口模块、复位电路等。智能网关结构如图4所示。

图4　智能网关结构框图

2.2.1以太网转串口模块设计

以太网转串口转换电路如图5所示。选用KSZ8041FTL芯片，其采用3.3 V供电的10Base-T/ 100Base-TX物理层收发器件，符合IEEE 802.3u标准。

KSZ8041FTL芯片采用MII接口，为确保外接25 MHz晶振正常工作，并联2个22 pF电容到大地;在KSZ8041与高层MAC 进行物理线连接时，为保证信号的抗干扰和完整性，在电气连接时串接33 Ω电阻;将R =6.49 Ω、C =100 pF并联接入REXT，决定KSZ8041FTL芯片的发送输出电流。

图5　以太网转串口转换电路

采用带网络变压器的RJ45接口模块HanRunHR911105A作为以太网物理接口。网络变压器内置差模耦合线圈，对物理层芯片输出的差分信号耦合滤波。网络变压器通过电磁场耦合滤波差分信号，将信号耦合到连接网线的一端，以获取高强度、低误码率的信号，使网线和PHY间在完全隔离的状态下完成数据转换和传输。

2.2.2LwIP协议栈移植

通过移植LwIP协议栈到该平台，实现TCP/IP协议栈。TCP/IP协议数据收发处理流程如图6所示。

图6　TCP/IP 协议数据收发处理流程

3　上位机软件设计

上位机软件主要由数据收发部分和显示部分组成。数据收发是指嵌入式网关的数据收发。两者通过无线网络连接，所以应用的是TCP/IP的Socket套接字编程。嵌入式网关在与上位机通信时作为服务器，上位机是连接发起方。显示部分使用C#编写的运行于Windows.Net Framework上的窗体应用程序。根据实际需求，采用ListView控件实现每个房间状态的显示，当出现异常情况或房间出现警告信号时，ListView的相应字段文字会通过改变颜色来提醒监视人员。

另外，用户打开建筑智能用电监控平台软件，程序调用DBConnetction类中的NewConnection()连接数据库，进行用户信息确认。

4　系统的测试

用户成功登录系统后，监控系统进入软件平台主视窗口。主窗口界面包括即时监控、历史数据、网络结构等操作界面。在即时窗口，用户可以通过选择房间号来查看用电量信息;在历史数据窗口，用户可以通过数据库中绘制曲线，对当前用电量进行分析。

监测结果表明，该系统可以有效地获取房间的能耗信息，并及时汇总到监控中心。

5　结语

本文基于互联网平台设计了一种建筑耗电实时监测系统。该系统以单片机技术为核心，利用智能硬件和智能传感器，通过WiFi、ZigBee等多种网络技术，实现远程数据的采集和信息的交换，实现整个公共建筑的实时耗电信息监测，为建筑能耗优化提供数据依据。

参考文献

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Design of Energy Consumption Real-time Monitoring System in Building

WANG Shengjun1，SHANG Zhaogong1，GAO Peng2，LIU Lingyun1，GUO Xiangyang1
(1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China; 2.Urban and Rural Planning Design Institute of Shandon Province，Jinan 250013，China)

Abstract:Based on the Internet platform，this paper proposed an energy consumption real-time monitoring system of building，which realized the remote data acquisition and information exchange through the WiFi and ZigBee network technology by using the intelligent software and intelligent sensor.The detection modes of building energy consumption and monitoring platform of energy consumption were elaborated.It is pointed the building energy consumption monitoring system can timely obtain the data of building energy consumption of and realize the real-time power consumption monitoring of the whole public building，which provides the data basis for optimization of building energy consumption.

Key words:building energy consumption real-time monitoring system; energy consumption detectio parameter; hareware design; intelligent gateway

收稿日期:2015-09-11

DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.03.010

中图分类号:TU 201.5

文献标志码:B

文章编号:1674-8417(2016)03-0042-04