建筑节能运行智能控制系统设计研究

吉林建筑科技学院 郑伟南

建筑能源消耗占全球能源消耗的近40%，因此使建筑的用能水平提高，使其成为节能型建筑；超低/近零能耗建筑作为节能建筑的一种高级表现形式，他们的出现以及逐步推广使用，非常有利于控制碳排放、缓解能源危机和环境污染。随着建筑电气智能化及相关技术的发展，越来越多的智能控制系统应用在建筑中，通过节能控制策略和系统优化，有助于建筑的智能节能运行。

1 控制系统设计

为满足人类的居住或工作环境的舒适度，建筑系统需要配备供暖、制冷、照明、电梯、通信子系统以及家用电器设备等，而这些设备的运行必须通过智能控制系统才能实现节能运行。智能控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。从功能出发，硬件系统应包括数据采集、控制中枢、通信和执行端四个主要部分，软件系统包括算法的运行以及控制操作界面的设计。如图1所示。

图1 系统主要部分结构框图

1.1 数据采集

系统需要采集取暖、新风、空调和照明等系统相关的运行数据，以及如温度、二氧化碳、湿度、光强度等环境数据，用来给控制策略的设计与优化提供数据支撑。考虑到数据采集对象分布距离较远且数据较多，因此采用基于物联网的数据采集系统，物联网的全面感知、智能化以及网络化程度逐渐提升，此系统就所用物联网的多功能传感芯片和元器件、感知信息融合处理、嵌入式传感系统。

（1）电量参数采集

本系统中选用安科瑞公司生产的DDSD1352多功能仪表采集有功电能、无功电能、三相电压、三相电流、频率、功率因数等电量参数，该仪表具有电能脉冲输出功能，可通过RS485通讯接口与上位机实现数据交换。输入电压单相为AC220V；输入电流为10（60）A，使用时采用DIN35mm导轨直接安装即可。

（2）室内环境参数采集

温湿度的采集选取高精度温湿度传感器DHT11，它的温湿度测量范围分别为0～50℃和20%～95%RH，适用于建筑物内环境温湿度的测量，供电电压为DC3.3～5.5V，与系统电源匹配，不用单独设置电源，使用方便。该芯片包含电源正、电源地、串行数据和一个串行时钟输入共4个引脚，使用时需要在两个电源引脚之间设置滤波电容。光强度采集选择维芯品牌的GY-485-44009型高精度传感模块，P5，P6引脚为数据传输引脚，该模块连接接口为串口，由于系统采用RS485通信，因此使用时需要借助USB转458模块。选用费加罗TGS813传感器检测可燃气体；用T6613-2K T6613-5K美国GE红外气体传感器检测二氧化碳。

1.2 通信模块

选用ZigBee模块设计通信部分，当在模块中运行不同软件程序时可使模块具有协调器功能或节点功能。具有模拟输入、数字输入、继电器控制以及RS485接口。该模块自带电源以收发芯片CC2530和功放芯片RFX2401为核心。通过编程接口加载节点的控制程序；通过功能接口完成系统参数的配置和数据的采集及控制输出；通过485接口完成相关的数据传递任务。使用时模拟量和数字量通过CC2530的P04TX、P05RX、P06和P07引脚输入；当所接传感器为电压型时，电阻R1-R5以及电容C2不焊接；当传感器为电流型时，电阻R2、R3以及电容C7不焊接。

1.3 控制中枢

控制中枢是整个系统的核心，负责确保各子系统的功能正常运行，然后将各子模块与主控单元联调融合；需要处理来自数据采集端的数据，执行控制策略算法，通过软件不断调试优化系统的功能。包括上位机控制端和现场控制器两个层次。

（1）上位机

上位机终端选择工控机，系统软件以终端设备为承载平台，负责控制策略表达，用组态软件设计监控界面，需要能够对建筑内各监测对象运行进行监测并将实时状态直观展现出来；还需要以采集到的数据作为判断依据对电气设备和窗户、窗帘等设备进行开关控制。具体包括建筑内空气质量相关参数的实时数值显示以及曲线显示界面、历史数据查询界面及报表打印功能、系统故障诊断及相关信息提示界面、报警界面以及权限设置界面。

（2）现场控制器

主控芯片解析处理数据后，通过通信模块发送相应的指令到执行端各单元的控制。选择STM32增强型微控制器为核心设计主控单元，根据系统功能需求确定WLCSP64封装的有64个引脚的STM32F103R6芯片为主控芯片，成本低、速度快、性价比高，具有优先级可编程的中断系统，同时它还具有64KB的Flash存储器与20KB的SRAM存储器，另外还集成了非常的片内外设资源丰富，如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、I2C接口等。系统时钟电路选用典型值8MHz的晶振，为降低输出失真并快速达到稳定时间，在设置谐振器和负载电容时应离振荡器的引脚足够近。选择典型值为5pF～25pF之间且具有相同参数的瓷介电容器为负载电容；反馈电阻值确定为200kΩ，对应的晶体串行阻抗值确定为30Ω。

（3）执行端

控制中心的控制指令传输给终端设备进而通过控制执行器实现相应设备的智能控制。本系统中对窗户、窗帘、照明设备、空调设备和报警设备采用继电器控制，继电器输出控制电路，选用欧姆龙继电器模组，额定电流为16A，30VDC，线圈电压为12V/24VDC，线圈功率为0.53W/只，支持1-16路输出，采用DIN导轨安装方式。

1.4 接口模块

系统所有模块的通信协议均使用了标准Modbus协议，因此需要设计RS485接口模块，以MAX3485为电路主控芯片，将PIN1和PIN4分别连接到ZigBee模块主控芯片的PIN2和PIN3，为了起到过流保护和抑制浪涌电压的作用，需使用2个自恢复保险丝和3个稳压二极管构成保护电路。如果信息传输距离超过300m时，需要设置抗干扰电阻。

2 控制策略优化

2.1 空调控制策略

空调系统是建筑中最大的耗能设备，在夏季主要供冷，在冬季尤其是在没有集中供热的南方地区，空调是最主要的供热设备；因此要保证居住舒适性及节能的环境控制目标，需要选择适合的控制策略对空调系统运行进行智能控制。控制参数应包含天气信息、当前室内温湿度信息；若为公共建筑则应加入建筑的正常营业时间或办公时间，由此来设定空调的自动启停时间点。且记录室内温湿度及空调启停时间，并将其作为控制系统反馈参数，依此优化控制策略。因为室内环境参数随时间变化，天气参数为随机值，因此可以考虑基于BP神经网络的模型对空调能耗进行预测或利用专家系统对空调运行进行控制。如预测电量消耗信息，则需要室内温度（A）、湿度（H）、人数（N）和工作时间（T），作为BP神经网络的输入，输出定义为每小时的总电量消耗，进而确定网络的输入变量X和输出变量Y分别为：

2.2 照明控制策略

公共建筑的能耗量占比中，照明系统是仅次于空调系统的第二大能耗使用系统，目前主要通过高能效灯具及智能控制系统的应用实现节能。对公共建筑来讲实行分区控制、场景控制、智能调光等能够达到较好的节能效果。也可融入“行为节能”控制参数，将一些节能意识转化为系统程序中的控制策略，如根据建筑内人的工作时间来设定照明设备的自动开启与关闭，在正常工作时间内，若实时检测到室内无人的话，则延时一段时间关闭照明设备。人员的存在情况，若是室内无人关闭该区域的照明设备，这个时间的设定需要根据照明场所的不同个性化输入。同时系统中的各类时间参数可以按需设置，根据实际情况分区设定。

结论：本文以建筑物节能运行为目的设计了智能控制系统，以STM32系列单片机为核心设计了控制单元，选用DHT11等传感器采集室内环境参数，并通过ZigBee无线通信模块传输给主控芯片或上位机，节能控制策略软件程序运行后，通过主控单元发出控制命令给执行单元，从而控制各用能设备的开关与启停，使建筑节能智能运行，达到低碳环保的环境效益。