低功耗广域物联网在智能楼宇能耗管理系统中的应用

刘风 孙中诺

摘要：智能化建筑物的高能耗问题日益突出，造成大量的资源浪费。传统网络应用灵活性差，能源管理系统成本较高;为克服这些不足，将低能耗物联网技术引入智能建筑能源管理系统。研究低功耗广域物联网硬件结构应用，包括 GPRS电源模块、供电模块、电能采集模块、水采集模块、能耗数据采集网关模块;软件低功耗广域物联网应用，包括能量采集节点接入、数据传输过程和网关程序。节能管理方面，采用碰撞检测载体感知方式完成数据上传，满足智能建筑能耗管理要求;

关键词：低功耗广域物联网;智能楼宇;能耗管理;软硬件应用

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）10-0242-02

建筑是人们基本的生活场所。由于人口向城市迁移，房屋不断增加。建筑物使用能耗占全国能源消费的比重越来越大，能源消耗大幅度增加。住宅能耗不断上升，住宅能耗占能耗总量的34%……从国内能耗统计项目来看，建筑能耗与交通运输、工业能耗处于同一水平[1]。从全球来看，建筑能耗占全球总能耗的41%。当前我国能源利用存在着巨大的浪费和低效现象。

当前，建筑能耗监测技术相对落后，与建筑节能有关的规划、政策不完善，对建筑能耗的具体情况认识不足。建筑物节能工作任重而道远，如何运用现代技术积极解决这一问题已是当务之急。智能化建筑物的能源消耗是维持人们生活和技术进步的基本条件。由于经济发展迅速，随着能源需求的增加，人类生存和发展面临的首要问题即将变为能源短缺 [2]。为此，提出在智能建筑能源管理系统中应用广域低功耗物联网 WIFI。广域小功率物联网具有良好的应用前景，可以有效推动我国建筑节能减排工作。智能化设备已逐步渗透到生活的各个方面。由台式机、笔记本电脑到手机、手表、智能设备，首要的任务就是建立通信连接，使数据能顺利传送，成为有效的信息流。

1硬件结构低功耗广域物联网应用

广域智能化设备已逐步渗透到生活的各个方面。从台式机、笔记本电脑，到低功、高效智能设备的任务就是通信网络连接，使数据能顺利交换。智能楼宇能源管理系统，采用无线传输，无需布线，终端、继电器全部由电池供电，节省维修费用，降低功耗，大大延长使用寿命[3]。该系统采用移动电话组网的方式，在基站中设置多个能耗采集终端进行能耗数据转发[4]。通过自组织方式，小功率广域物联网可以灵活组网，并且其有着距离远、很低的功耗、极强的穿透力强等优点。这个网络非常适合智能建筑中的能源管理系统。

1.1 GPRS功耗模块

本发明的终端装置由于外壳结构的遮挡，使终端信号大大降低。在小功率广域物联网中，集电箱需要集中并上传数据，而集电箱（基站）的功能连接对 GPRS模块的功率要求较高，因此难以找到适合的大容量集电箱供建筑物供电[5-6]。6123采用了一种低功耗 GPRS模块，特别适用于太阳能监测应用。

小功率广域物联网结构具有可扩展性好，覆盖范围广等优点，复杂的网络结构能够满足终端和继电器在低功耗情况下的功耗要求。所以data-6123低功耗 GPRS模块是对双通道数据传输的进一步扩展，极大地提高了基站的覆盖范围，并且当数据正常时，用于维护网络的成本也是比较低的，而且在进行网络数据传输稳定性方面也比较容易实现。

唯一的设备 ID和位置信息与服务器相连，设备会定期报告维护情况，例如电池功率和设备状态。在网络上通过多条集中设备数据，并通过 GPRS模块上传到服务器端。管理员可以利用后台管理系统将其连接到云服务器上，以实现各个网络节点的实时跟踪和维护。因而无需人员进行设备状况的现场检查，在很大程度上降低了维修的费用。运营商提供了GPRS网络服务，它的通信费用一般需要由信息量或者 SMS来进行收取。

1.2电源模块

电源模块为节点提供电源，节点是由大容量电池进行供电的，功率模组提供节点工作的能量。使用ER26500电池继电保护及端子寿命可达一年以上，无需更换电池，无需维护。在该电源的支持下，将干电池化学能转换为电能，其两极分别带有正负电荷，由正负电荷产生电压，而电流是在电压作用下定向移动的。当电荷散尽时，荷尽压消了。

1.3电量采集模块

选择柳川485智能电表，实现对智能建筑用电数据的采集。通过仪器把采集模块连接到采集节点，实现抄表、预付费及抄表的通关控制。能量采集电路能够准确地采集到终端消耗的能量，使用485- ttl模块，4 G无线遥控单相三相预付费电表遥控手机，整体安装成本低，适合电表集中安装，安装位置不受信号影响。采集器采用4 G物联网卡，电表的通信不依赖 GPRS，智能电表是通过采集節点的UART3接口进行数据交换的，波特率达到2400 B/S。

1.4水量采集模块

采用泰安485智能水表，实现了建筑用水与能耗的智能化数据采集，可以在采集节点的位置安装连接水表， 进而实现表数的抄录、预先支付水费以及对水表的开关进行控制。通过设计水量采集电路，实现了准确采集终端耗电数据的目的。智能水表485的数据交换，是通过485转 TTL模块和UART3接口来实现的，UART3接口是进行能量采集的节点。

1.5能耗数据采集网关模块

整个能源管理系统的数据传输和转换都是以网关为中心的，网关通过 GPRS模块接收传感器节点采集的能耗数据并上传到服务器。因使用ER26500工业电池不能满足长期稳定网关的要求，需进行长期稳定工作。Gateway使用标准DC12V电源。另外，无线通信模块和网关处理器采用串行通信方式。

2软件部分低功耗广域物联网应用

2.1能耗采集节点接入和数据发送流程

载波感知多访问协议采用一种冲突检测方法来检测冲突，该方法的基本检测原理为不同的通信站在发送消息前都需要对信道内的信息进行监听，一旦信道之间出现冲突，就不进行消息的发送，同时要发出强冲突信号，以对在该信道发出的冲突做出及时的通知。在检测到信道内有信号传输时，它便主动返回原来的位置并且等待其他信号完成传输;如果信道出现空闲时，它便会立即发送数据。这种机制可以在一定条件下保证信号的可靠传输。

（1）能耗采集节点接入流程

能源采集节点最终的接入过程还是要参照IEEE802.11的协议来实现，在终端接通电源后，它首先将数据通信请求发送到周围的接入点。空余时间进行数据传输时，周边接入点将从能量采集节点接收查询指令，否则将立即回复并明确发送。终端会自动选择有较强信号的应答接入点，同时对接入点上的MAC 地址进行保存，并作为上位节点，使节点能够进行数据传输。图1展示了能量收集节点访问流程。

（2）能耗采集节点数据发送流程

在数据传输过程中，能量采集节点实现冲突检测是通过载波进行对多路接入协议的监测实现的，在数据发送之前，能量采集节点不做出有关信道的任何判断，反而是进行同信道之间的直接竞争，对接入点完成数据包的直接发送，等待接入点的确认响应。如果访问点没有响应时，那么不同的终端可能会在同一时间进行数据的发送，进而导致信道之间的冲突。这时能量采集节点随机地用 K乘以通信时间单位，这取决于CC1125采集节点终端的符号率和能量消耗能力，通信总长度和 K值的范围。若资料在重新传送后没有再从存取点收到回应，则会再传回，直到判断存取点无效，再重新选取存取点。

2.2网关程序

假设能源管理系统内的所有物联网数据资源都仅仅在感知层之间进行传输，那么它将难以发挥出其本身最大的作用和最大的价值。在设计能源管理系统时，将在因特网上进行最终的能源消耗数据，并通过手机网络或宽带网络与人们进行交互，从而使其价值可以达到最大化。物联网和因特网连接的桥梁是能源管理系统的入口处，而管理以及控制各个物联网之间的节点的则是能源管理系统网关和传感终端。关联转换通过 TCP/IP协议完成的，然后将数据发送给服务器。上述网关主要实现以下几个工作：协议之间的转换，网络的管理以及其维护，数据的采集以及其转发功能，有时也要完成网络访问认证管理模块的增加。

能耗管理系统的网关软件流程：接通网关点之间电源，启动因特网并将模块接入，接着注册服务器，该步骤需要UDP接口完成，进而得到网络时间，对整个网关模块完成更新工作，网关的通信地址是通过获取该网关的MAC 地址实现的，但该获取也是要借助 WAN协议转换模块;网关模块和协调模块都是在一个相同的设备上，因此使用该 MAC地址。然后等待接收来自WAN的数据，通过WAN协议转换模塊对WAN协议进行分析和重新的打包，并完成缓存区分析数据的保存。由于不需要等待其他任务，核心处理模块实现数据的封装和上传是通过调用Internet访问模块来完成的。同时，如果有新的节点加入网络中时，当网络中有新节点加入时，Core处理调用NetworkManagement模块对该节点进行访问和管理，同时对该节点进行定期回收和维护。

2.3服务器设计

网关和服务器是通过UDP 实现的通信，UDP是一种没有连接的传输协议，它与TCP 不一样，它是不可靠的，在进行数据包发送的时候，会对不同的数据包按照类型进行分组、排序和组装工作，但是这样的排序方式不会对物联网之间的数据传输造成任何的影响。具有较低功能损耗的广域物联网的智能建筑能量管理系统之间的数据都是大小不一的，数据包中分布几个字节，但是由于通过 UDP所传输的数据的频率较低，对于TCP 这样的既复杂又具有可靠性的协议而言是不适合的，在此情况下 UDP则可以发挥它自身的优势。

在用socket调用 UDP接口创建了服务器监控过程之后，建立了服务器的基本模型。这时，根据应用程序的需求，需要为不同客户传输数据创建相应的线程。此时，服务器的前端程序还需要使用线程池来实现线程的应用和处理工作。在LinuxSystem中进行服务器程序的运行，LinuxSystem是一个具有繁多任务和多个线程的操作系统。作业系统会根据所需进行接收和处理客户机之间的连接，但这项工作还是要通过对进程与线程机制的合理使用来实现使服务器的稳定性和可用性得到有效提高，利用线程池来对可用线程与系统资源进行统一分配和管理。当服务器程序有需要的时候，即客户机进行数据传输时，服务器程序则会对存在于线程池里面的线程做出请求，进而对数据做出一定的处理，包括数据分析和数据库操作。

3结束语

在此基础上，实现了低功耗广域物联网能量采集节点和能量采集网关的硬件设计。通过对低功耗广域物联网协议和网关程序的编写，能源采集节点通过低能广域物联网无线传输网关实现数据智能采集。Gateway对收集的数据进行组织和封装，并通过无线网络发送给服务器，从而允许能源管理系统的远程访问。本设计的消费管理系统由于经费不足，尚不完善，有待进一步完善。关于提出的能源管理系统开发过程中遇到的问题，接下来的工作则是对系统的功能做出更进一步的完善，比如开发可配置各终端为无线接入网络的 PC软件或手持终端。

参考文献：

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[3] 冯晓星，唐飞，李琰，等.低功耗无线物联网终端的电源管理系统设计[J].半导体技术，2018，43（12）：881-887.

[4] 罗步升.路由算法在均衡物联网传感器节点能耗分析中的应用[J].科学技术与工程，2018，18（25）：206-211.

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[6] 王俊，谭荣华.基于嵌入式技术的超低功耗红外光通信系统设计[J].激光杂志，2020，41（3）：177-181.

【通联编辑：光文玲】