基于物联网的服务区加油站节能应用研究

奚梅霞，郭 成，江 庆

(1.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230000；2.安徽省高速石化有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

自党的十八大确定以生态文明建设发展的基调以来，作为节能减排三大主战场之一，交通运输行业自上而下地开展了一系列绿色低碳发展的行动。服务区加油站作为高速公路附属工程的一部分，且基础设施建设是服务区的组成根基，只有保证服务区范围内的各项基础设施处于节能、低碳的状态，才能使得服务区具有绿色化属性[1]。目前，大多数服务区加油站仍然采用传统的用电方式，容易造成能源浪费[2-3]。在此背景下，本文围绕高速公路服务区加油站的节能技术进行分析，以合安高速公路为背景，对合安高速公路服务区加油站营业用房节能现状进行调研，在现有学者对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)夹芯板力学性能研究的基础上[4]，将GFRP方管增强型夹芯保温板用于节能型营业用房上。通过采用ZigBee无线通信技术[5]设计了一种服务区加油站节能控制系统，采用远程监测技术把分散式管理改为集中运营管理，用LabVIEW作为上位机进行现场控制，Wifi连接至OneNET云平台实现远程控制。

1 服务区加油站节能技术应用分析

电能的消耗是高速公路服务区加油站最主要的能耗来源，因此对电能的流动进行研究至关重要。首先是电能的产生，别的形式的能量通过一定的手段和设备产生为电能；产生的电能由发电厂或电源从某处输送到另一处即为电能的输送；电能输送过程中使电能转化为需要的能量形式实现电能的消耗。

对上述3个环节进行研究，寻找可实现节能的方式。在电能产生环节，通过采用太阳能和循环能源代替传统电能；在电能输送环节，通过减少电能在传输过程中的损耗，使电能最大限度地用于负载；在电能消耗环节，在满足负载功能的前提下减少能耗。根据以上分析，节能技术可以分为以下4类。

(1)新能源应用技术。采用各类可循环能源代替传统电能，不仅实现了节能，而且迎合了当今社会对环境保护的重视性。新能源主要包括光能和风能，光能通过光生伏特效应直接转换为电能，而风能则先转换为机械动能再转换为电能。

(2)电能传输节能技术。由于用电设备的增多容易导致配电线路中出现大量无功滞后电流，不仅降低了电线路的使用功率，而且在线路中造成了大量电力资源的浪费。用于高速公路的配电系统是低压系统，通过对配电线路进行改善，应用稳压滤波补偿技术降低无用功率以及变压技术降低变压器损耗，均可实现相应的节能。

(3)新型节能设备应用技术。采用新型的节能设备取代原有的传统设施，可以降低负载的能源损耗。目前，主流的新型照明设备有LED照明、荧光灯照明和离子灯照明。LED灯通过半导体发光材料将电能转化为光能，耗能较少；荧光灯利用高频电压在密闭空间建立磁场电离该空间内的气体，产生的紫外线激发荧光粉发光；离子灯照明技术主要通过磁效应产生的微波将气体变为高压，高压下的硫粉离子态发光。

(4)节能控制技术。节能控制技术使用多项控制策略实现加油站的节能。例如，一方面，可在低交通量的条件下通过安装车辆感应装置在车辆进入加油站时开启照明，车辆驶出加油站时关闭照明来实现节能；另一方面，通过LED灯的无极调光技术对照明功率进行调节，在满足使用的前提下降低灯的亮度，以此类似，对空调等设备也可采用无极调控，达到节能的目的。

2 服务区加油站用房节能技术研究

本文通过对合安高速公路辅助用房进行实地调研，了解其建筑节能现状，总结其在节能方面存在的问题。通过对GFRP夹芯保温板的传热性能进行研究，一定程度上为促进复合材料在建筑节能方面的运用提出了解决方案，推动了高速公路服务区加油站用房的节能改造工作，为相似地区高速公路辅助用房的新建和节能改造提供了一定的借鉴作用。

2.1 服务区加油站节能存在的问题

根据现场调研情况，合安高速沿线辅助用房在节能方面存在如下的问题：

(1)绝大多数用房的保温性能较差，需要进行节能改造。

(2)对新能源的利用较少，依旧是传统的用电方式，耗能大、节能空间大，对太阳能、风能等循环能源的利用应跟上时代的步伐。

(3)对于一些建筑面积较大的用房，空调设施还较为老旧，达不到供暖的效果，还消耗了大量的电能，需要合理选用节能型的空调设备，降低能耗。

(4)考虑员工用电习惯和公司用电管理情况，可对用房进行节能设计并对其室内冷热舒适性展开研究。

2.2 节能型房屋保温性能研究

GFRP是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制作而成的一种功能型新型材料，耐腐蚀性能好、介电性能好、热性能良好、可设计性强、工艺性优良、用途广泛，良好的热性能可以用于保温材料的制作，解决现有房屋保温性能不佳的问题。

GFRP方管增强型夹芯保温板由上面板、方管、保温填充材料和下面板组成。除方管外均为GFRP材料构成，GFRP材料具有较好的承载能力，满足结构的需求，如图1所示。

图1 GFRP方管增强型夹芯保温板

对于高速公路服务区加油站用房来说，由于散热问题消耗了大量的电能，将GFRP方管增强型夹芯保温板运用到服务区加油站用房对节能具有重大的意义。

3 基于ZigBee的服务区加油站节能控制系统

近年来，物联网技术的飞速发展在智能家居领域发挥了极大的作用。服务区加油站属于特殊服务场所，人员流动大，耗电量高，实现服务区加油站的智能控制与智能家居有异曲同工之妙。针对服务区加油站人员杂、耗能多、节能空间大等特点，传统用电系统已经满足不了现代产业对节能的需求。本文采用ZigBee无线通信技术设计了一种服务区加油站节能控制系统，用LabVIEW作为上位机进行现场控制，Wifi连接至OneNET云平台实现远程控制，最终实现了节能。

该节能照明控制系统策略可分为3种工作模式：白天模式、夜间繁忙模式和夜间智能模式。通过光照传感器确定当前光照强度分辨白天和夜间，根据《中国石化加油站照明设计及灯具标准手册》可知加油站的平均照度国家标准值(见表1)，控制PWM的输出值。LabVIEW作为上位机通过RS232串口与ZigBee进行通信，并利用Wifi将数据远程传输到OneNET云平台。

表1 加油站照明国家标准

该节能照明控制系统主要由无线传感器网络、传感器节点、继电器节点、数据显示模块以及远程控制模块构成，如图2所示。

图2 系统的总体架构

该系统的传感器监测系统构成数据采集模块，主要采集光照数据以及有无人员情况；继电器控制系统构成数据控制模块，主要对灯光进行控制；数据显示模块则由现场显示控制的LabVIEW界面以及远程显示控制的OneNET云平台界面构成。

ZigBee协调器模块作为数据处理模块，通过无线通信与ZigBee终端进行连接。终端模块通过I/O口连接多个传感器构成传感器监测系统；连接多个继电器构成继电器控制系统。终端节点将自己的物理地址发给协调器节点，同时，数据处理模块即ZigBee协调器模块通过RS232串口连接由LabVIEW编程的人机交互界面上传终端节点数据和物理地址；通过Wifi模块连接OneNET云平台实现Web的远程访问。

3.1 系统硬件设计

该ZigBee无线传感网络核心芯片采用的是目前使用最广泛的CC2530芯片[6-7]，该芯片共含40个引脚，支持ZigBee底层协议，硬件模块传输距离可达1～100 m。

传感器监测系统采集人体的移动信号以及光照数据并发送给协调器。芯片P0.6管脚接人体红外传感器，芯片P0.5管脚接光照传感器，P0.7管脚接温湿度传感器，除此之外，传感器另两个管脚分别接3.3 V电压和地，原理图如图3所示。

图3 传感器接线原理图

继电器控制系统采用1路光耦隔离继电器，IN1管脚接芯片P0.4口，高电平时二极管截止，继电器断开；低电平时二极管导通，经集电极电压放大导通下个二极管，继电器吸合，由此控制照明灯的开关和模拟空调的控制。

传感器模块和继电器模块连接终端节点，协调器节点利用无线接收器与终端节点进行通信，并通过RS485串口模块与上位机进行数据监控，由此构成整个硬件系统，如图4所示。

图4 整体硬件结构

3.2 硬件通信协议

各无线通信模块通过通信协议实现数据的传递，串口通信协议为用户提供了控制各模块的途径，具体硬件通讯协议如下所述。

3.2.1 查询终端通信协议

上位机通过发送一个6字节的字符串给ZigBee模块查询终端传感器的数据，具体帧格式如表2所示。

表2 查询终端帧格式

其中规定帧头为3A，帧尾为23，地址在ZigBee软件编写程序IAR中设定为000x，若查询所有终端传感器数据则地址为00FF，校验码自动生成，用于检测该组数据的准确性，各功能码功能如表3所示。

ZigBee模块收到此字符串，会响应一个多字节字符串给上位机，将查询数据上传到上位机。具体帧格式如表4所示。

帧头帧尾如上所述，响应数据若查询的是终端灯的状态，则00代表灯灭，01代表灯亮，如空调；若查询光照传感器数据得到的是一个16进制数，转换后即可得到当前光照强度，如温湿度传感器。

3.2.2 控制终端通信协议

控制协议与查询协议类似，控制终端通信协议首先通过上位机向ZigBee模块发送一个多字节字符串，若控制所有终端，则地址为FFFF。具体帧格式如表5所示。

ZigBee模块收到后响应一个5字符串并执行相关操作，帧格式如表6所示。

表3 查询终端功能码

表4 查询响应帧格式

表5 控制终端帧格式

表6 控制终端响应帧格式

其中：功能码0A表示控制终端上灯的状态，01代表点亮，00代表熄灭；0B表示控制终端上空调的状态，01代表开启，00代表关闭。

3.3 程序设计

3.3.1 LabVIEW程序设计

首先对系统的登录界面程序进行设计，分为登录验证和登录两部分。

登录验证子VI的主要作用是验证用户名与密码是否正确，经过条件结构的判断，并用于下一步登录程序的编写。

登录界面中若用户名和密码验证成功，当登录值改变，通过应用程序目录创建主VI，通过VI引用函数和调用节点打开并运行主函数前面板，同时利用VI服务器和调用节点关闭本VI的前面板实现从登录子VI到主VI的转换。登录界面如图5所示。

图5 登录界面前面板和程序框

主程序通过设置一个状态机实现各模块的功能。状态机分为7个状态，分别是初始化、等待、发送数据、获取数据、处理数据、控制和退出。初始化主要将各项数据设置为初始状态，其中将串口波特率初始状态设置为38 400 bps。

等待模块对串口配置进行设置。若按下打开串口按钮，利用VISA配置串口节点对I/O口进行选择，设置初始波特率为38 400 bps，数据比特、奇偶性等设为默认值。若串口状态为开，则进入状态机下一状态，否则跳出消息框“打开失败，检查连接”。具体程序框如图6所示。

图6 串口程序框

LabVIEW发送数据模块通过VISA写入节点选择串口并写入该字符串，如图7所示。

LabVIEW数据处理节点对所接收到的数据进行解析，通过截取字符串和强制类型转换将多字符的16进制数转换为整数并分别定义为温度、湿度、光照强度和人体红外传感器检测的状态，如图8所示。

LabVIEW中通过条件结构和VISA写入，当打开灯或空调按钮时串口中写入相应的打开灯或空调的字符串，关闭同理可得，如图9所示。

退出模块将打开的串口利用VISA关闭节点进行关闭，并将整个程序退出循环。

图7 VISA写入介绍及发送数据程序框

图8 数据处理节点程序框

图9 控制节点程序框

基于以上程序框图的设计，可得图10所示的加油站节能控制系统上位机界面。在该界面进行串口、波特率的选择实现打开串口、采集温湿度和光照强度，控制灯、空调的开关以及退出程序等操作，实现了上位机的远程监控功能。

3.3.2 OneNET云平台程序设计

通过在OneNET云平台网站上添加设备，获得设备ID等信息，在ZigBee程序中添加相关的信息即可实现远程监测与控制。主要界面如图11所示。

图10 加油站节能系统前面板

图11 OneNET云平台界面

根据服务区加油站的节能要求，采用ZigBee技术设计了一个节能控制系统。该系统由无线传感器网络、传感器节点、继电器节点、模糊控制模块、数据显示模块以及远程控制模块构成，ZigBee协调器模块作为数据处理模块，通过无线通信与ZigBee终端进行连接。终端模块通过I/O口连接多个传感器构成传感器监测系统；连接多个继电器构成继电器控制系统。同时，数据处理模块即ZigBee协调器模块通过串口连接由LabVIEW编程的人机交互界面；通过Wifi模块连接OneNET云平台实现Web的远程访问而实现节能。

该系统的传感器监测系统构成数据采集模块，主要采集温湿度数据、光照数据以及有无人员情况；继电器控制系统构成数据控制模块，主要对灯光和空调进行控制；对于数据显示模块则由现场显示控制的LabVIEW界面以及远程显示控制的OneNET云平台界面构成。系统总体结构满足节能的要求。

4 结语

本次研究完成了对电气设备物联网控制系统的设计及实现，对于面向需求的电气设备物联网的节能应用研究做了一些工作。服务区加油站作为服务区配套工程，其电气设备的安全性更复杂，作为特殊用电设备这次研究未涉及。本系统只是利用电气设备物联网提出了一种节能控制方式，部分内容需要进一步开展后续研究。

(1)随着节能技术的发展，将会有更多先进节能技术应用于高速公路运营管理之中，因此应持续密切跟踪适用的节能技术发展状况。

(2)节能技术效果评价的研究中可增加经济效益和社会效益指标，利用节能量、成本控制和社会影响等多因素去评价节能项目的实施效果。

本次研究以高速公路服务区加油站为研究对象进行节能技术应用，最终研究目的是将相应的节能技术推广使用到高速公路服务区加油站上，对节能技术应用进行系统的分析与研究。