基于物聯(lián)網(wǎng)高校智慧教學(xué)樓節(jié)電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐　敏，夏啟壽

基于物聯(lián)網(wǎng)高校智慧教學(xué)樓節(jié)電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐敏1，夏啟壽2

（1.安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系，安徽合肥230031；2.池州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)院，安徽池州247000）

針對(duì)當(dāng)前電能浪費(fèi)比較嚴(yán)重現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的建筑節(jié)能用電管理方案，利用ZigBee技術(shù)與wifi技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用分層模型設(shè)計(jì)用電管理系統(tǒng)方案，進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)并對(duì)常用的時(shí)鐘同步算法進(jìn)行了研究比較，該方案為建筑用電管理提供了參考依據(jù)。

智能建筑；ZigBee；節(jié)能；低功耗

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.010

在2015年9月7日-10日，中國(guó)能源峰會(huì)在中國(guó)國(guó)際展覽中心（新館）舉辦了節(jié)能環(huán)保大會(huì)。展會(huì)主題為“節(jié)能”和“環(huán)?！保?jié)能與環(huán)保，貫穿于生產(chǎn)生活過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)能減排、低碳綠色發(fā)展，已成為維持國(guó)計(jì)民生的能源產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

目前，制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大瓶頸是：環(huán)境問題和能源問題，能源利用率如何有效提高從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排已提上日程。在所有的能源當(dāng)中，電能是最主要的能源之一，經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)及人民生活水平的不斷提高，使人們對(duì)電能的需求日益增加，而發(fā)電過程帶來的環(huán)境污染和用電過程中的電能浪費(fèi)問題越來越突出。電能消耗當(dāng)中建筑電能消耗占居較大的比例，尤其是電能浪費(fèi)問題較嚴(yán)重［1］，研究有效的建筑節(jié)能用電方案迫在眉睫。

1　智能建筑

中國(guó)目前依據(jù)的《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/ T50314-2006）是自2007年7月1日開始實(shí)施的，其中定義智能建筑（IB，intelligent building）為：“以建筑物為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)等，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境”［2］。

當(dāng)前研究智能建筑能耗管控尤為重要，智能建筑的能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及節(jié)能方案設(shè)計(jì)是以對(duì)智能建筑所處環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的，以便及時(shí)了解建筑內(nèi)的環(huán)境狀況及能源的消耗情況。將采集到的建筑內(nèi)房間的溫度、濕度及電量等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、及時(shí)上報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)［3］，為上層決策提供有效數(shù)據(jù)支持。

本文提出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分層式智能教學(xué)樓用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以及時(shí)有效的采集到教室中的溫度、濕度、光照等信息，為管理提供有效的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行合理的決策與判斷。

2　智能教學(xué)樓用電管理系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)

2.1智能教學(xué)樓基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)

本文是以某高校教學(xué)樓為例進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，教學(xué)樓是學(xué)院重要場(chǎng)所，教學(xué)樓的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)應(yīng)最大限度滿足授課、教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、多媒體教學(xué)等應(yīng)用系統(tǒng)的需求；同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)還要滿足教師教學(xué)活動(dòng)及研究時(shí)吸收最新知識(shí)、教師進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和創(chuàng)新活動(dòng)的需要；最后還要滿足教務(wù)管理以及開展多種業(yè)務(wù)活動(dòng)的需要。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要做到模塊化、簡(jiǎn)單化，這樣即可以節(jié)省資金投入，又方便網(wǎng)絡(luò)的管理與升級(jí)。

某高校校園網(wǎng)服務(wù)器架設(shè)在實(shí)訓(xùn)樓，樓與樓之間以千兆光纜連接。通過校園網(wǎng)域防火墻連接到Internet，具有安全保密、域名解析以及基本的Internet服務(wù)功能，如WWW、FTP、BBS等。總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為混合型，有兩個(gè)百兆的出口，核心層采用雙星型結(jié)構(gòu)，并采用VRRP技術(shù)大大的提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，匯聚層及接入層有星型也有樹型結(jié)構(gòu)，總體稱之為混合型，目前中型企業(yè)與大型企業(yè)大多采用混合型或半網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，全網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)只是理想化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不適合實(shí)際應(yīng)用。

某高校教學(xué)樓是帶天井的環(huán)形教學(xué)樓，該幢教學(xué)樓一共有五層，二層以上全為教室，教師辦公室都在一樓，一樓以上的信息點(diǎn)不多，所以從管理及布線成本考慮，選擇一樓中心位置，學(xué)生會(huì)辦公室部署兩個(gè)匯聚層交換機(jī)，再通過雙膠線連接到各個(gè)辦公室的接入層交換機(jī)。

新添加的用電管理系統(tǒng)控制中心也部署在一樓學(xué)生會(huì)辦公室，在不增加有線的方式下采用無線ZigBee與wifi技術(shù)對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行全覆蓋，對(duì)圖形、圖像、語音、視頻等數(shù)據(jù)傳輸效果較好，從而使教學(xué)、科研、管理等應(yīng)用系統(tǒng)能夠平滑高效地運(yùn)行在校園網(wǎng)上。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有高速、安全、可靠、開放及易于管理的特點(diǎn)。

2.2智能教學(xué)樓用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出一種以ZigBee技術(shù)與WiFi技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用分層模型節(jié)電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如下圖1所示：在上述原有網(wǎng)絡(luò)方案基礎(chǔ)上，不再增加有線方式，而是采用無線方式，無線傳感網(wǎng)絡(luò)克服了有線網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，其部署節(jié)點(diǎn)方便、無需布線、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡(jiǎn)單，大大降低解決方案的成本。每層樓無線傳感網(wǎng)采用簇型（樹型）結(jié)構(gòu)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將溫度、濕度，光照等傳感器收集到的數(shù)據(jù)直接或者通過跟器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絑igBee協(xié)議調(diào)模塊，為了防止樓層之間信號(hào)的相互干擾，為每層的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不同的信道。每層的匯聚點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）將數(shù)據(jù)通過無線WiFi傳輸?shù)椒?wù)器，手機(jī)也可以通過WiFi連接到服務(wù)器上，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

本系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)至關(guān)重要，其主要用于信息匯聚和傳輸，具備ZigBee和WiFi兩種通信標(biāo)準(zhǔn)接口，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能，在WiFi網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過無線AP將底層數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用于近距離無線連接，有自己的通信標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz頻段共有16個(gè)信道，通信速率為250kbps；在915MHz頻段共有10個(gè)信道，通信速率為40kbps；在868MHz頻段有1個(gè)信道，通信速率為20kbps?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)主要使用2.4GHz的工作頻段。ZigBee有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)［4］。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中有三種常用的設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立者與管理者；Zig-Bee路由器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于中繼設(shè)備，能夠?qū)⒔K端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，一個(gè)Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有若干個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集者，并通過路由節(jié)點(diǎn)將所采集到的數(shù)據(jù)傳送出去，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

圖1　智能教學(xué)樓節(jié)電管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3　基于ZigBee節(jié)電型智能教學(xué)樓用電管理系統(tǒng)的低功耗研究

對(duì)于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗和可靠性研究一般分為：ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件性能研究與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件性能研究?jī)蓚€(gè)方面。

3.1低功耗的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1.1硬件低功耗設(shè)計(jì)方法

（1）選擇低工作電壓的芯片［5］。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)功耗受芯片的工作電壓影響非常明顯，所以設(shè)計(jì)過程中，在保證設(shè)備能夠正常工作的前提下選擇工作電壓低的芯片會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的功耗降低。本設(shè)計(jì)方案中采用的是CC2530芯片，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案，除了能夠在很低功耗下進(jìn)行正常的工作，還可以工作在休眠模式下，輸出電壓為2V-3.6V。CC2530芯片低功耗工作模式如表1所示：

表1　CC2530芯片低功耗工作模式

（2）合理的印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)［6］。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的PCB中存在著大量的COMS芯片，尤其是IC芯片CC2530，當(dāng)芯片中的空余引腳處于懸空狀態(tài)時(shí)，在芯片工作過程通常出現(xiàn)管腳的瞬時(shí)短路現(xiàn)象，從而產(chǎn)生短路功耗，造成電能損耗。本系統(tǒng)采用的CC2530芯片進(jìn)行了合理的接地設(shè)置，有效的降低了PCB的功耗，并提高PCB的穩(wěn)定性。CC2530芯片引腳如下圖2所示，其中芯片的GND1、GND2、GND3、GND4引腳空閑，將這個(gè)4個(gè)引腳進(jìn)行接地設(shè)置。

3.1.2軟件低功耗設(shè)計(jì)方法

（1）在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中盡量減少通信模塊數(shù)據(jù)幀的大小，以期減少數(shù)據(jù)流量，降低通信模塊的能耗。例如：在采集數(shù)據(jù)終端設(shè)備上進(jìn)行初始化處理，盡量減少數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，只發(fā)送有效數(shù)據(jù)，以便減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量從降低能量消耗；增加數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間間隔，在滿足功能的基礎(chǔ)上減少發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率，也可以有效的降低能耗；另外對(duì)數(shù)據(jù)丟失和重傳機(jī)制進(jìn)行合理的設(shè)置，也可以有效的降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

（2）在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用增加模塊的休眠時(shí)間，現(xiàn)在休眠的研究主要是針對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，路由器節(jié)點(diǎn)的休眠很少涉及，現(xiàn)采用路由與終端節(jié)點(diǎn)同步休眠的策略，使路由器節(jié)點(diǎn)休眠節(jié)省的能耗大于喚醒路由器節(jié)點(diǎn)重建網(wǎng)絡(luò)的能耗，整體上達(dá)到減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

3.2混合型時(shí)鐘同步算法設(shè)計(jì)

ZigBee低功耗時(shí)鐘同步算法，當(dāng)前較為成熟的時(shí)鐘同步算法主要有三大類［7］：TPSN算法［8］，是屬于發(fā)送者與接收者成對(duì)出現(xiàn)的、全網(wǎng)的、雙向的同步機(jī)制的算法；RBS算法［9］，是基于接收者與接收者的時(shí)鐘同步算法；DMTS算法［10］，是基于發(fā)送者與接收者的單向時(shí)鐘同步算法。對(duì)三種常用的算法從不同方面進(jìn)行了比較如下表2所示。

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee與WiFi層次模型的節(jié)能型用電管理系統(tǒng)結(jié)合了TPSN與DMTS兩種算法的特點(diǎn)，將同步過程分為兩個(gè)階段。第一階段，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)之間的同步采用TPSN算法，作為網(wǎng)絡(luò)根結(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)器廣播同步數(shù)據(jù)包，其第一子層的路由器節(jié)點(diǎn)接收同步數(shù)據(jù)包并成功同步后，接著第一子層的路由器與其孩子路由器再次進(jìn)行同步，直到最末層的路由器與其父輩路由器節(jié)點(diǎn)成功同步，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的第一階段時(shí)鐘同步成功，在第一階段可以采用多次同步的方法來提高同步的準(zhǔn)確性；第二階段，路由器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間的同步采用DMTS算法，當(dāng)?shù)谝浑A段同步成功后，路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，終端節(jié)點(diǎn)收到相應(yīng)的信息后，通過修改本地的時(shí)間達(dá)到時(shí)鐘同步，至此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步成功。

表2　TPSN算法、RBS算法、DMTS算法比較

4　結(jié)束語

本文提出的這種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分層式智能教學(xué)樓用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以及時(shí)有效的采集到教室中的溫度、濕度、光照等信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器及手機(jī)終端設(shè)備，及時(shí)有效的為管理者數(shù)據(jù)信息，以便決策者進(jìn)行合理的決策與判斷。該方案為智能建筑節(jié)能管理提供了有效的參考，具有較強(qiáng)的社會(huì)意義及價(jià)值。

［1］趙乾.基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑智能用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2014.

［2］GB/T50314-2006，智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］李中民.我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及策略［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2011（3）：13-15.

［4］唐敏.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2015，11（14）：42-44.

［5］Han J，Choi C-S，Lee I.More efficient home energy management system based on ZigBee communication and infrared remote controls［J］.IEEE Trans Consum Electron，2011，57（1）：85-89.

［6］代成斌.低功耗高可靠ZigBee組網(wǎng)研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

［7］趙楚.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.沈陽：沈陽師范大學(xué)，2012.

［8］徐世武，王平等.基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的按需時(shí)間同步算法［J］.信息與電子工程，2011，9（5）：541-545.

［9］謝琦，劉蘭濤，弋俊超.用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的同步休眠與喚醒算法［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，6（S1）：12-14.

［10］周書民，周建勇，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步的研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2006（9）：24-26.

［責(zé)任編輯：桂傳友］

TP399

A

1674-1102（2015）06-0030-03

2015-10-19

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2015A290）；池州學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2013ZRZ008）。

唐敏（1976-），女，安徽巢湖人，安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)系講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；夏啟壽（1975-），男，安徽廬江人，池州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向?yàn)樾畔踩?，?shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)教育。