低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)在智能樓宇能耗管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉風(fēng) 孫中諾

摘要：智能化建筑物的高能耗問題日益突出，造成大量的資源浪費。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用靈活性差，能源管理系統(tǒng)成本較高;為克服這些不足，將低能耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入智能建筑能源管理系統(tǒng)。研究低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)用，包括 GPRS電源模塊、供電模塊、電能采集模塊、水采集模塊、能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)模塊;軟件低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括能量采集節(jié)點接入、數(shù)據(jù)傳輸過程和網(wǎng)關(guān)程序。節(jié)能管理方面，采用碰撞檢測載體感知方式完成數(shù)據(jù)上傳，滿足智能建筑能耗管理要求;

關(guān)鍵詞：低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng);智能樓宇;能耗管理;軟硬件應(yīng)用

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0242-02

建筑是人們基本的生活場所。由于人口向城市遷移，房屋不斷增加。建筑物使用能耗占全國能源消費的比重越來越大，能源消耗大幅度增加。住宅能耗不斷上升，住宅能耗占能耗總量的34%……從國內(nèi)能耗統(tǒng)計項目來看，建筑能耗與交通運輸、工業(yè)能耗處于同一水平[1]。從全球來看，建筑能耗占全球總能耗的41%。當(dāng)前我國能源利用存在著巨大的浪費和低效現(xiàn)象。

當(dāng)前，建筑能耗監(jiān)測技術(shù)相對落后，與建筑節(jié)能有關(guān)的規(guī)劃、政策不完善，對建筑能耗的具體情況認(rèn)識不足。建筑物節(jié)能工作任重而道遠(yuǎn)，如何運用現(xiàn)代技術(shù)積極解決這一問題已是當(dāng)務(wù)之急。智能化建筑物的能源消耗是維持人們生活和技術(shù)進(jìn)步的基本條件。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，隨著能源需求的增加，人類生存和發(fā)展面臨的首要問題即將變?yōu)槟茉炊倘?[2]。為此，提出在智能建筑能源管理系統(tǒng)中應(yīng)用廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng) WIFI。廣域小功率物聯(lián)網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景，可以有效推動我國建筑節(jié)能減排工作。智能化設(shè)備已逐步滲透到生活的各個方面。由臺式機、筆記本電腦到手機、手表、智能設(shè)備，首要的任務(wù)就是建立通信連接，使數(shù)據(jù)能順利傳送，成為有效的信息流。

1硬件結(jié)構(gòu)低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

廣域智能化設(shè)備已逐步滲透到生活的各個方面。從臺式機、筆記本電腦，到低功、高效智能設(shè)備的任務(wù)就是通信網(wǎng)絡(luò)連接，使數(shù)據(jù)能順利交換。智能樓宇能源管理系統(tǒng)，采用無線傳輸，無需布線，終端、繼電器全部由電池供電，節(jié)省維修費用，降低功耗，大大延長使用壽命[3]。該系統(tǒng)采用移動電話組網(wǎng)的方式，在基站中設(shè)置多個能耗采集終端進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[4]。通過自組織方式，小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)可以靈活組網(wǎng)，并且其有著距離遠(yuǎn)、很低的功耗、極強的穿透力強等優(yōu)點。這個網(wǎng)絡(luò)非常適合智能建筑中的能源管理系統(tǒng)。

1.1 GPRS功耗模塊

本發(fā)明的終端裝置由于外殼結(jié)構(gòu)的遮擋，使終端信號大大降低。在小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)中，集電箱需要集中并上傳數(shù)據(jù)，而集電箱（基站）的功能連接對 GPRS模塊的功率要求較高，因此難以找到適合的大容量集電箱供建筑物供電[5-6]。6123采用了一種低功耗 GPRS模塊，特別適用于太陽能監(jiān)測應(yīng)用。

小功率廣域物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有可擴展性好，覆蓋范圍廣等優(yōu)點，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠滿足終端和繼電器在低功耗情況下的功耗要求。所以data-6123低功耗 GPRS模塊是對雙通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M(jìn)一步擴展，極大地提高了基站的覆蓋范圍，并且當(dāng)數(shù)據(jù)正常時，用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的成本也是比較低的，而且在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面也比較容易實現(xiàn)。

唯一的設(shè)備 ID和位置信息與服務(wù)器相連，設(shè)備會定期報告維護(hù)情況，例如電池功率和設(shè)備狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)上通過多條集中設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過 GPRS模塊上傳到服務(wù)器端。管理員可以利用后臺管理系統(tǒng)將其連接到云服務(wù)器上，以實現(xiàn)各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實時跟蹤和維護(hù)。因而無需人員進(jìn)行設(shè)備狀況的現(xiàn)場檢查，在很大程度上降低了維修的費用。運營商提供了GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，它的通信費用一般需要由信息量或者 SMS來進(jìn)行收取。

1.2電源模塊

電源模塊為節(jié)點提供電源，節(jié)點是由大容量電池進(jìn)行供電的，功率模組提供節(jié)點工作的能量。使用ER26500電池繼電保護(hù)及端子壽命可達(dá)一年以上，無需更換電池，無需維護(hù)。在該電源的支持下，將干電池化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其兩極分別帶有正負(fù)電荷，由正負(fù)電荷產(chǎn)生電壓，而電流是在電壓作用下定向移動的。當(dāng)電荷散盡時，荷盡壓消了。

1.3電量采集模塊

選擇柳川485智能電表，實現(xiàn)對智能建筑用電數(shù)據(jù)的采集。通過儀器把采集模塊連接到采集節(jié)點，實現(xiàn)抄表、預(yù)付費及抄表的通關(guān)控制。能量采集電路能夠準(zhǔn)確地采集到終端消耗的能量，使用485- ttl模塊，4 G無線遙控單相三相預(yù)付費電表遙控手機，整體安裝成本低，適合電表集中安裝，安裝位置不受信號影響。采集器采用4 G物聯(lián)網(wǎng)卡，電表的通信不依賴 GPRS，智能電表是通過采集節(jié)點的UART3接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的，波特率達(dá)到2400 B/S。

1.4水量采集模塊

采用泰安485智能水表，實現(xiàn)了建筑用水與能耗的智能化數(shù)據(jù)采集，可以在采集節(jié)點的位置安裝連接水表， 進(jìn)而實現(xiàn)表數(shù)的抄錄、預(yù)先支付水費以及對水表的開關(guān)進(jìn)行控制。通過設(shè)計水量采集電路，實現(xiàn)了準(zhǔn)確采集終端耗電數(shù)據(jù)的目的。智能水表485的數(shù)據(jù)交換，是通過485轉(zhuǎn) TTL模塊和UART3接口來實現(xiàn)的，UART3接口是進(jìn)行能量采集的節(jié)點。

1.5能耗數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)模塊

整個能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換都是以網(wǎng)關(guān)為中心的，網(wǎng)關(guān)通過 GPRS模塊接收傳感器節(jié)點采集的能耗數(shù)據(jù)并上傳到服務(wù)器。因使用ER26500工業(yè)電池不能滿足長期穩(wěn)定網(wǎng)關(guān)的要求，需進(jìn)行長期穩(wěn)定工作。Gateway使用標(biāo)準(zhǔn)DC12V電源。另外，無線通信模塊和網(wǎng)關(guān)處理器采用串行通信方式。

2軟件部分低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

2.1能耗采集節(jié)點接入和數(shù)據(jù)發(fā)送流程

載波感知多訪問協(xié)議采用一種沖突檢測方法來檢測沖突，該方法的基本檢測原理為不同的通信站在發(fā)送消息前都需要對信道內(nèi)的信息進(jìn)行監(jiān)聽，一旦信道之間出現(xiàn)沖突，就不進(jìn)行消息的發(fā)送，同時要發(fā)出強沖突信號，以對在該信道發(fā)出的沖突做出及時的通知。在檢測到信道內(nèi)有信號傳輸時，它便主動返回原來的位置并且等待其他信號完成傳輸;如果信道出現(xiàn)空閑時，它便會立即發(fā)送數(shù)據(jù)。這種機制可以在一定條件下保證信號的可靠傳輸。

（1）能耗采集節(jié)點接入流程

能源采集節(jié)點最終的接入過程還是要參照IEEE802.11的協(xié)議來實現(xiàn)，在終端接通電源后，它首先將數(shù)據(jù)通信請求發(fā)送到周圍的接入點?？沼鄷r間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，周邊接入點將從能量采集節(jié)點接收查詢指令，否則將立即回復(fù)并明確發(fā)送。終端會自動選擇有較強信號的應(yīng)答接入點，同時對接入點上的MAC 地址進(jìn)行保存，并作為上位節(jié)點，使節(jié)點能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖1展示了能量收集節(jié)點訪問流程。

（2）能耗采集節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，能量采集節(jié)點實現(xiàn)沖突檢測是通過載波進(jìn)行對多路接入?yún)f(xié)議的監(jiān)測實現(xiàn)的，在數(shù)據(jù)發(fā)送之前，能量采集節(jié)點不做出有關(guān)信道的任何判斷，反而是進(jìn)行同信道之間的直接競爭，對接入點完成數(shù)據(jù)包的直接發(fā)送，等待接入點的確認(rèn)響應(yīng)。如果訪問點沒有響應(yīng)時，那么不同的終端可能會在同一時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，進(jìn)而導(dǎo)致信道之間的沖突。這時能量采集節(jié)點隨機地用 K乘以通信時間單位，這取決于CC1125采集節(jié)點終端的符號率和能量消耗能力，通信總長度和 K值的范圍。若資料在重新傳送后沒有再從存取點收到回應(yīng)，則會再傳回，直到判斷存取點無效，再重新選取存取點。

2.2網(wǎng)關(guān)程序

假設(shè)能源管理系統(tǒng)內(nèi)的所有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)資源都僅僅在感知層之間進(jìn)行傳輸，那么它將難以發(fā)揮出其本身最大的作用和最大的價值。在設(shè)計能源管理系統(tǒng)時，將在因特網(wǎng)上進(jìn)行最終的能源消耗數(shù)據(jù)，并通過手機網(wǎng)絡(luò)或?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)與人們進(jìn)行交互，從而使其價值可以達(dá)到最大化。物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)連接的橋梁是能源管理系統(tǒng)的入口處，而管理以及控制各個物聯(lián)網(wǎng)之間的節(jié)點的則是能源管理系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和傳感終端。關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換通過 TCP/IP協(xié)議完成的，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。上述網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)以下幾個工作：協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)的管理以及其維護(hù)，數(shù)據(jù)的采集以及其轉(zhuǎn)發(fā)功能，有時也要完成網(wǎng)絡(luò)訪問認(rèn)證管理模塊的增加。

能耗管理系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)軟件流程：接通網(wǎng)關(guān)點之間電源，啟動因特網(wǎng)并將模塊接入，接著注冊服務(wù)器，該步驟需要UDP接口完成，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)時間，對整個網(wǎng)關(guān)模塊完成更新工作，網(wǎng)關(guān)的通信地址是通過獲取該網(wǎng)關(guān)的MAC 地址實現(xiàn)的，但該獲取也是要借助 WAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊;網(wǎng)關(guān)模塊和協(xié)調(diào)模塊都是在一個相同的設(shè)備上，因此使用該 MAC地址。然后等待接收來自WAN的數(shù)據(jù)，通過WAN協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊對WAN協(xié)議進(jìn)行分析和重新的打包，并完成緩存區(qū)分析數(shù)據(jù)的保存。由于不需要等待其他任務(wù)，核心處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝和上傳是通過調(diào)用Internet訪問模塊來完成的。同時，如果有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)中時，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點加入時，Core處理調(diào)用NetworkManagement模塊對該節(jié)點進(jìn)行訪問和管理，同時對該節(jié)點進(jìn)行定期回收和維護(hù)。

2.3服務(wù)器設(shè)計

網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器是通過UDP 實現(xiàn)的通信，UDP是一種沒有連接的傳輸協(xié)議，它與TCP 不一樣，它是不可靠的，在進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送的時候，會對不同的數(shù)據(jù)包按照類型進(jìn)行分組、排序和組裝工作，但是這樣的排序方式不會對物聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸造成任何的影響。具有較低功能損耗的廣域物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑能量管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)都是大小不一的，數(shù)據(jù)包中分布幾個字節(jié)，但是由于通過 UDP所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的頻率較低，對于TCP 這樣的既復(fù)雜又具有可靠性的協(xié)議而言是不適合的，在此情況下 UDP則可以發(fā)揮它自身的優(yōu)勢。

在用socket調(diào)用 UDP接口創(chuàng)建了服務(wù)器監(jiān)控過程之后，建立了服務(wù)器的基本模型。這時，根據(jù)應(yīng)用程序的需求，需要為不同客戶傳輸數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的線程。此時，服務(wù)器的前端程序還需要使用線程池來實現(xiàn)線程的應(yīng)用和處理工作。在LinuxSystem中進(jìn)行服務(wù)器程序的運行，LinuxSystem是一個具有繁多任務(wù)和多個線程的操作系統(tǒng)。作業(yè)系統(tǒng)會根據(jù)所需進(jìn)行接收和處理客戶機之間的連接，但這項工作還是要通過對進(jìn)程與線程機制的合理使用來實現(xiàn)使服務(wù)器的穩(wěn)定性和可用性得到有效提高，利用線程池來對可用線程與系統(tǒng)資源進(jìn)行統(tǒng)一分配和管理。當(dāng)服務(wù)器程序有需要的時候，即客戶機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，服務(wù)器程序則會對存在于線程池里面的線程做出請求，進(jìn)而對數(shù)據(jù)做出一定的處理，包括數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫操作。

3結(jié)束語

在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)能量采集節(jié)點和能量采集網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計。通過對低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和網(wǎng)關(guān)程序的編寫，能源采集節(jié)點通過低能廣域物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能采集。Gateway對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和封裝，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，從而允許能源管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問。本設(shè)計的消費管理系統(tǒng)由于經(jīng)費不足，尚不完善，有待進(jìn)一步完善。關(guān)于提出的能源管理系統(tǒng)開發(fā)過程中遇到的問題，接下來的工作則是對系統(tǒng)的功能做出更進(jìn)一步的完善，比如開發(fā)可配置各終端為無線接入網(wǎng)絡(luò)的 PC軟件或手持終端。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】