基于WSN的建筑電氣設備能耗遠程監控系統

王 飛，張騰飛，李欽曉

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

基于WSN的建筑電氣設備能耗遠程監控系統

王 飛，張騰飛，李欽曉

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

針對目前大多數大型公共建筑電能浪費比較嚴重而又缺乏有效監控的情況，結合無線傳感網技術，文中設計了一種基于無線傳感網的建筑電氣設備能耗遠程監控系統實現方案，構建了集信息采集、遠程傳輸、分析計算、反饋控制于一體的智能化建筑能效管理系統(Building Energy Management System，BEMS)。該系統主要由無線監控節點、內部網關、服務器和遠程用戶端四個部分組成，由各個無線監控節點實時監測建筑內電氣設備的能耗信息及相關環境參數信息，獲取的數據經由相近的內部網關通過無線GPRS協議或有線以太網TCP/IP協議傳送到遠程服務器；服務器對數據處理后將其存儲在數據庫中并以不同的方式呈現；遠程用戶通過移動終端或Web登陸服務器獲取建筑內用電設備和環境參數的實時信息，并可實現對用電設備的遠程控制。

建筑能耗；無線傳感網；GPRS；遠程監控；網關

1 概 述

隨著我國城市化進程的加快，建筑物的體量越來越大，預計到2020年，我國城鄉既有建筑面積將從現在的420億 m2增加到690億 m2，建筑面積的增加導致對能源的需求也越來越大。目前，建筑使用的能耗約占全國總能耗的1/3，與工業和交通并列為三大耗能大戶，是我國能源消耗的重要組成部分[1-2]。與此同時，已建和在建的大部分建筑卻沒有有效的能耗監管措施，造成了巨大的能源浪費。因此，降低建筑能耗作為降低整個社會的總能耗的重要途徑越來越受到關注。

國外發達國家關于建筑能耗的研究始于20世紀70年代初的第一次國際能源危機[3]。其主要目的是通過鼓勵開發相關的節能產品，強化用戶的節能意識，積極研究更適應當今社會發展要求的資源配置方法和管理模式，以減少經濟發展對能源需求的依賴程度。目前已形成了一套較為完善的從政策到技術產品的建筑節能體系。我國的建筑節能研究起步相對較晚，開始于20世紀90年代初，經過三十多年的發展，雖然取得了長足進步，但是由于經濟、技術等因素導致在能源利用方面主要還處于高能耗、低效率、非智能化的粗放模式，與發達國家相比還有一定的差距[4-5]。

近年來，無線傳感器網絡[6](Wireless Sensor Network，WSN)和計算機網絡技術的迅速發展，使得通過技術手段對建筑能耗實現精細化的監控成為可能。通過在建筑內部布置能耗和環境監測的傳感器組成無線傳感網，實時監測建筑內部的用電設備的能耗和環境參數信息，并通過信息處理中心對所獲取的數據進行分析，優化用電設備的運行狀態，對降低建筑能耗、減少能源浪費具有重要的現實意義。

文中提出一種基于無線傳感網的建筑電氣設備能耗遠程監控系統實現方案。該方案采用基于ZigBee技術的CC2530無線傳輸IC作為監控節點組成無線傳感網，實時監測建筑內主要用電設備的能耗和相關環境參數信息，并通過內部網關傳輸到遠程服務器；服務器根據用戶設定程序與算法對主要用電設備能耗信息進行存儲和處理；遠程用戶通過移動終端或Web瀏覽器登陸服務器獲取相關實時及歷史信息，并可根據實時的需求發送控制命令，調整用電設備的運行狀態，實現對建筑內用電設備的有效遠程監控。

2 系統總體架構與硬件實現

系統主要由無線監控節點、內部網關、服務器和遠程用戶端構成，其總體架構如圖1所示。

圖1 系統總體架構

建筑內部的監控節點和內部網關之間采用ZigBee通信技術組成無線傳感網絡，內部網關通過無線GPRS和有線以太網TCP/IP協議兩種方式連接到遠程服務器。無線傳感網各監控節點獲取用電設備能耗和室內環境參數信息匯聚到內部網關并通過網關傳輸到遠程服務器，服務器端采用B/S(Browser/Server，瀏覽器/服務器)的架構設計[7]，遠程用戶端可以通過帶有Web瀏覽器的設備登陸服務器獲取建筑內用電設備和環境參數信息，并根據實際情況對用電設備進行控制。

移動終端用戶還可以通過定制的APP軟件連接到服務器，服務器可根據用戶需要定時將用電設備能耗和室內環境信息推送到用戶端，方便遠程用戶隨時隨地獲取數據和控制用電設備，提高了遠程用戶和用電設備的互動效果。

2.1 無線監控節點硬件設計

無線監控節點是整個系統的感知和執行機構，主要負責采集用電設備能耗信息和室內環境參數，并通過無線傳感網傳輸到內部網關，同時響應遠程用戶端下達的指令驅動執行機構控制用電設備。

用電設備能耗信息檢測采用高精度三相電能專用計量芯片ATT7022B，該芯片集成了六路二階sigma-delta ADC、參考電壓電路以及功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量的數字信號處理等電路，能夠測量交流電的各相有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還可以測量各相電流、電壓有效值等參數[8]。交流電通過電流互感器和電壓互感器變成小信號后再經電阻網絡轉換成差分信號輸入到ATT7022B的ADC通道，ATT7022B內部的DSP(數字信號處理)單元根據AD轉換通道的輸出值計算出所測設備的電壓、電流、功率和能耗等數據存入相應的寄存器，監控節點的主控制器STM32通過SPI通信總線定時讀取寄存器獲取用電設備的能耗信息。無線監控節點的硬件結構和能耗信息監測電路如圖2所示。

圖2 監測節點結構和能耗信息檢測電路

環境參數主要采集溫度、濕度、光照和室內是否有人等信息，其中溫度傳感器采用MAX31723數字溫度傳感器，測量范圍-55～+125 ℃，精度可以達到0.5 ℃，通信接口為3線的SPI總線，使用起來較為方便。濕度傳感器采用具有超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點的DHT11數字濕度傳感器。

無線傳感網組網采用TI推出的符合IEEE 802.15.4協議的2.4 GHz低功耗ZigBee芯片CC2530[9]；主控芯片選用低成本Cortex-M3內核的STM32系列微處理器，通過SPI總線接口從ATT7022B讀取能耗信息，通過UART總線與CC2530連接向內部網關發送數據并接收控制命令，通過控制執行機構，如繼電器，來調整用電設備的運行狀態。

2.2 內部網關設計

內部網關主要負責無線監控節點和遠程服務器之間數據傳輸的協議轉換。一方面使用CC2530作為協調器與監控節點組成無線傳感網絡，另一方面通過無線GPRS和有線以太網TCP/IP兩種協議連接到遠程服務器，構成建筑內部監控節點和遠程服務器之間信息傳輸的渠道，硬件結構示意圖如圖3所示。

圖3 內部網關硬件結構示意圖

GPRS通信采用SIMCom的雙頻GSM/GPRS模塊SIM900A，SIM900A采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，最大傳輸速度可達85.6 kbps(下行速率)；其通過UART總線與微控制器通信[10]。上電后SIM900A處于關機狀態，需通過PWRKEY引腳對其進行開關機控制，關機狀態下將PWRKEY拉低1 S，即可開啟模塊，開機狀態下PWRKEY拉低1 S，即可關閉模塊。該設計中可通過按鍵和STM32的GPIO軟件控制兩種方式開關SIM900A模塊，模塊啟動后LED1持續閃爍表示設備已經接入GPRS網絡。

以太網控制器采用Microchip的ENC28J60，該芯片采用3.3 V供電，板上通過SPI總線與網關主控芯片STM32連接，支持全雙工和半雙工模式，最高速度可達10 Mb/s，能夠滿足大量數據傳輸的需求。

內部網關采用無線GPRS和有線以太網TCP/IP協議兩種方式連接到遠程服務器，當數據量較小或者布線不便時可通過GPRS方式連接服務器；相反，當數據量較大或者布線比較容易時可通過TCP/IP方式連接服務器。用戶在安裝內部網關時，可以根據應用場景選擇不同的接入方式，具有較強的靈活性，同時也保證了數據傳輸的可靠性。

3 系統軟件功能實現

3.1 無線監控節點的組網

系統的監控節點使用星形拓撲結構進行組網[11]，采用基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網ZigBee協議，區域內設置多個監控節點和協調器組成無線傳感網絡，在IAR Embedded Workbench編譯器中基于TI的Z-stack協議棧進行開發[12]。在星形拓撲結構中，ZigBee協調器是建立、管理和維護無線傳感網絡的中心，其他監控節點需要加入協調器建立的網絡后才能與其通信[13-14]。

協議棧中把系統的每一個功能都定義成任務，在osal_Init_Tasks()函數完成任務初始化以后，調用系統輪詢函數osal_start_system()，循環掃描是否有任務被觸發。當有任務被觸發則轉到相應的任務處理函數，若沒有事件發生，系統就進入睡眠模式，等待事件發生。具體流程如圖4所示。

監控節點既負責信息采集又負責控制執行機構，與協調器組成無線傳感網后，一方面將采集到的用電設備能耗和室內環境信息通過無線傳感網發送給協調器，另一方面接收來自協調器的控制指令，解析后通過執行機構控制用電設備的運行狀態，其工作流程與協調器類似。

3.2 內部網關軟件設計

內部網關的主要功能是連接無線監控節點和遠程服務器，實現二者之間的數據傳輸協議轉換。內部網關可以通過兩種方式連接到遠程服務器，主控模塊會根據系統設定判斷使用GPRS還是TCP/IP方式與遠程服務器通信。連接成功后，內部網關將接收到的來自監控節點的數據打包后發送給遠程服務器；當遠程服務器有控制命令下發時，內部網關接收并解析后，再通過無線傳感網的協調器發送給相應的監控節點，其主控程序工作流程如圖5所示。

圖4 協調器軟件流程圖

圖5 內部網關流程圖

3.3 服務器和遠程用戶端的設計

服務器端采用分布式的B/S結構進行設計。內部網關與服務器建立連接后向服務器發送來自監控節點的實時監測信息，服務器端通過Netty框架監聽內部網關的連接端口獲取數據后存入數據庫。數據經過處理后以用戶數據報表和歷史曲線等形式在瀏覽器中顯示或通過Jpush信息推送技術發送給移動終端，以相對友好的形式向用戶展現建筑內用電設備和環境參數在當前或某一段時期的狀態。此外，遠程用戶可以根據獲取到的數據信息做出合理決策發送控制命令到服務器，服務器接收控制命令處理后通過內部網關連接端口發送給內部網關，最終將控制命令傳送到監控節點的執行機構。

服務器的數據庫部分基于Oracle公司的MySQL關系型數據庫管理系統實現，主要通過建表記錄注冊的設備、控制命令、家電狀態、用戶權限等信息，其主要采用SQL非過程化編程語言，而服務器的開發采用面向對象的Java語言開發，二者之間采用MyBatis進行轉換。

圖6 JSP模式2

面向用戶Web頁面則采用與數據庫進行交互的動態Web編程，文中采用如圖6所示的JSP(Java Server Pages) Model 2[15]。Model 2主要使用三種技術：JSP、Servlet和JavaBeans。JSP負責生成動態網頁，只用作顯示頁面；Servlet負責流程控制，用來處理各種請求的分派；JavaBeans負責業務邏輯、對數據庫的操作。

用戶通過瀏覽器向Web應用中的Servlet發送請求，Servlet接收到請求后創建并實例化Javabeans對象。其實例化方法是通過Javabeans對象返回從數據庫中讀取的數據，然后Servlet選擇合適JSP，并且把從數據庫中讀取的數據通過這個JSP進行顯示，最后JSP頁面把最終的結果返回給瀏覽器，用戶刷新Web頁面即可獲得相關信息。

4 結束語

文中提出了一種新的建筑電氣設備能耗遠程監控系統實現方案。該方案采用無線傳感網技術以及GPRS、TCP/IP傳輸協議實現了從建筑內無線監控節點經過內部網關、遠程服務器到遠程用戶端的數據及控制命令雙向交互，為用戶實時獲取建筑內電氣設備的能耗信息并根據用戶的決策需求遠程實時調整用電設備的運行狀態提供了一種便捷的途徑。如何對獲取的建筑電氣設備的能耗信息進行進一步處理以實現建筑的自動能效管理將是下一步的研究工作。

[1] 翁麗芬,張 楠,陳俊萍.我國建筑能耗現狀下的建筑節能標準解析及節能潛力[J].制冷與空調,2011,25(1):10-14.

[2] 周 銘,劉 巖.能效管理系統在某辦公建筑中的應用[J].智能建筑與城市信息,2013(3):14-16.

[3] Kuchen E,Fisch M N.Spot monitoring:thermal comfort evaluation in 25 office buildings in winter[J].Building and Environment,2009,44(4):839-847.

[4] 鐘伯成.建筑能耗智能監控與管理系統研究[J].上海工程技術大學學報,2012,26(3):200-204.

[5] 閆華光,陳宋宋,鐘 鳴,等.電力需求側能效管理與響應系統的研究與設計[J].電網技術,2015,39(1):42-47.

[6] 司亞超,呂 國,于江利.基于無線傳感網電能質量監控系統的研究設計[J].電源技術,2014,38(2):373-374.

[7] Peng Jia,Wang Meiling.Wire remote monitor and control system based on Zigbee and web[C]//Proc of Chinese control and decision conference.[s.l.]:[s.n.],2013:3361-3366.

[8] 江 兵,陳麗娟,封 馳,等.企業用戶電能信息采集系統的設計與實現[J].南京郵電大學學報：自然科學版,2012,32(1):89-93.

[9] CC2530 a true system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications[EB/OL].2011.http://www.ti.com.cn/.

[10] SIM900A_Specifiction_V1102[S/OL].2013.http://wm.sim.com/.

[11] Zhang Hong.The design of wireless sensor network system based on ZigBee technology[J].Applied Mechanics and Materials,2014,686(7):53-55.

[12] August B,Carles G,Ilker D,et al.A holistic approach to ZigBee performance enhancement for home automation networks[J].Sensors,2014,14(8):14932-14970.

[13] 劉新宇,李 兵,黃 珊,等.一種ZigBee無線傳感器網絡拓撲發現算法[J].計算機工程,2012,38(4):97-99.

[14] 龐 泳,李光明.基于ZigBee的智能家居系統改進研究[J].計算機工程與設計,2014,35(5):1547-1550.

[15] Kurniawan B.Serlet和JSP學習指南[M].崔 毅,俞哲皆,俞黎敏,譯.北京:機械工業出版社,2013.

Remote Monitoring System for Energy Consumption of Building Electrical Equipment Based on WSN

WANG Fei，ZHANG Teng-fei，LI Qin-xiao

(College of Automation，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China)

Considering that the energy waste for most of the large public buildings is serious instead,there is still lack of any effective monitoring methods to handle with that.To cope with this problem,an effective electrical equipment remote monitoring system based on wireless sensor network for building energy consumption is developed.And this system integrates different kinds of function including information collection,remote transmission,computing analysis,and feedback control.The system is mainly composed of wireless monitoring nodes,internal gateways,servers and remote clients.The buildings energy consumption information and relevant environment parameters are collected in real time by wireless monitoring node,and then transmitted to a remote server via the nearest gateway according to GPRS or TCP/IP protocols.The data is stored in the database and presented in different ways after the data processed by server.User can remotely get the real-time information of building through mobile terminals or Web services,and also realize remote control of electrical equipment.

building energy consumption;wireless sensor networks;GPRS;remote monitoring;gateway

2015-06-08

2015-09-14

時間：2016-05-05

國家自然科學基金資助項目(61105082)；江蘇省“青藍工程”基金(QL2016);江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(SJLX_0380);南京郵電大學“1311人才計劃”基金(NY2013)

王 飛(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為建筑能效管理；張騰飛，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為智能信息處理、智能控制等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0815.032.html

TP302.1

A

1673-629X(2016)05-0115-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.05.024