基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園節(jié)能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

昝永信　王明珠　陳偉利

摘要：文章設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園節(jié)能控制系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案。系統(tǒng)利用zigBee技術(shù)、TCP/IP技術(shù)、計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)了對校園能耗實行分項計量，建立了能耗監(jiān)測平臺，確定了分項計量能耗拆分模型。系統(tǒng)有效解決了當前校園能耗管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失、計量混亂等問題，具有實時性好、功率低、可靠性高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù)；TCP/IP技術(shù)；節(jié)能控制

建設(shè)節(jié)約型校園是當今社會為校園提出的時代要求，校園節(jié)能已經(jīng)納入目前許多校園的重點實施計劃之一。準確、有效地尋找校園節(jié)能潛力和節(jié)能途徑是校園節(jié)能工作有序開展的前提。校園能耗由于缺少有效的管理機制，存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失、計量混亂等實際問題。本文根據(jù)國家建筑節(jié)能相關(guān)的技術(shù)導(dǎo)則和條文規(guī)范，建立了能耗監(jiān)測平臺，確定了分項計量能耗拆分模型。通過對能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)的處理分析，找出該校園的節(jié)能潛力，并提出了對應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化建議，為將來的校園節(jié)能工作的進一步開展提供了依據(jù)。同時，通過對校園用能指標的研究，確定了初步的節(jié)能判斷依據(jù)，對將來校園新建建筑的節(jié)能工作具有借鑒意義。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計主要考慮系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和安全性等問題。系統(tǒng)由電表節(jié)點、水表節(jié)點、氣表節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、能耗監(jiān)管平臺和各模塊之間的通信網(wǎng)絡(luò)（ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)）組成。系統(tǒng)的工作原理如下：系統(tǒng)開啟后，各測量節(jié)點開始測量當前的數(shù)據(jù)信息，主要包括電表、水表和氣表。等待接收來自能耗監(jiān)管平臺的命令，當判斷到能耗監(jiān)管平臺向自己發(fā)送查詢命令時，將采集到的數(shù)據(jù)信息按照規(guī)定的通訊協(xié)議反饋給能耗監(jiān)管平臺。

對于一棟大樓，一個zigBee網(wǎng)絡(luò)的承載力顯然是不夠的，還考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)在穿越樓層時的穩(wěn)定性問題，擬采用一個樓層一個zigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，并通過WIFI接入到校園網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)接收來自能耗監(jiān)管平臺的命令，并下發(fā)給各獨立節(jié)點，收到各獨立節(jié)點的反饋信息后通過校園網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給能耗監(jiān)管平臺的服務(wù)器上。

能耗監(jiān)管平臺可以定時和實時向各獨立節(jié)點下發(fā)查詢命令，獲取當前的電表、水表和氣表的數(shù)據(jù)信息。獲得各獨立節(jié)點的數(shù)據(jù)信息后保存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，并可以根據(jù)需要生成各個房間、各個樓層、各棟樓的相應(yīng)數(shù)據(jù)分析圖。

2.部分硬件電路設(shè)計

2.1電表節(jié)點設(shè)計

電表節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點由CC2530、485模塊、繼電器構(gòu)成。電表節(jié)點使用的基于DLT645-2007多功能電能表通信協(xié)議的電表。該電表可以使用485通信協(xié)議進行通訊，通過向電表發(fā)送不同的命令，可以實現(xiàn)遠程抄表（電流電壓電量功率）、遠程拉合閘。

電表節(jié)點能夠接收來自能耗監(jiān)管平臺的命令，并進行格式轉(zhuǎn)換，將來自能耗監(jiān)管平臺的命令通過485模塊轉(zhuǎn)換為電表可以識別的命令。通過電表主要獲得其電量信息，對于其拉合閘操作采用MCU控制繼電器的方案來實現(xiàn)拉合閘。

2.2水表、氣表節(jié)點設(shè)計

水表和氣表都是采用脈沖式計數(shù)的方法，在做硬件設(shè)計的時候其設(shè)計方案是一樣的，此處以水表為例作介紹。水表節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示。節(jié)點由CC2530、無線傳輸、EEPROM電路構(gòu)成。對于水表的計數(shù)采用中斷計數(shù)的方案，通過外中斷采集計數(shù)脈沖。采用脈沖計數(shù)的方案，如果不做特殊處理，在系統(tǒng)失電之后計數(shù)就會復(fù)位。為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的保存，采用外置EEPROM的方案，每計數(shù)一次則更新一次EEPROM中存儲的計數(shù)信息，系統(tǒng)重啟之后先讀取里面的計數(shù)信息，然后開啟中斷計數(shù)。

2.3網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)部分的設(shè)計在整個系統(tǒng)的設(shè)計中起著承上啟下的作用，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)關(guān)主要負責接收來自能耗監(jiān)管平臺的信息并下發(fā)給對應(yīng)的節(jié)點，接收來自節(jié)點的反饋信息并轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)部分還承擔著監(jiān)測整個網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)的任務(wù)，監(jiān)測新節(jié)點的加入、無效節(jié)點的刪除以及節(jié)點的丟失，以維持整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.4控制中心計算機

能耗監(jiān)管平臺定時向各終端節(jié)點下發(fā)采集數(shù)據(jù)命令，并接收來自終端節(jié)點反饋的數(shù)據(jù)信息，并將這些信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。如果需要，亦可以實現(xiàn)對某一個節(jié)點的實時采集。能耗監(jiān)管平臺可以直接顯示并訪問到各棟樓的各個樓層的各個房間的各個表。根據(jù)需要能耗監(jiān)管平臺可以生成各個房間、各個樓層、各棟樓的相應(yīng)數(shù)據(jù)分析圖，通過對數(shù)據(jù)分析我們可以找出節(jié)能潛力點，發(fā)現(xiàn)能源浪費點，保存基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計量合理準確。

3.結(jié)語

對校園能耗實行分項計量是目前高校能耗計量的新趨勢。通過分項計量得到的數(shù)據(jù)分析可以挖掘校園建筑的節(jié)能潛力，為校園建筑的節(jié)能改造工作提供完善的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)依據(jù)。通過對能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)的處理分析，找出該校園的節(jié)能潛力，并提出對應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化建議，為將來的校園節(jié)能工作的進一步開展提供了依據(jù)。同時，通過對校園用能指標的研究，確定了初步的節(jié)能判斷依據(jù)，對將來校園新建建筑的節(jié)能工作具有借鑒意義。endprint