基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑設(shè)備智能電源監(jiān)控系統(tǒng)

朱 靚，溫瀟華

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，河北石家莊050000；2.石家莊鐵道大學(xué)，河北石家莊050000)

智能建筑是根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)、成分、功能進(jìn)行一體化設(shè)計和控制的新型建筑形態(tài)，隨著電氣設(shè)備更新?lián)Q代速率越來越快，集成智能電源控制監(jiān)控系統(tǒng)的建筑設(shè)備必然是未來主流的方向，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點重新定義建筑設(shè)備的智能化，推動新技術(shù)形態(tài)下的建筑設(shè)備智能化生態(tài)具有非常重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值[1]。

建筑設(shè)備智能化涉及一套完整的技術(shù)生態(tài)，涵蓋了數(shù)字傳感技術(shù)、光通信技術(shù)、電子集成電路技術(shù)、無線組網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多種高新技術(shù)，在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過組建各種電力設(shè)備構(gòu)建一套完善的電源監(jiān)控系統(tǒng)，實時采集匯報建筑設(shè)備的工作狀態(tài)和設(shè)備負(fù)載情況，保障建筑設(shè)備高效穩(wěn)定地運行。

本文在充分調(diào)研和分析了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點后，針對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信層和上層應(yīng)用層的三層體系架構(gòu)，提出以物聯(lián)網(wǎng)為支撐載體，結(jié)合ZigBee快速組網(wǎng)和快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，并以4G通信網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用接入?yún)f(xié)議，構(gòu)建針對建筑設(shè)備的實時電源監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以嵌入式硬件為核心，以組網(wǎng)通信為數(shù)據(jù)載體，能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑設(shè)備的有效監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)形態(tài)分析

物聯(lián)網(wǎng)是智能家居和工業(yè)生產(chǎn)中廣受關(guān)注的熱點技術(shù)，它通過射頻識別(RFID)、紅外檢測、GPRS定位系統(tǒng)等設(shè)備能夠?qū)⑷魏我患O(shè)備快速與互聯(lián)網(wǎng)鏈接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交互，從而實現(xiàn)設(shè)備的通信、控制和實時監(jiān)控[2]。

物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)其技術(shù)形態(tài)主要包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信層和上層應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)最原始數(shù)據(jù)的收集；數(shù)據(jù)通信層作為連接數(shù)據(jù)采集層和上層應(yīng)用層的紐帶，一方面需要將數(shù)據(jù)采集層的原始數(shù)據(jù)傳輸給上層應(yīng)用層，另一方面需要將上層應(yīng)用層的控制信號下發(fā)給數(shù)據(jù)采集層；上層應(yīng)用層也稱為控制交互層，是直接與用戶進(jìn)行互聯(lián)的部分，直接負(fù)責(zé)終端用戶的操作。

對于智能電源系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集層需要收集多種數(shù)據(jù)信號，溫度傳感器收集溫度信號、氣壓傳感器收集氣壓信號、濕度傳感器收集濕度信號[3]，另外還需要配備紅外探測器和攝像頭等采集視頻和圖像信息，這些傳感器都可以通過嵌入式技術(shù)內(nèi)置在前端設(shè)備中，這些傳感器提取的數(shù)據(jù)信息會通過數(shù)據(jù)通信層實時上報給上層應(yīng)用層。數(shù)據(jù)通信層的設(shè)計需要兼容底層和上層的通信協(xié)議，底層組網(wǎng)主要采用ZigBee組網(wǎng)方式，ZigBee組網(wǎng)因設(shè)備價格低、組網(wǎng)方便并且短距離傳輸速度快，上層通信則采用4G網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)對設(shè)備快速切換網(wǎng)絡(luò)，并且可以無縫接入其他網(wǎng)絡(luò)中。對于上層的控制決策層負(fù)責(zé)用戶命令的執(zhí)行和下發(fā)，需要直接和用戶進(jìn)行交互，可以采用基于JAVA的主流交互系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

假設(shè)建筑設(shè)備的容積為V，節(jié)點的分布密度為d，則需要鋪設(shè)節(jié)點的數(shù)目為V/d，單次節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸量為πb，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔為πt，節(jié)點的能耗為πw/bit，則對于當(dāng)前建筑設(shè)備需要的能耗為：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

2 ZigBee前端組網(wǎng)研究

ZigBee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的通信組網(wǎng)協(xié)議，具有組網(wǎng)方便、時延小、能耗低和傳輸快等優(yōu)點。ZigBee無線傳輸模塊的傳感節(jié)點在耗損極小能量的情況下即可以實現(xiàn)各個傳感器之間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)適配，能夠以迭代的方式將無線通訊數(shù)據(jù)從一個傳感節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€傳感節(jié)點，這種優(yōu)勢能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境下零部件耗損問題，本文主要基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建前端數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)。

ZigBee將組網(wǎng)機(jī)制定義為網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點nt加入網(wǎng)絡(luò)后，其為自身分配的網(wǎng)絡(luò)地址為0，設(shè)置自身的深度dt=0，當(dāng)新的ZigBee節(jié)點ni加入到節(jié)點nt時，nt為節(jié)點ni賦予網(wǎng)絡(luò)地址，同時將ni加入到自身的子節(jié)點列表，同時將子節(jié)點的深度設(shè)置為di=dt＋1，節(jié)點深度表示數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中到達(dá)路由器的最小跳數(shù)。

一個新的精簡功能設(shè)備(RFD)節(jié)點ni沒有路由能力，它與路由器建立連接并作為路由器第n個子節(jié)點。根據(jù)它的深度di，父節(jié)點nt將為子節(jié)點ni分配網(wǎng)絡(luò)地址如式(2)：

如果是新的子節(jié)點全功能設(shè)備(FFD)，它具備路由能力，父節(jié)點nt將為它分配網(wǎng)絡(luò)地址如式(3)：

定義Cskip的計算方式如式(4)：

式中：Cm表示路由節(jié)點能夠處理的最大子節(jié)點數(shù)；Lm表示網(wǎng)絡(luò)能夠承載的最大深度；Rm表示路由節(jié)點能夠處理的最大子路由節(jié)點數(shù)；d表示節(jié)點深度。

3 4G數(shù)據(jù)通信傳輸

4G指的是第四代移動通信技術(shù)，包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G集3G與WLAN于一體，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像等。4G技術(shù)支持100～150 MB/s的下行網(wǎng)絡(luò)帶寬，意味著用戶可以體驗到最大12.5～18.75 MB/s的下行速度。

SLM651是一款LTE“五模二十頻”無線通信模塊并集成了GPS功能。SLM651模塊具有低功耗、高靈敏度設(shè)計特點，非常適合于各種無線通信應(yīng)用，SLM651工作頻段包括TD-LTE:Band38/39/40/41，F(xiàn) DD-LTE:Band1/3/5/7/8/20， TDSCDMA:Band34/39， WCDCMA:Band1/2/5/8， GSM:Band5/8/3/2，GPS L1:1575.42MHz，因此可外擴(kuò) 3G、4G、GPRS、ZigBee、RFID等無線通信模塊。將4G通信模塊嵌入智能硬件中，4G通信模塊作為內(nèi)置芯片負(fù)責(zé)上層數(shù)據(jù)傳輸。

4 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

智能電源監(jiān)控系統(tǒng)的后臺為終端用戶操作界面，用戶終端分為PC終端和移動終端兩部分，其中PC終端又可分為Windows操作終端和MAC操作終端，移動終端可分為手機(jī)終端和iPad終端，終端命令的下達(dá)主要通過4G網(wǎng)絡(luò)實施。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)保存底層實時上報的環(huán)境參數(shù)，并在終端以走勢圖的方式動態(tài)展示，用戶根據(jù)時間流的數(shù)據(jù)變化判斷建筑設(shè)備狀態(tài)。

一般而言，正常數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)明顯的擾動，在數(shù)據(jù)分布上相對較為穩(wěn)定，可根據(jù)規(guī)則和統(tǒng)計規(guī)律預(yù)先設(shè)定范式固化在終端，當(dāng)出現(xiàn)異于范式的模式時則發(fā)出報警由用戶裁決。范式提取算法如下：

輸入：數(shù)據(jù)類別集合T=(T1,T2,…,Tn)，數(shù)據(jù)類別對應(yīng)數(shù)據(jù)流集合D=(D1,D2,…,Dn)；

輸出：數(shù)據(jù)類別Ti對應(yīng)范式σ。

算法流程：(1)對于i到n，存在Ti∈T,Ti對應(yīng)數(shù)據(jù)流為Di；(2)數(shù)據(jù)流Di存在數(shù)據(jù)集合Di=(di1,di2,…,dit,…,dik)，dit表示t時刻數(shù)據(jù)記錄，記范式時間窗口為t，則范式表征為記σ為范式，新數(shù)據(jù)超過范式則判

用戶通過終端和數(shù)據(jù)通信層、數(shù)據(jù)采集層交互，實時發(fā)送對應(yīng)指令控制網(wǎng)絡(luò)中建筑設(shè)備，當(dāng)有新設(shè)備入網(wǎng)時，則會要求實時上報當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)，對于已經(jīng)入網(wǎng)的設(shè)備，則可周期性匯報環(huán)境參數(shù)，并以輪詢的方式周期性遍歷所有設(shè)備，具體的工作流程如圖2所示。定為異常數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計圖

5 實驗與仿真

本實驗主要用于驗證當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)置是否符合實際場景，能否在保證數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)那疤嵯鹿?jié)約能耗。系統(tǒng)仿真平臺采用 Matlab，分別選取節(jié)點覆蓋密度為 25、30、35、40、45、50/m3，即每立方米部署節(jié)點數(shù)量，模擬仿真通信時長為100、150、200、250、300、350、400、450 s，主要用于對比不同參數(shù)下數(shù)據(jù)丟失率。定義丟失率如式(5)：

式中：T表示通信時長；πt和πb的定義如式(1)分別表示第i個時間片段的πt和πb值。

不同節(jié)點覆蓋率下數(shù)據(jù)丟失率對比如圖3所示，在通信時長較低(100～150 s)時，不同節(jié)點的部署密度在丟失率上并沒有明顯區(qū)別，隨著通信時長的拉長，數(shù)據(jù)在通信節(jié)點會出現(xiàn)一定程度的阻塞，數(shù)據(jù)的丟失率也會發(fā)生較為明顯的變化，一般而言，節(jié)點部署密度越密集，數(shù)據(jù)傳輸信道的阻塞也會越明顯，數(shù)據(jù)丟失率也會隨之升高，這可以從圖3中看出。相對而言，節(jié)點部署密度過低則不易快速實時捕獲建筑設(shè)備的工作狀態(tài)和工作參數(shù)，對系統(tǒng)的容錯性會有一定的影響，節(jié)點密度部署過高，一方面會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)擁堵，另一方面從式(1)可以看出系統(tǒng)整體的能耗也較高。由仿真結(jié)果可知，在節(jié)點部署密度為35/m3時，整個系統(tǒng)在數(shù)據(jù)丟失率上會取得比較平衡的效果，不會出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)突變。

6 總結(jié)

圖3 不同節(jié)點覆蓋率下數(shù)據(jù)丟失率對比

本文闡述了智能建筑作為未來建筑設(shè)備智能化的發(fā)展方向，建筑設(shè)備的智能化監(jiān)控越來越成為主流的監(jiān)控技術(shù)，用戶通過終端可以實時查看建筑設(shè)備的工作狀態(tài)，隨時調(diào)整設(shè)備的工作頻率和負(fù)載。以物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)為依托，以大規(guī)模和高效的4G網(wǎng)絡(luò)作為通信載體，搭建了一套針對建筑設(shè)備的智能電源監(jiān)控系統(tǒng)，實踐表明，該系統(tǒng)具有一定的社會意義和經(jīng)濟(jì)價值。

[1]鄭麗娜.基于物聯(lián)網(wǎng)的電源智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電源技術(shù)，2017(3)：493-494.

[2]譚海燕，崔如春，文翰，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型儀器設(shè)備智能監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件導(dǎo)刊，2017(2)：91-93.

[3]孫皓月，呂國，張梁，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能建筑電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2014(1)：113-115.