低功耗廣域物聯網在智能樓宇能耗管理系統中的應用

劉風 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。傳統網絡應用靈活性差，能源管理系統成本較高;為克服這些不足，將低能耗物聯網技術引入智能建筑能源管理系統。研究低功耗廣域物聯網硬件結構應用，包括 GPRS電源模塊、供電模塊、電能采集模塊、水采集模塊、能耗數據采集網關模塊;軟件低功耗廣域物聯網應用，包括能量采集節點接入、數據傳輸過程和網關程序。節能管理方面，采用碰撞檢測載體感知方式完成數據上傳，滿足智能建筑能耗管理要求;

關鍵詞：低功耗廣域物聯網;智能樓宇;能耗管理;軟硬件應用

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：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%……從國內能耗統計項目來看，建筑能耗與交通運輸、工業能耗處于同一水平[1]。從全球來看，建筑能耗占全球總能耗的41%。當前我國能源利用存在著巨大的浪費和低效現象。

當前，建筑能耗監測技術相對落后，與建筑節能有關的規劃、政策不完善，對建筑能耗的具體情況認識不足。建筑物節能工作任重而道遠，如何運用現代技術積極解決這一問題已是當務之急。智能化建筑物的能源消耗是維持人們生活和技術進步的基本條件。由于經濟發展迅速，隨著能源需求的增加，人類生存和發展面臨的首要問題即將變為能源短缺 [2]。為此，提出在智能建筑能源管理系統中應用廣域低功耗物聯網 WIFI。廣域小功率物聯網具有良好的應用前景，可以有效推動我國建筑節能減排工作。智能化設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、智能設備，首要的任務就是建立通信連接，使數據能順利傳送，成為有效的信息流。

1硬件結構低功耗廣域物聯網應用

廣域智能化設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、高效智能設備的任務就是通信網絡連接，使數據能順利交換。智能樓宇能源管理系統，采用無線傳輸，無需布線，終端、繼電器全部由電池供電，節省維修費用，降低功耗，大大延長使用壽命[3]。該系統采用移動電話組網的方式，在基站中設置多個能耗采集終端進行能耗數據轉發[4]。通過自組織方式，小功率廣域物聯網可以靈活組網，并且其有著距離遠、很低的功耗、極強的穿透力強等優點。這個網絡非常適合智能建筑中的能源管理系統。

1.1 GPRS功耗模塊

本發明的終端裝置由于外殼結構的遮擋，使終端信號大大降低。在小功率廣域物聯網中，集電箱需要集中并上傳數據，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測應用。

小功率廣域物聯網結構具有可擴展性好，覆蓋范圍廣等優點，復雜的網絡結構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模塊是對雙通道數據傳輸的進一步擴展，極大地提高了基站的覆蓋范圍，并且當數據正常時，用于維護網絡的成本也是比較低的，而且在進行網絡數據傳輸穩定性方面也比較容易實現。

唯一的設備 ID和位置信息與服務器相連，設備會定期報告維護情況，例如電池功率和設備狀態。在網絡上通過多條集中設備數據，并通過 GPRS模塊上傳到服務器端。管理員可以利用后臺管理系統將其連接到云服務器上，以實現各個網絡節點的實時跟蹤和維護。因而無需人員進行設備狀況的現場檢查，在很大程度上降低了維修的費用。運營商提供了GPRS網絡服務，它的通信費用一般需要由信息量或者 SMS來進行收取。

1.2電源模塊

電源模塊為節點提供電源，節點是由大容量電池進行供電的，功率模組提供節點工作的能量。使用ER26500電池繼電保護及端子壽命可達一年以上，無需更換電池，無需維護。在該電源的支持下，將干電池化學能轉換為電能，其兩極分別帶有正負電荷，由正負電荷產生電壓，而電流是在電壓作用下定向移動的。當電荷散盡時，荷盡壓消了。

1.3電量采集模塊

選擇柳川485智能電表，實現對智能建筑用電數據的采集。通過儀器把采集模塊連接到采集節點，實現抄表、預付費及抄表的通關控制。能量采集電路能夠準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物聯網卡，電表的通信不依賴 GPRS，智能電表是通過采集節點的UART3接口進行數據交換的，波特率達到2400 B/S。

1.4水量采集模塊

采用泰安485智能水表，實現了建筑用水與能耗的智能化數據采集，可以在采集節點的位置安裝連接水表， 進而實現表數的抄錄、預先支付水費以及對水表的開關進行控制。通過設計水量采集電路，實現了準確采集終端耗電數據的目的。智能水表485的數據交換，是通過485轉 TTL模塊和UART3接口來實現的，UART3接口是進行能量采集的節點。

1.5能耗數據采集網關模塊

整個能源管理系統的數據傳輸和轉換都是以網關為中心的，網關通過 GPRS模塊接收傳感器節點采集的能耗數據并上傳到服務器。因使用ER26500工業電池不能滿足長期穩定網關的要求，需進行長期穩定工作。Gateway使用標準DC12V電源。另外，無線通信模塊和網關處理器采用串行通信方式。

2軟件部分低功耗廣域物聯網應用

2.1能耗采集節點接入和數據發送流程

載波感知多訪問協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送消息前都需要對信道內的信息進行監聽，一旦信道之間出現沖突，就不進行消息的發送，同時要發出強沖突信號，以對在該信道發出的沖突做出及時的通知。在檢測到信道內有信號傳輸時，它便主動返回原來的位置并且等待其他信號完成傳輸;如果信道出現空閑時，它便會立即發送數據。這種機制可以在一定條件下保證信號的可靠傳輸。

（1）能耗采集節點接入流程

能源采集節點最終的接入過程還是要參照IEEE802.11的協議來實現，在終端接通電源后，它首先將數據通信請求發送到周圍的接入點。空余時間進行數據傳輸時，周邊接入點將從能量采集節點接收查詢指令，否則將立即回復并明確發送。終端會自動選擇有較強信號的應答接入點，同時對接入點上的MAC 地址進行保存，并作為上位節點，使節點能夠進行數據傳輸。圖1展示了能量收集節點訪問流程。

（2）能耗采集節點數據發送流程

在數據傳輸過程中，能量采集節點實現沖突檢測是通過載波進行對多路接入協議的監測實現的，在數據發送之前，能量采集節點不做出有關信道的任何判斷，反而是進行同信道之間的直接競爭，對接入點完成數據包的直接發送，等待接入點的確認響應。如果訪問點沒有響應時，那么不同的終端可能會在同一時間進行數據的發送，進而導致信道之間的沖突。這時能量采集節點隨機地用 K乘以通信時間單位，這取決于CC1125采集節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，則會再傳回，直到判斷存取點無效，再重新選取存取點。

2.2網關程序

假設能源管理系統內的所有物聯網數據資源都僅僅在感知層之間進行傳輸，那么它將難以發揮出其本身最大的作用和最大的價值。在設計能源管理系統時，將在因特網上進行最終的能源消耗數據，并通過手機網絡或寬帶網絡與人們進行交互，從而使其價值可以達到最大化。物聯網和因特網連接的橋梁是能源管理系統的入口處，而管理以及控制各個物聯網之間的節點的則是能源管理系統網關和傳感終端。關聯轉換通過 TCP/IP協議完成的，然后將數據發送給服務器。上述網關主要實現以下幾個工作：協議之間的轉換，網絡的管理以及其維護，數據的采集以及其轉發功能，有時也要完成網絡訪問認證管理模塊的增加。

能耗管理系統的網關軟件流程：接通網關點之間電源，啟動因特網并將模塊接入，接著注冊服務器，該步驟需要UDP接口完成，進而得到網絡時間，對整個網關模塊完成更新工作，網關的通信地址是通過獲取該網關的MAC 地址實現的，但該獲取也是要借助 WAN協議轉換模塊;網關模塊和協調模塊都是在一個相同的設備上，因此使用該 MAC地址。然后等待接收來自WAN的數據，通過WAN協議轉換模塊對WAN協議進行分析和重新的打包，并完成緩存區分析數據的保存。由于不需要等待其他任務，核心處理模塊實現數據的封裝和上傳是通過調用Internet訪問模塊來完成的。同時，如果有新的節點加入網絡中時，當網絡中有新節點加入時，Core處理調用NetworkManagement模塊對該節點進行訪問和管理，同時對該節點進行定期回收和維護。

2.3服務器設計

網關和服務器是通過UDP 實現的通信，UDP是一種沒有連接的傳輸協議，它與TCP 不一樣，它是不可靠的，在進行數據包發送的時候，會對不同的數據包按照類型進行分組、排序和組裝工作，但是這樣的排序方式不會對物聯網之間的數據傳輸造成任何的影響。具有較低功能損耗的廣域物聯網的智能建筑能量管理系統之間的數據都是大小不一的，數據包中分布幾個字節，但是由于通過 UDP所傳輸的數據的頻率較低，對于TCP 這樣的既復雜又具有可靠性的協議而言是不適合的，在此情況下 UDP則可以發揮它自身的優勢。

在用socket調用 UDP接口創建了服務器監控過程之后，建立了服務器的基本模型。這時，根據應用程序的需求，需要為不同客戶傳輸數據創建相應的線程。此時，服務器的前端程序還需要使用線程池來實現線程的應用和處理工作。在LinuxSystem中進行服務器程序的運行，LinuxSystem是一個具有繁多任務和多個線程的操作系統。作業系統會根據所需進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程與線程機制的合理使用來實現使服務器的穩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資源進行統一分配和管理。當服務器程序有需要的時候，即客戶機進行數據傳輸時，服務器程序則會對存在于線程池里面的線程做出請求，進而對數據做出一定的處理，包括數據分析和數據庫操作。

3結束語

在此基礎上，實現了低功耗廣域物聯網能量采集節點和能量采集網關的硬件設計。通過對低功耗廣域物聯網協議和網關程序的編寫，能源采集節點通過低能廣域物聯網無線傳輸網關實現數據智能采集。Gateway對收集的數據進行組織和封裝，并通過無線網絡發送給服務器，從而允許能源管理系統的遠程訪問。本設計的消費管理系統由于經費不足，尚不完善，有待進一步完善。關于提出的能源管理系統開發過程中遇到的問題，接下來的工作則是對系統的功能做出更進一步的完善，比如開發可配置各終端為無線接入網絡的 PC軟件或手持終端。

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【通聯編輯：光文玲】