基于物聯網的服務區加油站節能應用研究

奚梅霞，郭 成，江 慶

(1.安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230000；2.安徽省高速石化有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

自黨的十八大確定以生態文明建設發展的基調以來，作為節能減排三大主戰場之一，交通運輸行業自上而下地開展了一系列綠色低碳發展的行動。服務區加油站作為高速公路附屬工程的一部分，且基礎設施建設是服務區的組成根基，只有保證服務區范圍內的各項基礎設施處于節能、低碳的狀態，才能使得服務區具有綠色化屬性[1]。目前，大多數服務區加油站仍然采用傳統的用電方式，容易造成能源浪費[2-3]。在此背景下，本文圍繞高速公路服務區加油站的節能技術進行分析，以合安高速公路為背景，對合安高速公路服務區加油站營業用房節能現狀進行調研，在現有學者對玻璃纖維增強復合材料(GFRP)夾芯板力學性能研究的基礎上[4]，將GFRP方管增強型夾芯保溫板用于節能型營業用房上。通過采用ZigBee無線通信技術[5]設計了一種服務區加油站節能控制系統，采用遠程監測技術把分散式管理改為集中運營管理，用LabVIEW作為上位機進行現場控制，Wifi連接至OneNET云平臺實現遠程控制。

1 服務區加油站節能技術應用分析

電能的消耗是高速公路服務區加油站最主要的能耗來源，因此對電能的流動進行研究至關重要。首先是電能的產生，別的形式的能量通過一定的手段和設備產生為電能；產生的電能由發電廠或電源從某處輸送到另一處即為電能的輸送；電能輸送過程中使電能轉化為需要的能量形式實現電能的消耗。

對上述3個環節進行研究，尋找可實現節能的方式。在電能產生環節，通過采用太陽能和循環能源代替傳統電能；在電能輸送環節，通過減少電能在傳輸過程中的損耗，使電能最大限度地用于負載；在電能消耗環節，在滿足負載功能的前提下減少能耗。根據以上分析，節能技術可以分為以下4類。

(1)新能源應用技術。采用各類可循環能源代替傳統電能，不僅實現了節能，而且迎合了當今社會對環境保護的重視性。新能源主要包括光能和風能，光能通過光生伏特效應直接轉換為電能，而風能則先轉換為機械動能再轉換為電能。

(2)電能傳輸節能技術。由于用電設備的增多容易導致配電線路中出現大量無功滯后電流，不僅降低了電線路的使用功率，而且在線路中造成了大量電力資源的浪費。用于高速公路的配電系統是低壓系統，通過對配電線路進行改善，應用穩壓濾波補償技術降低無用功率以及變壓技術降低變壓器損耗，均可實現相應的節能。

(3)新型節能設備應用技術。采用新型的節能設備取代原有的傳統設施，可以降低負載的能源損耗。目前，主流的新型照明設備有LED照明、熒光燈照明和離子燈照明。LED燈通過半導體發光材料將電能轉化為光能，耗能較少；熒光燈利用高頻電壓在密閉空間建立磁場電離該空間內的氣體，產生的紫外線激發熒光粉發光；離子燈照明技術主要通過磁效應產生的微波將氣體變為高壓，高壓下的硫粉離子態發光。

(4)節能控制技術。節能控制技術使用多項控制策略實現加油站的節能。例如，一方面，可在低交通量的條件下通過安裝車輛感應裝置在車輛進入加油站時開啟照明，車輛駛出加油站時關閉照明來實現節能；另一方面，通過LED燈的無極調光技術對照明功率進行調節，在滿足使用的前提下降低燈的亮度，以此類似，對空調等設備也可采用無極調控，達到節能的目的。

2 服務區加油站用房節能技術研究

本文通過對合安高速公路輔助用房進行實地調研，了解其建筑節能現狀，總結其在節能方面存在的問題。通過對GFRP夾芯保溫板的傳熱性能進行研究，一定程度上為促進復合材料在建筑節能方面的運用提出了解決方案，推動了高速公路服務區加油站用房的節能改造工作，為相似地區高速公路輔助用房的新建和節能改造提供了一定的借鑒作用。

2.1 服務區加油站節能存在的問題

根據現場調研情況，合安高速沿線輔助用房在節能方面存在如下的問題：

(1)絕大多數用房的保溫性能較差，需要進行節能改造。

(2)對新能源的利用較少，依舊是傳統的用電方式，耗能大、節能空間大，對太陽能、風能等循環能源的利用應跟上時代的步伐。

(3)對于一些建筑面積較大的用房，空調設施還較為老舊，達不到供暖的效果，還消耗了大量的電能，需要合理選用節能型的空調設備，降低能耗。

(4)考慮員工用電習慣和公司用電管理情況，可對用房進行節能設計并對其室內冷熱舒適性展開研究。

2.2 節能型房屋保溫性能研究

GFRP是由合成樹脂和玻璃纖維經復合工藝制作而成的一種功能型新型材料，耐腐蝕性能好、介電性能好、熱性能良好、可設計性強、工藝性優良、用途廣泛，良好的熱性能可以用于保溫材料的制作，解決現有房屋保溫性能不佳的問題。

GFRP方管增強型夾芯保溫板由上面板、方管、保溫填充材料和下面板組成。除方管外均為GFRP材料構成，GFRP材料具有較好的承載能力，滿足結構的需求，如圖1所示。

圖1 GFRP方管增強型夾芯保溫板

對于高速公路服務區加油站用房來說，由于散熱問題消耗了大量的電能，將GFRP方管增強型夾芯保溫板運用到服務區加油站用房對節能具有重大的意義。

3 基于ZigBee的服務區加油站節能控制系統

近年來，物聯網技術的飛速發展在智能家居領域發揮了極大的作用。服務區加油站屬于特殊服務場所，人員流動大，耗電量高，實現服務區加油站的智能控制與智能家居有異曲同工之妙。針對服務區加油站人員雜、耗能多、節能空間大等特點，傳統用電系統已經滿足不了現代產業對節能的需求。本文采用ZigBee無線通信技術設計了一種服務區加油站節能控制系統，用LabVIEW作為上位機進行現場控制，Wifi連接至OneNET云平臺實現遠程控制，最終實現了節能。

該節能照明控制系統策略可分為3種工作模式：白天模式、夜間繁忙模式和夜間智能模式。通過光照傳感器確定當前光照強度分辨白天和夜間，根據《中國石化加油站照明設計及燈具標準手冊》可知加油站的平均照度國家標準值(見表1)，控制PWM的輸出值。LabVIEW作為上位機通過RS232串口與ZigBee進行通信，并利用Wifi將數據遠程傳輸到OneNET云平臺。

表1 加油站照明國家標準

該節能照明控制系統主要由無線傳感器網絡、傳感器節點、繼電器節點、數據顯示模塊以及遠程控制模塊構成，如圖2所示。

圖2 系統的總體架構

該系統的傳感器監測系統構成數據采集模塊，主要采集光照數據以及有無人員情況；繼電器控制系統構成數據控制模塊，主要對燈光進行控制；數據顯示模塊則由現場顯示控制的LabVIEW界面以及遠程顯示控制的OneNET云平臺界面構成。

ZigBee協調器模塊作為數據處理模塊，通過無線通信與ZigBee終端進行連接。終端模塊通過I/O口連接多個傳感器構成傳感器監測系統；連接多個繼電器構成繼電器控制系統。終端節點將自己的物理地址發給協調器節點，同時，數據處理模塊即ZigBee協調器模塊通過RS232串口連接由LabVIEW編程的人機交互界面上傳終端節點數據和物理地址；通過Wifi模塊連接OneNET云平臺實現Web的遠程訪問。

3.1 系統硬件設計

該ZigBee無線傳感網絡核心芯片采用的是目前使用最廣泛的CC2530芯片[6-7]，該芯片共含40個引腳，支持ZigBee底層協議，硬件模塊傳輸距離可達1～100 m。

傳感器監測系統采集人體的移動信號以及光照數據并發送給協調器。芯片P0.6管腳接人體紅外傳感器，芯片P0.5管腳接光照傳感器，P0.7管腳接溫濕度傳感器，除此之外，傳感器另兩個管腳分別接3.3 V電壓和地，原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器接線原理圖

繼電器控制系統采用1路光耦隔離繼電器，IN1管腳接芯片P0.4口，高電平時二極管截止，繼電器斷開；低電平時二極管導通，經集電極電壓放大導通下個二極管，繼電器吸合，由此控制照明燈的開關和模擬空調的控制。

傳感器模塊和繼電器模塊連接終端節點，協調器節點利用無線接收器與終端節點進行通信，并通過RS485串口模塊與上位機進行數據監控，由此構成整個硬件系統，如圖4所示。

圖4 整體硬件結構

3.2 硬件通信協議

各無線通信模塊通過通信協議實現數據的傳遞，串口通信協議為用戶提供了控制各模塊的途徑，具體硬件通訊協議如下所述。

3.2.1 查詢終端通信協議

上位機通過發送一個6字節的字符串給ZigBee模塊查詢終端傳感器的數據，具體幀格式如表2所示。

表2 查詢終端幀格式

其中規定幀頭為3A，幀尾為23，地址在ZigBee軟件編寫程序IAR中設定為000x，若查詢所有終端傳感器數據則地址為00FF，校驗碼自動生成，用于檢測該組數據的準確性，各功能碼功能如表3所示。

ZigBee模塊收到此字符串，會響應一個多字節字符串給上位機，將查詢數據上傳到上位機。具體幀格式如表4所示。

幀頭幀尾如上所述，響應數據若查詢的是終端燈的狀態，則00代表燈滅，01代表燈亮，如空調；若查詢光照傳感器數據得到的是一個16進制數，轉換后即可得到當前光照強度，如溫濕度傳感器。

3.2.2 控制終端通信協議

控制協議與查詢協議類似，控制終端通信協議首先通過上位機向ZigBee模塊發送一個多字節字符串，若控制所有終端，則地址為FFFF。具體幀格式如表5所示。

ZigBee模塊收到后響應一個5字符串并執行相關操作，幀格式如表6所示。

表3 查詢終端功能碼

表4 查詢響應幀格式

表5 控制終端幀格式

表6 控制終端響應幀格式

其中：功能碼0A表示控制終端上燈的狀態，01代表點亮，00代表熄滅；0B表示控制終端上空調的狀態，01代表開啟，00代表關閉。

3.3 程序設計

3.3.1 LabVIEW程序設計

首先對系統的登錄界面程序進行設計，分為登錄驗證和登錄兩部分。

登錄驗證子VI的主要作用是驗證用戶名與密碼是否正確，經過條件結構的判斷，并用于下一步登錄程序的編寫。

登錄界面中若用戶名和密碼驗證成功，當登錄值改變，通過應用程序目錄創建主VI，通過VI引用函數和調用節點打開并運行主函數前面板，同時利用VI服務器和調用節點關閉本VI的前面板實現從登錄子VI到主VI的轉換。登錄界面如圖5所示。

圖5 登錄界面前面板和程序框

主程序通過設置一個狀態機實現各模塊的功能。狀態機分為7個狀態，分別是初始化、等待、發送數據、獲取數據、處理數據、控制和退出。初始化主要將各項數據設置為初始狀態，其中將串口波特率初始狀態設置為38 400 bps。

等待模塊對串口配置進行設置。若按下打開串口按鈕，利用VISA配置串口節點對I/O口進行選擇，設置初始波特率為38 400 bps，數據比特、奇偶性等設為默認值。若串口狀態為開，則進入狀態機下一狀態，否則跳出消息框“打開失敗，檢查連接”。具體程序框如圖6所示。

圖6 串口程序框

LabVIEW發送數據模塊通過VISA寫入節點選擇串口并寫入該字符串，如圖7所示。

LabVIEW數據處理節點對所接收到的數據進行解析，通過截取字符串和強制類型轉換將多字符的16進制數轉換為整數并分別定義為溫度、濕度、光照強度和人體紅外傳感器檢測的狀態，如圖8所示。

LabVIEW中通過條件結構和VISA寫入，當打開燈或空調按鈕時串口中寫入相應的打開燈或空調的字符串，關閉同理可得，如圖9所示。

退出模塊將打開的串口利用VISA關閉節點進行關閉，并將整個程序退出循環。

圖7 VISA寫入介紹及發送數據程序框

圖8 數據處理節點程序框

圖9 控制節點程序框

基于以上程序框圖的設計，可得圖10所示的加油站節能控制系統上位機界面。在該界面進行串口、波特率的選擇實現打開串口、采集溫濕度和光照強度，控制燈、空調的開關以及退出程序等操作，實現了上位機的遠程監控功能。

3.3.2 OneNET云平臺程序設計

通過在OneNET云平臺網站上添加設備，獲得設備ID等信息，在ZigBee程序中添加相關的信息即可實現遠程監測與控制。主要界面如圖11所示。

圖10 加油站節能系統前面板

圖11 OneNET云平臺界面

根據服務區加油站的節能要求，采用ZigBee技術設計了一個節能控制系統。該系統由無線傳感器網絡、傳感器節點、繼電器節點、模糊控制模塊、數據顯示模塊以及遠程控制模塊構成，ZigBee協調器模塊作為數據處理模塊，通過無線通信與ZigBee終端進行連接。終端模塊通過I/O口連接多個傳感器構成傳感器監測系統；連接多個繼電器構成繼電器控制系統。同時，數據處理模塊即ZigBee協調器模塊通過串口連接由LabVIEW編程的人機交互界面；通過Wifi模塊連接OneNET云平臺實現Web的遠程訪問而實現節能。

該系統的傳感器監測系統構成數據采集模塊，主要采集溫濕度數據、光照數據以及有無人員情況；繼電器控制系統構成數據控制模塊，主要對燈光和空調進行控制；對于數據顯示模塊則由現場顯示控制的LabVIEW界面以及遠程顯示控制的OneNET云平臺界面構成。系統總體結構滿足節能的要求。

4 結語

本次研究完成了對電氣設備物聯網控制系統的設計及實現，對于面向需求的電氣設備物聯網的節能應用研究做了一些工作。服務區加油站作為服務區配套工程，其電氣設備的安全性更復雜，作為特殊用電設備這次研究未涉及。本系統只是利用電氣設備物聯網提出了一種節能控制方式，部分內容需要進一步開展后續研究。

(1)隨著節能技術的發展，將會有更多先進節能技術應用于高速公路運營管理之中，因此應持續密切跟蹤適用的節能技術發展狀況。

(2)節能技術效果評價的研究中可增加經濟效益和社會效益指標，利用節能量、成本控制和社會影響等多因素去評價節能項目的實施效果。

本次研究以高速公路服務區加油站為研究對象進行節能技術應用，最終研究目的是將相應的節能技術推廣使用到高速公路服務區加油站上，對節能技術應用進行系統的分析與研究。