基于無線傳感器網(wǎng)絡能耗監(jiān)測系統(tǒng)在高校老校區(qū)建設的研究

郭文會

（蘭州信息科技學院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

中國大多數(shù)高校老校區(qū)都是人工干預電力、水和天然氣的消耗管理。人工抄表在原有狀態(tài)下存在著綜合數(shù)據(jù)不準確、實時采集性能差、工作量大、管理困難等問題。如果沒有其他途徑可以直接有效地獲取實際能耗相關信息，就不可能進一步提出明確的最優(yōu)節(jié)能高效解決方案，并有效降低高校老校區(qū)能耗[1]。

現(xiàn)有高校能耗監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線網(wǎng)絡進行監(jiān)測。如果老校園改造了，需要設備種類多，布線復雜，對現(xiàn)有建筑破壞嚴重。在國外，能耗實時監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)展到非常完善的水平，已形成一定的特定標準。但是，市場價格并不便宜，缺乏與中國大多數(shù)高校老校區(qū)相適應的測控設備應用軟件。

無線傳感器網(wǎng)絡采用總線結構，設備可共享，品種少，無需布線，現(xiàn)有建筑物未損壞，網(wǎng)絡靈活。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡的大學能源消耗監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的，在高校老校區(qū)節(jié)能工作中具有一定的實用價值。

2 總體設計結構

2.1 總體設計

系統(tǒng)采用4G無線數(shù)據(jù)傳輸技術將傳感器連接到網(wǎng)關、主機、互聯(lián)網(wǎng)服務器、移動終端等設備。改造了高校老校區(qū)中現(xiàn)有的校園能源調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)覆蓋了全校無線傳感器網(wǎng)絡范圍的能量自動監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)是由無線傳感器環(huán)境的測量節(jié)點、網(wǎng)關和互聯(lián)網(wǎng)（傳輸網(wǎng)絡）的服務器等組成，互聯(lián)網(wǎng)（傳輸網(wǎng)絡）的服務器是由互聯(lián)網(wǎng)終端用戶提供（在計算機和移動應用程序上）組成，如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡能耗監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

2.2 功能特點

無線傳感器節(jié)點主要由各種傳感器控制節(jié)點和網(wǎng)絡服務器組成，努力實現(xiàn)電力消耗、水資源利用、小環(huán)境等相關參數(shù)（如室內(nèi)溫度、光強等）的采集和網(wǎng)絡傳輸。通過無線傳感器技術,數(shù)據(jù)能夠通過網(wǎng)關實時傳輸信息到萬維網(wǎng)中，把這些數(shù)據(jù)按照地址儲存在服務器的數(shù)據(jù)庫上，控制指令經(jīng)轉換完成后自動發(fā)送給萬維網(wǎng)，萬維網(wǎng)對發(fā)送存儲過來信息的數(shù)據(jù)進行分組后，再發(fā)送給相應網(wǎng)絡節(jié)點，以達到減少了無線傳感器網(wǎng)絡上的采集數(shù)據(jù)分組傳輸流量。服務器用于接收和存儲網(wǎng)絡傳感器設備上收集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)、生活環(huán)境中多種因素的閾值、環(huán)境中控制設備的開關量。這些信息可以由專用軟件來處理，供高校后勤供應日常管理部門使用和管理[2]。

本系統(tǒng)具備以下基本功能:

（1）基于無線傳感器技術和網(wǎng)絡技術的高校能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)，以無線傳感網(wǎng)、萬維網(wǎng)等先進技術將高校老校區(qū)的能耗數(shù)據(jù)安全上傳至高校后勤管理平臺，顯著提高了高校老校區(qū)能源儲備數(shù)據(jù)的精確度和及時處理能力，使綜合能耗數(shù)據(jù)和各類處理信息得以共享。

（2）通過自動化管理減少能源消耗。根據(jù)部分學生宿舍、職工宿舍、實驗室和基礎教學樓能耗的突出特點，完成學校電力消耗數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計，以及生成水電統(tǒng)計分析報告。

（3）及時預警報警保證用能安全。根據(jù)學生宿舍、教師宿舍、實驗室和教學建筑的能量消耗特征，制定合理的策略，可以及時發(fā)出預警和報警，在特殊情況下自動切斷電力;根據(jù)各個地區(qū)的能量消耗特征以及不同季節(jié)的教學建筑，工作日和非工作日實際情況下做出正確的決策。根據(jù)不同地區(qū)的能量消耗特征，對不同季節(jié)、工作日和非工作日的教學樓進行了節(jié)能改造，詳細統(tǒng)計分析相關能耗數(shù)據(jù)，當能量消耗超過標準數(shù)值或無法正常使用時，及時報警，并將信息發(fā)送給相關人員。

對大型設備進行大規(guī)模地監(jiān)控和預警分析，如學校建筑、水泵和空調(diào)裝置等大型設備，確保關鍵監(jiān)控設備的正常運行。

3 功能模塊設計

3.1 傳感器節(jié)點

傳感器測試節(jié)點由無線通信設備、內(nèi)置核心處理器、各種傳感器、功率檢測模塊、功率模塊和無線射頻收發(fā)器模塊。傳感器包括照明、風扇、空調(diào)、流量監(jiān)控、人員監(jiān)控等傳感器，每個傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都有數(shù)據(jù)采集模式和相關設備控制的基本功能。

基本功能如下:

（1）數(shù)據(jù)采集功能。自動采集高校老校區(qū)消耗電能、水能、環(huán)境參數(shù)（如溫度、光照度等）數(shù)據(jù)，在組合數(shù)據(jù)之后，通過串行端口發(fā)送到射頻無線收發(fā)器模塊，然后被網(wǎng)絡發(fā)送到有關網(wǎng)關[3]。

（2）控制相關設備的功能。當傳感器的某些節(jié)點檢測到的室內(nèi)溫度、相對濕度，當照明和其他環(huán)境條件達到閾值時，通過射頻收發(fā)器模塊將相應的控制命令發(fā)送到本地環(huán)境相關參數(shù)控制設備，例如自動和智能地關閉或重新打開控制的設備，增加或減少電扇的速度調(diào)整室內(nèi)溫度等，為了實現(xiàn)各種設備的智能化和控制，引入無線網(wǎng)絡技術[4]。智能應用電源開關通過無線局域網(wǎng)的各種信號在網(wǎng)絡服務器上獲取控制命令，通過控制電路來控制照明電源插頭的接通和斷開。

3.1.1 照明傳感器的設計

（1）照明傳感器采用入射發(fā)光波長，一般為約520 nm波長的光電耦合集成照明傳感器，內(nèi)置的雙敏感元件接收器具有高可見光響應范圍，輸出照明電流能與照明器線性變化。當室外環(huán)境光線照明較強勁時，關閉所有照明供電設備內(nèi)的所有電源回路以幫助實現(xiàn)電源節(jié)能化管理。當外部光線照明為偏暗色時，照明控制電路可以自動連接。

（2）故障傳感器。照明及控制自動化設備上采用的各種故障傳感器通常主要由故障電壓傳感器、電流傳感器和控制照明自動化設備門端電路的與門、與非門電路等組成。當故障電壓傳感器和電流傳感器發(fā)送電流信號到與門柵極上時，與門之間就形成正常的電流，發(fā)送正常運行的信號。如果只有一個標準的電壓信號但還沒有產(chǎn)生標準的電流信號，則與門將發(fā)送故障信號[5]。

3.1.2 風扇用傳感器

風扇溫度傳感器啟動風扇節(jié)能運行管理，選擇常旋開的溫度開關，用雙金屬片作為平面溫度的測量溫度元件，設定平面溫度值為25 °C，當環(huán)境溫度值低于設定25 °C時，控制開關將斷開，切斷風扇供電電路工作；當室外環(huán)境溫度高于25 °C時，控制開關會接通，風扇電路接通。

3.1.3 空調(diào)內(nèi)置傳感器

（1）溫度傳感器空調(diào)機組是我國一種比較常用的生活用電溫度控制設備，在節(jié)能管理方面充當主色。空調(diào)高效節(jié)能溫度傳感器系統(tǒng)由一個低溫閉式傳感器和一個帶有高溫閉式的溫度開關并聯(lián)所組成,當室內(nèi)環(huán)境溫度低于10 °C時,微處理器會控制該低溫開關自動閉合；當室外環(huán)境溫度高于25 °C時，微處理器可以控制高溫開關自動閉合；但如果戶外環(huán)境溫度維持在10～25 °C，微處理器控制2個開關斷開[6]。

（2）空調(diào)故障傳感器

空調(diào)故障傳感器一般由工作電壓測量傳感器,壓縮機壓力測量傳感器和非柵極電路組成。工作電壓測量傳感器檢測空調(diào)的工作狀態(tài)。壓縮機壓力測量傳感器用于確定空調(diào)是否處于正常操作狀態(tài)。如果是空調(diào)系統(tǒng)脫機非正常運行，壓縮機系統(tǒng)無法正常的運行或壓縮機空轉運行時，壓縮機系統(tǒng)的轉子兩端之間沒有形成壓力容差。因此，壓力傳感器系統(tǒng)必須同時檢測到高壓管之間和驅動壓縮機轉動的2個低壓管頭之間發(fā)生的瞬間壓力級差[7]。

差壓傳感器是用于實時測量壓縮機系統(tǒng)的高壓管和中低壓管這2個管道壓力分布之間的微小差異，并通過數(shù)據(jù)處理發(fā)出警報信號，使得工作人員可以及時收到報警信號。整個傳感器系統(tǒng)元件精確度高，數(shù)據(jù)采集準確，根本上解決了高校建立綠色節(jié)能數(shù)字化校園管理的共性技術問題，并同時解決了傳統(tǒng)高校能源計量管理中效率低的諸多關鍵瓶頸問題。工作原理則是由于測量儀表的輸入壓力差直接疊加在壓力傳感器內(nèi)的隔膜片上，導致傳感器隔膜內(nèi)部產(chǎn)生一種與輸出壓力差大小成反比例值的微觀位移，從而間接使壓力傳感器中的電容值改變。電子電路元件用于準確檢測出該數(shù)值變化，并快速轉換信號直接輸出到與測量壓力變化相對應數(shù)值的標準電壓的測量控制信號。

為了能防止故障誤回報，故障傳感器通常需要事先用數(shù)字萬用表來測量芯片處于工作狀態(tài)端處的相對電位，確認其是否已存在低工作電壓。故障傳感器的基本工作原理是，如果需要讓空調(diào)系統(tǒng)改變室內(nèi)環(huán)境溫度，則利用溫度開關可以控制整個空調(diào)裝置的工作運行和狀態(tài)，并且使差壓傳感器系統(tǒng)也由此獲得穩(wěn)定了的工作電源。如果傳感器存在差壓，則非門輸出壓力低，傳感器一般不會發(fā)生報警。如果在壓縮機回路中還沒有完全建立一個足夠高的壓力位差，則非門輸出高壓力電位，故障傳感器警報[8]。

3.1.4 人員監(jiān)控傳感器

人員監(jiān)控傳感器一般的都采用紅外傳感器，其基本探測功能是在一個沒有人員可以進入的地方時，該地點內(nèi)的探測器主電源開關將斷開；當有人員可進入探測器時，主電源開關會閉合。

3.2 無線網(wǎng)絡節(jié)點和萬維網(wǎng)管理安全網(wǎng)關

無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點和萬維網(wǎng)管理安全網(wǎng)關同時也是介于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和高速以太網(wǎng)系統(tǒng)之間連接的無邊界設備，其在本套系統(tǒng)架構中始終扮演著一個重要的橋梁作用。無線網(wǎng)絡節(jié)點主要由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、核心處理器模塊、無線射頻能量控制模塊、內(nèi)部存儲模塊和電源插頭模塊組成。無線傳感器控制的節(jié)點設備和網(wǎng)絡服務器全部通電啟動后，自動建立無線傳感器和網(wǎng)絡。核心處理器模塊接收到數(shù)據(jù)后，利用串口對無線傳感器和網(wǎng)絡進行監(jiān)控，并在應答器數(shù)據(jù)允許的情況下觸發(fā)相應的串口終止事件。

核心處理器模塊的第一步是將協(xié)調(diào)器發(fā)送的消息數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡和萬維網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲模塊，再通過無線路由模塊端口將集成數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺f維網(wǎng)服務器，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺f維網(wǎng)服務器中。專用軟件使用設置的閾值處理能耗數(shù)據(jù)，并將消息直接發(fā)送到相應的命令。網(wǎng)關接收到命令數(shù)據(jù)后，首先對綜合數(shù)據(jù)包進行分析和處理，然后執(zhí)行控制指令，將綜合控制執(zhí)行命令信息發(fā)送給相應的多個傳感器和控制設備節(jié)點，控制節(jié)點上各類設備的運行狀態(tài)。

3.3 手機App

Java軟件，開發(fā)完成了一套具有與萬維網(wǎng)服務器系統(tǒng)基本使用功能相同的移動端應用系統(tǒng)專業(yè)軟件[9]。手機移動端應用程序具有與萬維網(wǎng)服務器系統(tǒng)相同的一些基本網(wǎng)絡功能。可以在實時平臺上查看老校區(qū)的能耗信息，隨時隨地控制相應控制設備的工作。其移動性將通過智能的能耗監(jiān)測為高校老校區(qū)能耗監(jiān)控帶來極大的便利。

4 服務器管理軟件

目前，最流行的Windows平臺被應用到語言工作室的研發(fā)中。開發(fā)了一種基于無線傳感器技術和網(wǎng)絡技術的高校能量消耗實時監(jiān)測系統(tǒng)。整體軟件結構有4種類型和4層最佳方案：現(xiàn)場多終端數(shù)據(jù)采集人層、系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)平臺、業(yè)務應用層、基礎平臺層、應用層，各層快速完成不同的任務，上層為下層提供更多相關的核心技術支持專業(yè)服務。本系統(tǒng)符合國家相關核心技術開發(fā)的兩大標準，并具備真實身份機構認證、綜合數(shù)據(jù)加密算法、數(shù)據(jù)庫備份、病毒感染預防等安全綜合保障體系建設。

5 方案的合理性

5.1 資源利用率和市場預測

我國的大部分高校老校區(qū)能源消耗管理部門，對電力、水、燃氣等能源消耗管理，缺乏直接和有效的手段，并無法獲得關鍵點的實際能耗信息，不能進一步提出節(jié)能計劃。有效地減少能耗，基于無線傳感器網(wǎng)絡能源消耗監(jiān)測系統(tǒng)通過舊校區(qū)的建設，實時監(jiān)測能源消耗數(shù)據(jù)，優(yōu)化節(jié)能工作，適合大多數(shù)高校，也可以促進企業(yè)、居民社區(qū)為節(jié)能工作，具有良好的市場前景。

5.2 技術合理性

目前，隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術，傳感器技術應用和網(wǎng)絡計算機技術等的持續(xù)快速健康發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)添加各種硬件處理設備技術和網(wǎng)絡傳感器技術，監(jiān)控設備數(shù)據(jù)就可以快速通過移動互聯(lián)網(wǎng)直接上傳到服務器。能源及消耗計量管理的部門工作人員可以隨時通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接訪問的任何計算機電腦或手機，登錄能源和消耗管理網(wǎng)站，通過計算機監(jiān)控查詢系統(tǒng)還可以隨時查詢運行數(shù)據(jù)信息并準確分析實際能量消耗。

6 結論

基于無線傳感器網(wǎng)絡能耗監(jiān)測系統(tǒng)在網(wǎng)絡中使用先進的無線傳感器，并實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到服務器，高校能源監(jiān)管部門可以通過任何接入方式登錄能耗監(jiān)測系統(tǒng)，進行能耗數(shù)據(jù)查詢，能源消耗分析和其他操作，并完全實現(xiàn)能耗監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用總線技術，設備可以共享，成本低，并且在建設中對現(xiàn)有建筑破壞程度小，施工強度低、布線較少，維修量小。

本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測和分析舊校區(qū)的能源消耗，利用現(xiàn)代化管理手段進行能源配額管理，逐步培養(yǎng)教師和學生的節(jié)能意識，雖然實現(xiàn)建設節(jié)能校園的目標需要一定的時間，隨著傳感技術和網(wǎng)絡技術的應用也將會盡快實現(xiàn)該目標。