產(chan) 品分類

Products

技術文章/ ARTICLE

我的位置：首頁 > 技術文章 > 淺談基於微電網的智慧校園能耗監測係統的設計與產品應用

淺談基於微電網的智慧校園能耗監測係統的設計與產品應用

更新時間：2023-08-11

瀏覽次數：733

hth下载地址陳聰

摘要：針對高校教學建築能效監管效率低的問題，從(cong) 係統總體(ti) 設計、分層設計、硬件係統設計、軟件係統設計、功能測試等方麵闡述了一種基於(yu) 物聯網技術的智慧校園建築能效監管係統。通過對能耗監管係統關(guan) 鍵功能的測試，測試效果良好，結果符合設計要求。

關(guan) 鍵詞：能效監管；智慧校園；物聯網；能源管理；能耗數據；ZigBee；WiFi；節能改造

0 引言

隨著中國社會(hui) 經濟的飛速發展，工業(ye) 化、現代化進程穩步推進，隨之而來的資源、能源的合理利用等問題也時刻影響著經濟社會(hui) 的發展。據《中國建築能耗報告2020》顯示，2005 ~ 2018年期間，建築運行階段能耗從(cong) 4.8億(yi) tce（噸標準煤）增長至9.5億(yi) tce，年平均增長率為(wei) 5.39%。《重點用能單位節能管理辦法》自2018年5月1日起施行，要求重點用能單位提高能源利用效率，控製能源消費總量。有效的建築能耗監測是實現節約型校園不可少的重要環節，配備能耗監管係統用於(yu) 控製能源消費成為(wei) 迫切需求。本研究針對高校教學建築能耗現狀，設計了一種基於(yu) 物聯網技術的智慧校園建築能效監管係統。該係統引入ZigBee和WiFi無線傳(chuan) 輸技術，以一間理想教室為(wei) 研究對象，采集溫度、流量、電量消耗數據，建立相應的數據傳(chuan) 輸內(nei) 部組網，借助雲(yun) 服務器平台匯總數據，分析教室空調製冷、水暖供暖的能源效率，從(cong) 而清楚地掌控校園建築的能源消耗情況並為(wei) 節能改造提供依據。

1 係統總體(ti) 設計

1.1 係統設計框圖

基於(yu) 物聯網的能效監管係統由能耗數據感知層（獲取數據）、數據傳(chuan) 輸層（數據匯總和上傳(chuan) ），以及數據應用層（數據展示）3大部分組成，係統總體(ti) 設計框圖如圖1所示。

數據感知層（獲取數據）由數量眾(zhong) 多的傳(chuan) 感終端組成，采集到的數據匯總至數據傳(chuan) 輸層的協調器，接收能源消耗數據並上傳(chuan) 至數據應用層。數據應用層由OneNET 雲(yun) 服務器支持，具備數據整理、分析、顯示等多項功能，為(wei) 對應教室的空調製冷、水暖供暖能源使用效率評價(jia) 提供數據支撐。同時，雲(yun) 服務器可按照能源消耗數據上傳(chuan) 的路徑發布指令，控製傳(chuan) 感終端。

1.2係統網絡拓撲設計

該係統采用ZigBee網絡技術。ZigBee 網絡通常由3個(ge) 節點構成：協調（Coordinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。協調器和終端設備節點形成星型網絡拓撲結構，如圖2所示。

從(cong) 圖2中不難看出，傳(chuan) 感終端連接各種傳(chuan) 感器采集能源消耗數據.協調器用來創建和主導一個(ge) ZigBee網絡。協調器節點也稱為(wei) 匯聚節點，將多個(ge) 終端設備節點置於(yu) 不同的位置，它們(men) 把采集到的數據傳(chuan) 給匯聚節點，匯聚節點先對數據進行處理，然後把數據通過 WiFi 模塊傳(chuan) 給網關(guan) 。網關(guan) 與(yu) 雲(yun) 服務器進行通信，上傳(chuan) 能耗數據，下發遠程指令，將ZigBee網絡與(yu) 互聯網進行連接，實現萬(wan) 物互聯的目標。

2 係統分層設計

2. 1 數據感知層設計

數據感知層包含眾(zhong) 多傳(chuan) 感終端，雖然每種傳(chuan) 感終端連接的傳(chuan) 感器種類和數量存在差異，但在結構上具備高度一致性，如圖3所示。

圖3中，傳(chuan) 感終端基於(yu) CC2530單片機設計，每個(ge) 傳(chuan) 感終端安裝數量不同的傳(chuan) 感器。水暖傳(chuan) 感終端在此基礎上增加一個(ge) 繼電器用於(yu) 遠程控製閥門通斷。各傳(chuan) 感終端與(yu) 協調器通信采用ZigBee通信模塊，通過外置天線發送數據、接收指令。CC2530單片機完成驅動傳(chuan) 感器、打包采集數據、驅動通信模塊、處理上級係統指令等功能。

2. 2 數據傳(chuan) 輸層設計

協調器基於(yu) CC2530單片機設計，驅動兩(liang) 個(ge) 串口，連接ZigBee和ESP8266兩(liang) 種通信模塊，肩負數據匯總和協議轉換兩(liang) 種職能。協調器包含一個(ge) ZigBee通信模塊和一個(ge) ESP8266WiFi 模塊：串口1連接ZigBee通信模塊，與(yu) 傳(chuan) 感終端形成星形拓撲結構，接收傳(chuan) 感終端的數據，發送控製命令至傳(chuan) 感終端；串口2連接ESP8266模塊，負責通過WiFi發送數據給雲(yun) 平台，並接收雲(yun) 平台反饋的指令。

2. 3 數據應用層設計

數據應用層負責將數據上傳(chuan) 至雲(yun) 服務器和下發指令至協調器，其信息的通信均遵循 MQTT協議。因此數據應用層結構與(yu) MQTT協議應用模型具有較高相似性，其結構如圖4所示。本設計中，協調器作為(wei) 訂閱者，服務器則是發布者，協調器接收到終端發送的數據後，依照 MQTT協議的報文格式進行數據流封裝，打包完成的新數據從(cong) 協調器上傳(chuan) 至代理，代理隨後將數據放入雲(yun) 服務器後台。下發指令時，代理首先對指令指向的終端所屬協調器名進行解析，隨後將指令發送至對應協調器等待下一步操作。

3 硬件係統選型

3.1主控製器選型

主控器選型為(wei) CC2530單片機，CC2530是用於(yu) 2.4 GHz IEEE 802. 15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上係統（SoC）解決(jue) 方案。其封裝的、被ZigBee為(wei) 聯盟認定為(wei) 參考協議的Z - STACK 協議棧使得編譯、修改相關(guan) 程序變得不易出錯。

3.2溫度傳(chuan) 感器選型

溫度傳(chuan) 感器選型為(wei) DS18B20，用於(yu) 測量氣體(ti) 溫度和水溫，具有接線便捷、精度高、拓展方便、覆蓋範圍廣等特點。任意多個(ge) DS18B20可以存放在同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。總線設計可通過求取平均值使得測量結果更準確，節省 ZigBee節點。

3.3流量傳(chuan) 感器選型

流量傳(chuan) 感器的型號選擇為(wei) 霍爾流量計，安裝在暖氣水管上，用於(yu) 檢測進水流量。本設計選用的霍爾流量計額定工作電壓為(wei) DC5V，通用性好，使用方便。

3.4電量變送器選型

電量變送器選型為(wei) SUI - 101A，具有精度高、兼容性好等優(you) 點。*大測量電壓為(wei) AC 400V，電流上限為(wei) 30A，具備一定的載荷能力，且內(nei) 置了防雷保護，安全性好。

4軟件係統設計

4.1溫度傳(chuan) 感終端軟件設計

溫度傳(chuan) 感終端驅動程序包括初始化、循環讀取溫度數據兩(liang) 部分，如圖5所示。

圖5中，溫度傳(chuan) 感終端由於(yu) 驅動多個(ge) DS18B20傳(chuan) 感器，因此給每一個(ge) 傳(chuan) 感器增加了一個(ge) 序號，從(cong) 不同引腳讀取的溫度分配一個(ge) 單獨的變量存儲(chu) 這一數據，通過指針不斷加1來指向不同的存儲(chu) 單元。由於(yu) 在讀取每一個(ge) 引腳時，都需要單獨拉高電平和延時，因此多個(ge) 傳(chuan) 感器共同工作時采用輪次查詢方式讀取各個(ge) 傳(chuan) 感器的溫度數據並存儲(chu) ，等待上傳(chuan) 程序按相同順序讀取。

4.2流量傳(chuan) 感終端軟件設計

流量傳(chuan) 感器驅動程序主體(ti) 為(wei) 一次計數的中斷，如圖6所示。圖6中，霍爾流量計的輸出信號為(wei) 不同頻率的方波，通過方波頻率來表示相應的流速，因此這部分的程序編寫(xie) 采用中斷方式對方波個(ge) 數進行計數，通過換算即可得出流速數據。

4.3電量傳(chuan) 感終端軟件設計

電量變送器底層邏輯已被鎖定，本部分軟件流程提供的僅(jin) 為(wei) “容器”作用，創建變量存儲(chu) 讀取每一項數據，流程如圖7所示。圖7中，電量變送器共有6項數據可以檢測，上電啟動後變送器進入初始化並創建7位變量，1位用於(yu) 序號標記變送器。隨後變送器直接上傳(chuan) 檢測數據而無需進行其他操作。

4.4傳(chuan) 感終端軟件設計

傳(chuan) 感終端軟件運行流程如圖8所示。圖8中，傳(chuan) 感終端日常運行在采集模式，上電啟動後，終端周期性激活底層驅動函數，采集得到能耗數據，終端依照ZigBee通信協議的報文格式打包，通過ZigBee模塊上傳(chuan) 至協調器。第一次數據上傳(chuan) 既實現了通信狀況的檢驗，又傳(chuan) 輸了實際數據。隨後繼續進行底層驅動函數調用以采集能耗數據。當協調器收到指令下發給終端後，終端進入指令模式。終端對數個(ge) 指令依次進行解析、執行，並不斷查詢是否還有指令未處理。當指令全部處理完畢後，終端重新進入采集模式，繼續進行周期性能耗數據采集和上傳(chuan) 。

4.5協調器軟件設計

協調器軟件運行流程如圖9所示。圖9中，協調器日常運行在采集模式，采集模式主要包含兩(liang) 方麵工作：一是連接雲(yun) 服務器，二是上傳(chuan) 數據。上電啟動後，協調器驅動 ESP8266 按照預先寫(xie) 入的WiFi 信息、API key和端口編號連接雲(yun) 服務器的TCP服務器。隨後，ZigBee 模塊接收的能耗數據依據終端節點編號存入順序表，依據MQTT協議報文格式進行數據流封裝，*終上傳(chuan) 至雲(yun) 服務器。

多個(ge) 命令同時下發時，協調器對指令逐個(ge) 解析並下發。結束這一進程後，協調器重新回到采集模式，繼續進行能耗數據采集、封裝和上傳(chuan) 。

4.6上位機軟件設計

收集的建築能耗數據上傳(chuan) 至雲(yun) 服務器，為(wei) 使數據顯示清晰、有序，本設計增加了基於(yu) 物聯網的智慧校園建築能效監管平台用於(yu) 數據顯示，從(cong) 而為(wei) 節能改造提供明確、直觀的建議，圖形界麵如圖 10 所示。

從(cong) 圖10可以看出，能耗數據查看頁麵包括7個(ge) 折線圖、2個(ge) 實時數據儀(yi) 表和 1 個(ge) 繼電器遠程開關(guan) 。折線圖分別顯示空調能耗效率、水暖能耗效率、教室內(nei) 外溫差、水暖進出水溫差、空調用電量、水暖累計流量、水暖瞬時流量；實時數據儀(yi) 表顯示教室內(nei) 外平均氣溫；繼電器遠程開關(guan) 可以控製繼電器通斷。這10個(ge) 板塊共同實現了氣溫上傳(chuan) 、流量上傳(chuan) 、電量上傳(chuan) 、空調製冷效率、水暖供暖效率功能，以此實現建築能耗管理：

a. 氣溫上傳(chuan) 功能分析。為(wei) 了對空調、水暖的實際製冷、製熱效率進行評價(jia) ，需要得到單位時間內(nei) 室內(nei) 氣溫的變動數據以及其與(yu) 教室外的溫度差。溫度上傳(chuan) 功能包含兩(liang) 項數據，一是具體(ti) 溫度，二是溫差。如圖10中（a）顯示室內(nei) 外實時氣溫，（b）顯示監控時間內(nei) 教室內(nei) 外氣溫差值。

b. 流量上傳(chuan) 功能分析。本設計對水暖係統實際流過的熱水流量進行監控，以便計算單位體(ti) 積熱水的換熱效率。流量上傳(chuan) 功能包含流量的兩(liang) 個(ge) 方麵：瞬時流量與(yu) 累計流量。如圖 10 （c）顯示水暖瞬時流量，（d）顯示水暖累計流量。此外，水流量數據可以指示當前水管是否存在破損漏水情況。

c.電量上傳(chuan) 功能分析。電量上傳(chuan) 以3s 為(wei) 一個(ge) 周期，如圖10（e）顯示空調的累計用電量變化，正常運行時折線應當趨勢穩定、波動較小。故障時，折線將出現很大變化。

d.空調製冷效率功能分析。空調製冷效率具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（f）顯示空調的製冷效率，空調啟動之初及課間人流量大時空調高效運轉，這與(yu) 實際情況較為(wei) 符合。

e.水暖供暖效率功能分析。水暖製熱效率也具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（g）顯示水暖進出水溫差，基於(yu) 這一數據得出圖10（h）所示的水暖的供暖效率，在水暖係統的運行周期內(nei) 若無異常情況，這一折線應當不產(chan) 生較大波動。圖10（i）是對應水暖管的繼電器開關(guan) ，在檢修時可以遠程控製其通斷。

5 高校綜合能效解決(jue) 方案

5.1校園電力監控與(yu) 運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控製、優(you) 化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優(you) 化整合，減少人力配置。

5.2後勤計費管理

采用的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yang) 用能群體(ti) 和部門的節能意識。

5.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控製：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，並可獲取違規用電跳閘記錄。

5.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個(ge) 體(ti) 的水電用能進行預付費管理。

5.2.3充電樁管理平台

充電樁在“源、網、荷、儲(chu) 、充”信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

5.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內(nei) 任一線路，任一個(ge) 路燈的定時開關(guan) 、強製開關(guan) 、亮度調節，以及定時控製方案靈活設置，確保路燈照明的智能控製和高效節能。

5.3能源管理係統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建築的分類進行采集和統計的各類建築耗電數據。如辦公類建築耗電、教學類建築耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決(jue) 策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內(nei) 容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及係統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控製策略，達到節能目的。

5.4智慧消防係統

智慧消防雲(yun) 平台基於(yu) 物聯網、大數據、雲(yun) 計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，並對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過雲(yun) 平台進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“係統化”需求。從(cong) 火災預防，到火情報警，再到控製聯動，在統一的係統大平台內(nei) 運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平台直觀地看到每一棟建築物中各類消防設備和傳(chuan) 感器的運行狀況，並能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nei) ，相關(guan) 報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guan) 人員。

6.平台部署硬件選型

6.1電力監控與(yu) 運維平台