建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王升軍，尚兆功，高　鵬，劉玲云，郭祥洋(.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南　500; .山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南　5003)

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建筑能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王升軍1，尚兆功1，高鵬2，劉玲云2，郭祥洋1
(1.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101; 2.山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南250013)

王升軍(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗揖臃?wù)裝備。

摘要:基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種建筑耗電實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，利用智能硬件和智能傳感器，通過WiFi、ZigBee等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和信息的交換。重點(diǎn)闡述了建筑能耗檢測方式和能耗監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)。提出建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)能及時(shí)獲得建筑能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)公共建筑的實(shí)時(shí)耗電信息監(jiān)測，為建筑能耗優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng);能耗檢測參量;硬件設(shè)計(jì);智能網(wǎng)關(guān)

尚兆功(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄芗揖臃?wù)裝備。

高鵬(1981—)，男，從事建筑電氣方面的設(shè)計(jì)。

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)、科技的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，公共建筑(如學(xué)校宿舍、醫(yī)院、酒店)在社會(huì)發(fā)展中顯得越來越重要。由于公共建筑受電量消耗巨大、耗能分散、不穩(wěn)定、管理混亂、運(yùn)行不規(guī)范等因素制約，因而公共建筑耗電信息采集處在盲區(qū)狀態(tài)。隨著《建筑節(jié)能條例》的實(shí)施，不同建筑建立了能耗系統(tǒng)運(yùn)行管理制度，公共建筑用電的運(yùn)行過程也將實(shí)現(xiàn)有序化和節(jié)能化。

能耗監(jiān)測技術(shù)正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，已有的能耗監(jiān)測系統(tǒng)大多由基于總線型(RS-485總線)的遠(yuǎn)傳能耗計(jì)量基表來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、輸出、保存和管理及表單匯總。本文設(shè)計(jì)了一種建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程無線的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)及能耗檢測參量分析

每個(gè)房間內(nèi)設(shè)有智能電表，實(shí)時(shí)監(jiān)測房間內(nèi)的用電量、電壓、電流、功率等信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳至樓層網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過交換機(jī)連接到監(jiān)控主機(jī)。同時(shí)，數(shù)據(jù)通過LAN總線經(jīng)路由器到達(dá)Internet，用戶可通過手機(jī)獲取建筑物內(nèi)的環(huán)境信息及用電信息，實(shí)現(xiàn)用電的智能化。能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　能耗監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

建筑能耗檢測參量總體分為分類統(tǒng)計(jì)和電量分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。用電量、燃?xì)?、水暖等傳統(tǒng)檢測參量屬于分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)，用于建筑物分類能耗的總體宏觀展示。電量分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)包括照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電，便于能源監(jiān)測系統(tǒng)對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、分項(xiàng)、分析、統(tǒng)計(jì)，使能耗檢測系統(tǒng)管理更精細(xì)化。此外，能耗檢測需要完成電量各項(xiàng)參數(shù)的檢測，可以利用智能硬件實(shí)現(xiàn)電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測和計(jì)算分析，為建筑能耗分析、電網(wǎng)能耗調(diào)度等提供數(shù)據(jù)支持。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1智能電表的設(shè)計(jì)

智能電表模塊主要由電源模塊、計(jì)量模塊、MCU模塊、無線模塊、LCD顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘等組成，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2　智能電表系統(tǒng)組成

2.1.1電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊采用開關(guān)電源，避免頻繁更換電池帶來的不便。開關(guān)電源電路按照低成本、高效率和離線式開關(guān)電源的要求設(shè)計(jì)。在220 V電壓供電、無負(fù)載工作的情況下，電路消耗的電能約為80 mW。核心芯片TNY254P允許一個(gè)緩沖區(qū)去限制漏極峰值電壓，其開關(guān)頻率為44 kHz，在該頻率下工作能夠減少電磁干擾。輸出濾波電路選擇π型濾波電路，過濾出電路中的高頻雜波。以EE13為核心的變壓器，提供的輸出功率可達(dá)2.5 W，滿足設(shè)備的需求。

2.1.2電量采集模塊的設(shè)計(jì)

電量采集模塊原理如圖3所示。電量采集模塊采用RN8209電量計(jì)量芯片，能夠采集單相電路的電壓、電流、有功功率、無功功率等參數(shù)，可支持SPI和USART接口與處理器通信，具有體積小、精度高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3　電量采集模塊原理圖

電流采集時(shí)，相線的輸入端經(jīng)過0.56 μΩ錳銅產(chǎn)生微小的壓降，錳銅兩端經(jīng)過1 kΩ電阻連接到電流通道A的正負(fù)模擬引腳，采用完全差分輸入方式從寄存器中讀取電流有效值。

電壓采集采用差分輸入方式，為了降低功率采用多個(gè)電阻串聯(lián)的方式，1 kΩ電阻的電壓輸入到電壓通道的正模擬輸入引腳，電路通道的負(fù)模擬引腳經(jīng)過1 kΩ電阻與地相連，從寄存器中讀取電壓有效值。

電流通道B通過電流互感器，獲得中性線上的電流，與電流A通道采集到的電流值相比較，如果不相同，則有竊電現(xiàn)象。另外，有功功率、無功功率均可以通過讀取寄存器獲得。

2.1.3無線通信模塊設(shè)計(jì)

無線通信方式選用WiFi通信，替代了傳統(tǒng)的ZigBee、433、藍(lán)牙等通信方式。ESP8266模塊可以通過RS-232與MCU進(jìn)行交互，MCU可以用AT指令集對其進(jìn)行配置，作為服務(wù)器帶動(dòng)多個(gè)終端設(shè)備。系統(tǒng)通信時(shí)設(shè)置網(wǎng)關(guān)為服務(wù)器，激發(fā)出AP熱點(diǎn)，其余各個(gè)模塊作為終端建立TCP連接，即可實(shí)現(xiàn)無線通信。用戶可通過手機(jī)加入到網(wǎng)關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)中，可遠(yuǎn)程獲取房間內(nèi)的能耗信息。

2.2智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)包括MCU、外部存儲(chǔ)單元、WiFi模塊、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊、復(fù)位電路等。智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　智能網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。選用KSZ8041FTL芯片，其采用3.3 V供電的10Base-T/ 100Base-TX物理層收發(fā)器件，符合IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。

KSZ8041FTL芯片采用MII接口，為確保外接25 MHz晶振正常工作，并聯(lián)2個(gè)22 pF電容到大地;在KSZ8041與高層MAC 進(jìn)行物理線連接時(shí)，為保證信號的抗干擾和完整性，在電氣連接時(shí)串接33 Ω電阻;將R =6.49 Ω、C =100 pF并聯(lián)接入REXT，決定KSZ8041FTL芯片的發(fā)送輸出電流。

圖5　以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換電路

采用帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口模塊HanRunHR911105A作為以太網(wǎng)物理接口。網(wǎng)絡(luò)變壓器內(nèi)置差模耦合線圈，對物理層芯片輸出的差分信號耦合濾波。網(wǎng)絡(luò)變壓器通過電磁場耦合濾波差分信號，將信號耦合到連接網(wǎng)線的一端，以獲取高強(qiáng)度、低誤碼率的信號，使網(wǎng)線和PHY間在完全隔離的狀態(tài)下完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。

2.2.2LwIP協(xié)議棧移植

通過移植LwIP協(xié)議棧到該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)處理流程如圖6所示。

圖6　TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)處理流程

3　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要由數(shù)據(jù)收發(fā)部分和顯示部分組成。數(shù)據(jù)收發(fā)是指嵌入式網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)收發(fā)。兩者通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，所以應(yīng)用的是TCP/IP的Socket套接字編程。嵌入式網(wǎng)關(guān)在與上位機(jī)通信時(shí)作為服務(wù)器，上位機(jī)是連接發(fā)起方。顯示部分使用C#編寫的運(yùn)行于Windows.Net Framework上的窗體應(yīng)用程序。根據(jù)實(shí)際需求，采用ListView控件實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間狀態(tài)的顯示，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或房間出現(xiàn)警告信號時(shí)，ListView的相應(yīng)字段文字會(huì)通過改變顏色來提醒監(jiān)視人員。

另外，用戶打開建筑智能用電監(jiān)控平臺(tái)軟件，程序調(diào)用DBConnetction類中的NewConnection()連接數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行用戶信息確認(rèn)。

4　系統(tǒng)的測試

用戶成功登錄系統(tǒng)后，監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入軟件平臺(tái)主視窗口。主窗口界面包括即時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等操作界面。在即時(shí)窗口，用戶可以通過選擇房間號來查看用電量信息;在歷史數(shù)據(jù)窗口，用戶可以通過數(shù)據(jù)庫中繪制曲線，對當(dāng)前用電量進(jìn)行分析。

監(jiān)測結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地獲取房間的能耗信息，并及時(shí)匯總到監(jiān)控中心。

5　結(jié)語

本文基于互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種建筑耗電實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)技術(shù)為核心，利用智能硬件和智能傳感器，通過WiFi、ZigBee等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和信息的交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)公共建筑的實(shí)時(shí)耗電信息監(jiān)測，為建筑能耗優(yōu)化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

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Design of Energy Consumption Real-time Monitoring System in Building

WANG Shengjun1，SHANG Zhaogong1，GAO Peng2，LIU Lingyun1，GUO Xiangyang1
(1.School of Information＆Electrical Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China; 2.Urban and Rural Planning Design Institute of Shandon Province，Jinan 250013，China)

Abstract:Based on the Internet platform，this paper proposed an energy consumption real-time monitoring system of building，which realized the remote data acquisition and information exchange through the WiFi and ZigBee network technology by using the intelligent software and intelligent sensor.The detection modes of building energy consumption and monitoring platform of energy consumption were elaborated.It is pointed the building energy consumption monitoring system can timely obtain the data of building energy consumption of and realize the real-time power consumption monitoring of the whole public building，which provides the data basis for optimization of building energy consumption.

Key words:building energy consumption real-time monitoring system; energy consumption detectio parameter; hareware design; intelligent gateway

收稿日期:2015-09-11

DOI:10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.03.010

中圖分類號:TU 201.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

文章編號:1674-8417(2016)03-0042-04