物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

苗天揚(yáng)++師云秋++李伯陽(yáng)

摘要：闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念，分析了物聯(lián)網(wǎng)的組成，提出了基于 Zigbee技術(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的組成、工作流程及軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)，描述了利用Python語(yǔ)言平臺(tái)、Zigbee數(shù)據(jù)通訊、云計(jì)算實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程能源管理。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，總結(jié)了系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，最后展望了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)的發(fā)展前景，并指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的困難。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；無(wú)線(xiàn)；能源管理；云計(jì)算

引言

無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來(lái)臨，物聯(lián)網(wǎng)被專(zhuān)家及多個(gè)國(guó)家認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。不管是 IBM 提出的智慧地球，還是溫總理在無(wú)錫提出的感知中國(guó)，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當(dāng)下最熱門(mén)最具競(jìng)爭(zhēng)性的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，然后將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一臺(tái)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并向用戶(hù)顯示界面，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)可能需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，而如果需要實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程管理，更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設(shè)一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的服務(wù)器，這樣，不僅需要投入服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及開(kāi)發(fā)相應(yīng)的服務(wù)軟件，系統(tǒng)的維護(hù)除現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和總線(xiàn)鏈路外還需要 IT部門(mén)的管理員協(xié)助維護(hù)服務(wù)器設(shè)備，避免服務(wù)器故障而造成損失。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)中來(lái)，底層運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器及設(shè)備，上層使用托管的云計(jì)算服務(wù)，消除現(xiàn)場(chǎng)級(jí)布線(xiàn)的煩惱，使用云計(jì)算的強(qiáng)大能力，又可以消除網(wǎng)絡(luò)硬件的投入及日常的 IT維護(hù)，同時(shí)可以輕松實(shí)現(xiàn)基于WEB服務(wù)的遠(yuǎn)程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用Digi公司提供的平臺(tái)及解決方案，因此，在系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)均按照Digi平臺(tái)的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺(tái)和解決方案來(lái)討論物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、問(wèn)題，及前景。

1 什么是物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義。目前國(guó)內(nèi)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)也還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，只是在大體的技術(shù)框架上做了一個(gè)概念性的表述：通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)就字面意義上理解就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成。物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖，它主要由三大塊組成：一，包括各類(lèi)傳感器、控制器等數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，及構(gòu)成這些設(shè)備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)絡(luò)組成的設(shè)備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識(shí)別，以及傳感網(wǎng)絡(luò)，組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎(chǔ)。二，將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用各種接入技術(shù)：如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛(wèi)星通訊等，最終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強(qiáng)大的存儲(chǔ)、查詢(xún)、計(jì)算能力，也都?xì)w屬在這一層。三，根據(jù)客戶(hù)自身需求，利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶(hù)提供有效的特定服務(wù)的應(yīng)用層。應(yīng)用層是對(duì)感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。

2 能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理。本能源管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)地?zé)舻闹悄芄芾恚捎没贒igi 公司的 iDigi 解決方案，感知層采用 Zigbee 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。由于 Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備成本低、設(shè)備體積小、省電、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合廣泛應(yīng)用在智能家庭、工業(yè)控制、能源管理、醫(yī)療監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。網(wǎng)關(guān)和傳感器、智能電燈開(kāi)關(guān)器組成一個(gè) Zigbee 私域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關(guān)可進(jìn)行本地邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)本地智能，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與基于云計(jì)算的 iDigi 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。用戶(hù)應(yīng)用服務(wù)程序向 iDigi 平臺(tái)發(fā)送請(qǐng)求，查詢(xún)并獲取 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，以及向 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。而用戶(hù)，只需要在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方，使用瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)應(yīng)用即可。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器：由Digi公司的 Xbee 溫度和亮度一體傳感器完成現(xiàn)場(chǎng)溫度和亮度的采集；基于 Digi 公司Xbee 系列模塊開(kāi)發(fā)的開(kāi)關(guān)控制器完成對(duì)電燈的開(kāi)、關(guān)操作。

（2）本地?cái)?shù)據(jù)處理：由Digi公司的 CPX4網(wǎng)關(guān)讀取現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)值，讀取開(kāi)關(guān)控制器的各路開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并控制開(kāi)關(guān)。網(wǎng)關(guān)中運(yùn)行的Python程序還可根據(jù)條件智能的控制電燈的開(kāi)關(guān)，將本地?cái)?shù)據(jù)適當(dāng)處理后，根據(jù)需要再將數(shù)據(jù)上傳至 iDigi 云平臺(tái)。

（3）iDigi云計(jì)算平臺(tái)：由 Digi 公司提供的服務(wù)，是一種托管服務(wù)。提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、設(shè)備管理等功能。iDigi平臺(tái)存儲(chǔ)Zigbee 網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，并響應(yīng)應(yīng)用服務(wù)程序數(shù)據(jù)查詢(xún)請(qǐng)求，轉(zhuǎn)發(fā)指令請(qǐng)求至網(wǎng)關(guān)操作現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)電燈的管理。

（4）應(yīng)用服務(wù)程序：運(yùn)行于 Google 云技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，基于 Google App Engine 開(kāi)發(fā)的 web應(yīng)用程序，具有權(quán)限的用戶(hù)在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方，使用 Web瀏覽器登錄，即可查看該能源管理系統(tǒng)中的電燈狀態(tài)，以及環(huán)境溫度、亮度信息。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分除了溫度、亮度傳感器采用 Digi 公司的 Xbee Sensor 系列傳感器，網(wǎng)關(guān)采用支持GPRS 和以太網(wǎng)的 ConnectPortX4 產(chǎn)品外，Zigbee 智能開(kāi)關(guān)由基于 Digi 公司的 Xbee 模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能開(kāi)關(guān)中的 Xbee 模塊接收來(lái)自 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的控制指令，然后輸出數(shù)字量 IO 的狀態(tài)來(lái)控制固態(tài)繼電器的開(kāi)或關(guān)斷。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 Zigbee 網(wǎng)關(guān)軟件。所選用網(wǎng)關(guān)支持 Python 語(yǔ)言編程，運(yùn)行于網(wǎng)關(guān)上的軟件程序使用 Digi 公司的 DIA設(shè)備集成應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)。該平臺(tái)面向?qū)ο螅蓴U(kuò)展性好，可自行通過(guò)擴(kuò)展設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼將第三方設(shè)備集成進(jìn)系統(tǒng)。該平臺(tái)下軟件運(yùn)行方式以加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼的方式進(jìn)行，對(duì)特定設(shè)備、特定功能都抽象成設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼。對(duì)電燈控制的功能抽象成一個(gè)電燈控制類(lèi)，該類(lèi)的控制方法流程圖。

2.4.2 應(yīng)用軟件?；?Google云技術(shù)的 App Engine 應(yīng)用程序引擎，使用 Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，發(fā)布后可使用appspot.com域上的免費(fèi)域名來(lái)為應(yīng)用程序提供服務(wù)。

3 系統(tǒng)綜述

系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程幾乎不需要布線(xiàn)施工，現(xiàn)場(chǎng)采用Zigbee 無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，接入互聯(lián)網(wǎng)后運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，又不需要基礎(chǔ)設(shè)備、不需要 IT 設(shè)備維護(hù)，使得項(xiàng)目施工工作量減少，施工周期大幅縮短。由于 Google的云計(jì)算服務(wù)按需收費(fèi)，從目前系統(tǒng)運(yùn)行情況看，沒(méi)有超出 Google App Engine 服務(wù)每個(gè)月的免費(fèi)限額，所以目前還不需要為使用 Google 云計(jì)算平臺(tái)付費(fèi)，而Google 的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)也不高。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，授權(quán)用戶(hù)成員可隨時(shí)隨地查看監(jiān)控狀態(tài)信息，以及人為控制電燈狀態(tài)，一切運(yùn)行正常，未發(fā)生不響應(yīng)或錯(cuò)誤響應(yīng)等異?，F(xiàn)象，證明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中可以得到很好的應(yīng)用，證明該物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架解決方案可行、可靠，且具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在此能源管理系統(tǒng)中取得了成功的應(yīng)用，通過(guò)設(shè)定一些閾值及條件，電燈可依照亮度傳感器的感知數(shù)據(jù)及夏令、冬令時(shí)間自行開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了物物感知、智能控制的效果，而云技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了免IT基礎(chǔ)設(shè)施的用戶(hù)應(yīng)用即時(shí)發(fā)布，徹底消除了 IT 設(shè)備采購(gòu)周期、IT維護(hù)等因素的影響。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將使人們的生活更加便捷、更加智能化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)越來(lái)越多的被應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也會(huì)從目前的局限于一個(gè)工廠(chǎng)、一棟樓宇的局域感知型物聯(lián)網(wǎng)，向大范圍、眾多不同設(shè)備互聯(lián)的廣域感知型物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。但是由于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒(méi)有相關(guān)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，且物聯(lián)網(wǎng)本身的定義還存在爭(zhēng)論，因此，全面普及的大范圍廣域物聯(lián)網(wǎng)還有許多路要走。

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