基于ZigBee技術(shù)的校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)的建立

尹 博，劉 莉，宋寶泉，王佳晗，李菥然

（1．沈陽工程學(xué)院，沈陽 110000；2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110000；3.遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，沈陽 110006）

基于ZigBee技術(shù)的校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)的建立

尹 博1，劉 莉1，宋寶泉2，王佳晗3，李菥然3

（1．沈陽工程學(xué)院，沈陽 110000；2.遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，沈陽 110000；3.遼寧省電力有限公司計(jì)量中心，沈陽 110006）

為解決校園建筑能耗監(jiān)測(cè)問題，本文構(gòu)建了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和校園網(wǎng)的能耗監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)采集分類、分項(xiàng)的能耗數(shù)據(jù)，利用校園網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用基于B/S+C/S結(jié)構(gòu)的客戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析和遠(yuǎn)程控制，為能源合理利用提供決策依據(jù)。

ZigBee；能耗監(jiān)控；校園網(wǎng)

1 引言

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活水平的提高，全國建筑能耗呈穩(wěn)步上升的趨勢(shì)，加大了我國能源壓力，制約著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，因此降低建筑能耗已是刻不容緩。高等學(xué)校集教學(xué)、科研和生活于一體，人口密度高，建筑量大，更是重要的能源消耗大戶。特別是近幾年來，高校規(guī)模的不斷擴(kuò)張使能源消耗更是呈現(xiàn)快速上漲趨勢(shì)。

針對(duì)這一情況，國家發(fā)布了《高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)管理與技術(shù)導(dǎo)則》，為校園規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、教育普及等各階段環(huán)節(jié)提供了全面的管理與技術(shù)指導(dǎo)《導(dǎo)則》中明確規(guī)定要逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄自動(dòng)化，通過分類計(jì)量、分項(xiàng)計(jì)量、能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表及能耗數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方法建立校園建筑及用能設(shè)施分類或分項(xiàng)能耗統(tǒng)計(jì)制度[l]。

為此，本文建立了一套基于ZigBee技術(shù)校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)。通過建設(shè)節(jié)能監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校能源分類、分項(xiàng)、分戶計(jì)量，滿足管理部門對(duì)學(xué)校用能情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及用能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的需求，有效的提升校園能源管理水平。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。有別于GSM，GPRS等廣域無線通信技術(shù)和IEEE 802.11x，IEEE 802.11b等無線局域網(wǎng)技術(shù)，其有效通信距離在幾米到幾十米之間，屬于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的范疇。采用免沖突多載波信道接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突。設(shè)備功耗低，其發(fā)射輸出為0～3.6dBm，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率，在保證鏈路質(zhì)量的條件下，最小的消耗設(shè)備能量。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式豐富靈活，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)自組織特性[2]。其主要技術(shù)特征如表1所示。

ZigBee技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）低功耗：傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。

表1 技術(shù)特征

（2）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備的時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模大：支持各類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用主從結(jié)構(gòu)，主節(jié)點(diǎn)管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多可達(dá)255個(gè)。上層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可反向管理主節(jié)點(diǎn)，組成后的網(wǎng)絡(luò)最多可包含65536個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（4）可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

（5）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2.2 分項(xiàng)計(jì)量技術(shù)

分項(xiàng)計(jì)量是指通過對(duì)建筑安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置，采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄渭皶r(shí)采集能耗數(shù)據(jù)，對(duì)建筑的分項(xiàng)能耗情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》，把建筑物的用電分為四大項(xiàng)：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電。分項(xiàng)計(jì)量模型如表2所示。

建筑內(nèi)的分項(xiàng)計(jì)量方式，能把建筑內(nèi)各分項(xiàng)用電的能耗呈現(xiàn)給管理者，清晰地展示建筑能耗的區(qū)域分布，有助于把各項(xiàng)用能指標(biāo)與國家公布的建筑物合理用能指南進(jìn)行對(duì)標(biāo)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、政策制定做好準(zhǔn)備。

表2 分項(xiàng)計(jì)量模型

3 基于ZigBee技術(shù)的校園電網(wǎng)分項(xiàng)能耗采集系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成。該能耗監(jiān)控系統(tǒng)重要設(shè)備包括服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備及終端設(shè)備，其中服務(wù)器負(fù)責(zé)處理接收到的電能表信息，并發(fā)送現(xiàn)控制指令，而網(wǎng)關(guān)設(shè)備與采集設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，而終端設(shè)備負(fù)責(zé)與電能表進(jìn)行通信，讀寫電能表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)向無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)能耗采集系統(tǒng)工作流程為：借助采集器收集遠(yuǎn)程智能儀表的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)表計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，記錄存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集器將能耗數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器是整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，用于終端管理、數(shù)據(jù)緩存，一方面接收來自管理中心計(jì)算機(jī)的各種操作命令并下傳采集終端；另一方面，將采集終端的各種信息回傳管理中心計(jì)算機(jī)，同時(shí)還存儲(chǔ)所轄表計(jì)的數(shù)據(jù)和有關(guān)參數(shù)，并具有定時(shí)抄收采集終端數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)臨視采集終端的工作狀態(tài)等功能。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)3種節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器也叫匯聚節(jié)點(diǎn)，它是網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，并分配各節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器除了發(fā)送和接收本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)外，還要擔(dān)當(dāng)路由功能，為其子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)由于沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)設(shè)備的通信能力，ZigBee節(jié)點(diǎn)又可以分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。FFD不僅具有自身收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，還兼具路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，而RFD則沒有路由功能，但其具有休眠功能，能夠最大程度地節(jié)省能耗。因此，協(xié)調(diào)器和路由器通常由FFD構(gòu)成，終端節(jié)點(diǎn)則由FFD或RFD承擔(dān)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際需求及3種節(jié)點(diǎn)不同的角色，可以構(gòu)建3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，任何節(jié)點(diǎn)信息都可以通過多條路徑到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，這種網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能好，容量大。并且考慮到校園的建筑的布局較分散，無線信號(hào)功率需穿越墻體，ZigBee設(shè)備組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[3]，其中，路由節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)工作流程

協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點(diǎn)的加入與管理和網(wǎng)絡(luò)地址的分配，同時(shí)與服務(wù)器實(shí)時(shí)通信等。其工作流程：協(xié)調(diào)器上電、系統(tǒng)初始化后，在某個(gè)空閑信道建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；路由節(jié)點(diǎn)認(rèn)證后加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)協(xié)調(diào)器為其分配ZigBee一個(gè)網(wǎng)內(nèi)惟一地址，并記錄其地址信息，之后進(jìn)入ZStack協(xié)議棧[4]操作系統(tǒng)的任務(wù)輪循。當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，對(duì)事件類型進(jìn)行判斷：如果是ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)送過來的各地的能耗信息，則將此消息以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送至服務(wù)器進(jìn)行分析；若是服務(wù)器發(fā)送的命令，則向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)命令。

路由的主要任務(wù)為網(wǎng)絡(luò)的搜索與連接、采集和發(fā)送相關(guān)設(shè)備及能耗的信息、并具有控制相關(guān)設(shè)備的功能。其工作流程：路由上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，再搜索并加入可用網(wǎng)絡(luò)，之后進(jìn)入?yún)f(xié)議棧操作系統(tǒng)的任務(wù)輪循。當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，則判斷事件類型：如果是定時(shí)采集本節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器信息的事件，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式發(fā)送至協(xié)調(diào)器；若是收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令，則執(zhí)行相應(yīng)的命令。

3.3 監(jiān)控網(wǎng)關(guān)

監(jiān)控網(wǎng)關(guān)部分包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和Internet服務(wù)器兩部分，其間通過UART串口進(jìn)行實(shí)時(shí)的相互通信。系統(tǒng)中的監(jiān)控網(wǎng)關(guān)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)關(guān)借助協(xié)調(diào)器的ZigBee收發(fā)模塊與自組網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)路由通信，同時(shí)借助服務(wù)器通過校園網(wǎng)，使用數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)，并且按序到達(dá)的TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議與客戶端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互。

3.4 監(jiān)控平臺(tái)

3.4.1 平臺(tái)構(gòu)架

作為能耗監(jiān)控系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)中心是整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)的支撐。目前較為常見的兩種體系架構(gòu)是C/ S和B/S。B/S的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是通過瀏覽器訪問服務(wù)器的程序，可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝專門的軟件，只需一臺(tái)能上網(wǎng)的電腦就能使用，客戶端零維護(hù)，系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易。C/S結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是客戶端要安裝客戶端程序，通過客戶端程序與服務(wù)器進(jìn)行交互，C/S的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后再提交給服各器，客戶端響應(yīng)度快。

從當(dāng)前技術(shù)水平看，B/S體系特別適用于用戶交互量不大的應(yīng)用，對(duì)于要求高速、頻繁交互的模式則采用C/S體系，所以兩者在應(yīng)用時(shí)應(yīng)相互補(bǔ)充。這種混合模式是企業(yè)應(yīng)用最多的模式，其基于Web的管理信息體系流程見圖2。這種管理體系是基于網(wǎng)絡(luò)的、分布式的、異構(gòu)的管理信息系統(tǒng)，可以容納不同地域、不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型、采用不同數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序開發(fā)工具、在功能上相對(duì)獨(dú)立的管理信息系統(tǒng)，各種管理信息系統(tǒng)通過Web服務(wù)器，在客戶端以瀏覽器方式訪問，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息共享[5]。

3.4.2 平臺(tái)功能

圖2 基于Web的管理信息體系流程

（1）統(tǒng)計(jì)功能表格：報(bào)表導(dǎo)出要滿足不同功能需求，能導(dǎo)出各種符合公共機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)格式的能耗報(bào)表；圖表（自動(dòng)生成曲線圖、柱型圖、餅圖、雷達(dá)圖等）；查詢（支持關(guān)鍵詞查詢、時(shí)間查詢等功能）；分時(shí)段計(jì)量（能夠自動(dòng)按不同時(shí)間段的設(shè)定來統(tǒng)計(jì)電耗）。

（2）能耗分析功能：包括對(duì)建筑能源利用狀況進(jìn)行定量分析，分時(shí)、分區(qū)能源消耗對(duì)比分析，人均能耗歷史對(duì)比分析等。

（3）報(bào)警功能：根據(jù)系統(tǒng)不同計(jì)量點(diǎn)的歷史能耗數(shù)據(jù)設(shè)定能耗異常報(bào)警參數(shù)，并依據(jù)能耗報(bào)警參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警、短信報(bào)警、能耗報(bào)警報(bào)告自動(dòng)生成、能耗報(bào)警記錄查詢等功能.

（4）計(jì)費(fèi)功能：系統(tǒng)可根據(jù)各單位能耗，進(jìn)行實(shí)時(shí)或月度、年度能耗費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)可結(jié)合各種智能計(jì)量?jī)x表實(shí)現(xiàn)用能的預(yù)付費(fèi)管理功能.

（5）用能控制功：現(xiàn)階段的智能儀表都具有遠(yuǎn)程開斷功能，如出現(xiàn)能耗異常報(bào)警或者由于欠繳費(fèi)用等情況可自動(dòng)中斷供電，以免造成不必要的損失。

（6）系統(tǒng)管理：系統(tǒng)提供了用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)日志、報(bào)表管理、系統(tǒng)錯(cuò)誤信息、系統(tǒng)操作記錄、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)維護(hù)存儲(chǔ)等功能。

4 結(jié)束語

基于IEEE802.15.4的ZigBee技術(shù)以其無可比擬的優(yōu)勢(shì)在短距離無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)中得到蓬勃發(fā)展。本文分析其網(wǎng)絡(luò)相關(guān)特性，闡述網(wǎng)絡(luò)組建流程，并以其為基礎(chǔ)建立了校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立有助于實(shí)現(xiàn)高效能耗精細(xì)化管理和高校節(jié)能工作的推進(jìn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)意義。下一步可以在能耗監(jiān)控的基礎(chǔ)上增設(shè)用電器的智能控制設(shè)備，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備智能控制，減少電能浪費(fèi)。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．高等學(xué)校節(jié)約型校園建設(shè)管理與技術(shù)導(dǎo)則田[S]，2008-05

[2] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007

[3] 宋冬，廖杰，陳星等．基于ZigBee和GPRS的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)上程，2012(23):243-246

[4] 楊松，胡國榮，徐沛成．基于CC2530的ZigBee協(xié)議MAC層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013 (11): 3840-3844

[5] 王蘭．基于C/S和B/S混合模式企業(yè)能源管理系統(tǒng)[J]．鈦合金，2015(05):45-48

Establishment of Campus Energy Consumption Monitoring System Based on ZigBee Technology

Yin Bo1, Liu Li1, Song Baoquan2, Wang Jiahan3, Li Xiran3
(1.Shenyang Institute of Engineering, Shenyang,110000; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd., Shenyang,110000; 3. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang, 110006)

In order to solve the problem of energy consumption monitoring in campus buildings, this paper constructs an energy consumption monitoring based on ZigBee network and campus network. The system collection classification, sub-items of energy consumption data through the ZigBee network terminal node, use campus network for data transmission, adopt the database system based on B/S+C/S structure, achieve real-time monitoring of energy consumption, statistical analysis and remote control , provide decision-making basis for the rational use of energy .

ZigBee; Consumption monitoring; Campus network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.003

TN92，TM933.4文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2017）03-0009-04

沈陽市科技項(xiàng)目重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（F16-091-00）。沈陽工程學(xué)院資助項(xiàng)目（LGXS-1616）。

尹 博，男，1990年生，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化相關(guān)工作。