基于NB-IoT的公共機構(gòu)節(jié)能用電智能開關(guān)系統(tǒng)

劉 鐳，林文如，陽 清

(閩江學(xué)院 1.數(shù)學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院(軟件學(xué)院)；2.計算機與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108)

用電信息采集系統(tǒng)產(chǎn)品作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵終端產(chǎn)品之一，對于電網(wǎng)實現(xiàn)信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用[1]，經(jīng)過近十年的發(fā)展，它們在各用電單位的入口處得到了廣泛的應(yīng)用[2]，但在醫(yī)院、學(xué)校、政府機關(guān)、企事業(yè)單位等公共機構(gòu)的內(nèi)部場所，如病房、教室、實驗室、公共辦公室、走廊過道等，其電器設(shè)備、公共照明等容易出現(xiàn)泛管理或缺管理的情況，造成電能浪費的情況。

相對于小范圍普通應(yīng)用場景的智能化軟硬件系統(tǒng)，公共機構(gòu)內(nèi)部場景使用的節(jié)能用電測控終端及系統(tǒng)的智能化連接存在更多挑戰(zhàn)及困難，這些困難源于如下因素：①公共機構(gòu)的場所分布范圍較大，待測控的節(jié)點數(shù)量龐大，通信距離受限[3]；②系統(tǒng)產(chǎn)生的大量運行數(shù)據(jù)，缺乏有效的技術(shù)手段進行大數(shù)據(jù)挖掘與分析；③為實現(xiàn)高并發(fā)、高可用等目標(biāo)，對系統(tǒng)研發(fā)提出了更高的要求[4]；④當(dāng)下的普通智能電表由于是從傳統(tǒng)電表發(fā)展而來，體積較大，通信接口較單一，不容易實現(xiàn)全網(wǎng)通信[5]。

國管委、國家發(fā)展改革委聯(lián)合編制發(fā)布的《“十四五”公共機構(gòu)節(jié)約能源資源工作規(guī)劃》中指出[6]，規(guī)范公共機構(gòu)能源資源計器具配備，依托高等院校、科研院所建立技術(shù)支撐體系，開展節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)集成示范，推進互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的深度融合，提升節(jié)約能源資源工作信息化、智能化、科學(xué)化水平?；谝陨媳尘埃疚幕贜B-IoT技術(shù)，研發(fā)了一種體積較小、無顯示屏、不受通信距離限制可實現(xiàn)全網(wǎng)通信的用電智能測控終端，并結(jié)合圖像識別技術(shù)，接入天翼云物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)對受控端用電設(shè)備的統(tǒng)一管理、狀態(tài)監(jiān)測、能耗分析。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于NB-IoT的系統(tǒng)特點是三層結(jié)構(gòu)模型：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層(信息獲取層)，即利用各類傳感器、狀態(tài)檢測終端等隨時隨地獲取物體的信息；網(wǎng)絡(luò)層(信息傳輸層)，通過各種NB-IoT電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞；應(yīng)用層(信息處理層)，把感知層得到的信息進行處理，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等實際應(yīng)用[7-8]。

本文實現(xiàn)的測控終端是屬于上述描述中的感知層，負(fù)責(zé)連接底層用電設(shè)備，采集用電設(shè)備的通斷電情況(用電時間、時長、電能消耗記錄)，并將信息上發(fā)到網(wǎng)絡(luò)層同時執(zhí)行應(yīng)用層下發(fā)的指令。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

2.1 智能開關(guān)控制盒的設(shè)計

2.1.1 硬件設(shè)計

NB-IoT智能開關(guān)控制盒主要有：取電電路、電壓電流檢測電力、電池充放電控制電路、NB模組電路、主控CPU，繼電器及驅(qū)動電流。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

取電電路：從市電取電，給智能開關(guān)控制盒提供電源。使用專用的AC-DC電源變換模塊來獲得系統(tǒng)所需的電源，AC-DC電源變換模塊具有體積小，性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單等特點，不足之處就成本稍微偏高。

電壓電流檢測電路：電壓、電流檢測電路主要是監(jiān)測市電電源及每一路開關(guān)在帶負(fù)載時輸出的電流大小。另有電池電壓的采樣電路，在設(shè)計上主要采用分立元器件實現(xiàn)，難點是市電電壓的隔離采樣。

電池充放電電路：該電路實現(xiàn)了完成充電時自動切斷充電，防止過充，也防止電池過放，這部分功能是利用硬件電路輔助軟件加以實現(xiàn)。

通過實際施工 （理論計算工程量相同施工渠段74+660～75+095段），可將強夯法、翻壓法、素土擠密樁法進行綜合對比，如表1。

NB模組電路：NB模組采用目前市面上通用的支持電信運營商的模組，包括PCB天線電路部分、SIM卡插槽電路部分。其難點是天線設(shè)計，既要滿足通信信號的最大化，通信質(zhì)量穩(wěn)定，又要保證在有限的結(jié)構(gòu)里面完成。采用將天線設(shè)計在電路板上，PCB天線部分采用雙面鏤空去銅精確計算阻抗的技術(shù)加以實現(xiàn)。

主控CPU:主CPU用的是STM32F103系列芯片，此芯片功能齊全，便于以后做多功能多接口的物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)功能擴展。

繼電器及驅(qū)動電路：繼電器采樣的是磁保持繼電器，關(guān)閉和開啟采用獨立電路驅(qū)動。防止繼電器的誤動作情況出現(xiàn)。

2.1.2 軟件設(shè)計

軟件采用C語言編寫，在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下編譯完成，下載到STM32L4系列芯片中運行。軟件又是智能開關(guān)控制盒的核心所在，實現(xiàn)信息的上傳下達、數(shù)據(jù)存儲記錄、邏輯判斷及動作控制。軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

通信模塊功能：通信功能主要實現(xiàn)的是智能開關(guān)控制端與運營商的NB-IoT平臺進行通信，包括通信模塊的自檢、信號檢測、通信連接的建立、固定協(xié)議的數(shù)據(jù)發(fā)送、通信速率的設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)斷開時的自我發(fā)現(xiàn)與自我重連。只有與平臺建立連接之后才能通過平臺往智能控制端發(fā)送控制指令，并將采集到的數(shù)據(jù)回送到平臺端供應(yīng)用程序讀取、保存、記錄。

能量采集計算模塊功能：此功能是通過采集每一路開關(guān)的輸出電壓、電流數(shù)據(jù)，通過一定的計算算出此路開關(guān)累計功耗及在某些時間段的能量消耗(此計算和記錄放可在用戶程序端進行)。

設(shè)備端管控模塊功能：該功能是獨立控制每一路開關(guān)的通斷，達到控制各用電設(shè)備的目的，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制，可以在無人為干預(yù)的情況下實現(xiàn)自動定時控制。當(dāng)現(xiàn)場進行手動控制時，手動控制優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程自動控制命令。

2.2 基于人體識別的輔助決策控制

在人體識別輔助控制方面，使用“百度智能云”的人流量統(tǒng)計(動態(tài)版)API接口，該接口統(tǒng)計圖像中的人體個數(shù)和流動趨勢，主要適用于以低空俯拍、出入口場景，以人體頭肩為主要識別目標(biāo)[9]，非常適用于本項目中識別場所內(nèi)部是否有人的這個需求。

當(dāng)系統(tǒng)開啟自動控制功能后，房間的所有開關(guān)設(shè)備將交由系統(tǒng)進行智能化控制，通過傳入來自攝像頭的單幀圖像，檢測圖片中的人體頭肩，返回圖像中總?cè)藬?shù)，若人數(shù)為0，則自動向控制盒下發(fā)斷電指令，達到節(jié)能的目的。系統(tǒng)也提供人為的控制手段，可以根據(jù)相應(yīng)的權(quán)限對設(shè)備進行直接操作斷電。此外，對于一些特殊的情況，如某個房間正在進行長時間的科研計算任務(wù)等，可以臨時關(guān)閉自動控制功能。

2.3 控制盒接入天翼云物聯(lián)網(wǎng)平臺

智能開關(guān)控制盒使用LwM2M通信協(xié)議接入中國電信天翼云物聯(lián)網(wǎng)平臺，開關(guān)設(shè)備便可直接在該平臺上進行管理和監(jiān)測。LwM2M(lightweight Machine to Machine)是由OMA(open Mobile Alliance)定義的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要使用在資源受限(包括存儲、功耗等)的NB-IoT終端[10]。LWM2M協(xié)議棧如圖4所示。

LWM2M ObjectsLWM2M ProtocolCoAPDTLSUDPSMS圖4 LWM2M協(xié)議棧

LWM2M把設(shè)備上的服務(wù)抽象為Object和Resource，并在XML文件中定義各種Object的屬性和功能。

LWM2M Objects：每個對象對應(yīng)客戶端的某個特定功能實體。LWM2M規(guī)范定義了標(biāo)準(zhǔn)Objects，比如urn:oma:lwm2m:oma:1；(LWM2M Server Object)、urn:oma:lwm2m:oma:3；(Device Object)，每個object下可以有很多resource。比如Device Object可以有Manufacturer，Model Number等resource。

LWM2M Protocol定義了一些邏輯操作，比如Read、Write、Execute等。

CoAP是IETF定義的Constrained Application Protocol，用來做LWM2M的傳輸層，下層可以是UDP或者SMS，UDP是必須支持的，SMS可選。

DTLS用來保證客戶端和服務(wù)器間的安全性。

2.4 電能統(tǒng)計

根據(jù)智能開關(guān)控制盒的能量計算功能，向天翼物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送脈沖數(shù)據(jù)，平臺記錄這些脈沖數(shù)據(jù)。并用應(yīng)用程序編程語言開發(fā)電能統(tǒng)計的客戶端，按1度電=22560個計數(shù)脈的計算方法，計算得到某路開關(guān)的用電量。結(jié)合樓宇基礎(chǔ)信息的管理，進而實現(xiàn)設(shè)備(或電器)、房間、樓層、樓宇、園區(qū)等細(xì)粒度、多維度的電能統(tǒng)計。

3 測試結(jié)果與分析

通過系統(tǒng)集成，實現(xiàn)基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能開關(guān)控制盒。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上，充分考慮了安裝便捷性和成本節(jié)約性等要素。智能開關(guān)能完全安裝在現(xiàn)有的開關(guān)機插座面板的強電盒子里。安裝時只要把現(xiàn)有開關(guān)或插座面板里面的強電220V電源連接到智能開關(guān)電路板的電源輸入端，電路板的輸出端與照明燈、插座面板或用電設(shè)備相連接即可，無需進行任何土建的施工改造等過程，降低了安裝的難度，節(jié)約部署成本，便于樓宇智能化改造升級。產(chǎn)品實物及安裝示意圖如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品實物及安裝示意圖

為了測試系統(tǒng)的運行情況，選取了4個代表性的測試場景，包括辦公室、教室、會議室等類型，如圖6所示。攝像頭采用的是海康威視的DS-IPC-T12-I，該產(chǎn)品支持日夜轉(zhuǎn)換模式，最大對角線視場角：135.6度，適用于公共機構(gòu)內(nèi)部場所的人體檢測使用場景。四個場景的人體識別輔助控制測試結(jié)果如表1所示。

(a)辦公室場景(b)人員較多的教室場景(c)人員較少的教室場景(d)無人的場景圖6 測試場景

表1 人體識別輔助控制測試結(jié)果

從人體識別輔助控制測試結(jié)果來看，對于確實無人的房間(場景d)，其識別結(jié)果是準(zhǔn)確的，而對于有人的房間，如果人員較少(場景a)，也能較準(zhǔn)確識別，如果人員比較多且個體在圖像中有重疊現(xiàn)象的(場景b、c)，就存在識別不準(zhǔn)確的情況，但這并不影響系統(tǒng)判斷斷電的執(zhí)行，因為系統(tǒng)是根據(jù)場景中有無人體來進行是否斷電決策的。

電能統(tǒng)計的客戶端測試結(jié)果如圖7所示。該客戶端基于Java語言實現(xiàn)，樓宇基礎(chǔ)信息的管理，實現(xiàn)了設(shè)備(或電器)、房間、樓層、樓宇、園區(qū)等細(xì)粒度、多維度的電能統(tǒng)計。

圖7 電能統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了智能物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)控制盒的開發(fā)，體積小、易安裝布點、可實現(xiàn)全網(wǎng)通信，可廣泛應(yīng)用于大型公共機構(gòu)或分散場所等用電測控場景。完成了接入“天翼云物聯(lián)網(wǎng)平臺”的系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)，并采集物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)端的狀態(tài)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)，進而可以實現(xiàn)對受控端用電設(shè)備的統(tǒng)一管理、狀態(tài)監(jiān)測、能耗分析，形成了一個智能化的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于校園教室、實驗室、圖書管理、體育館等公共場合的電燈、電風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備的系統(tǒng)性管理。該系統(tǒng)的研究，一方面促進相關(guān)技術(shù)與理論的發(fā)展，另一方面也將促進該系統(tǒng)在公共機構(gòu)的推廣示范，落實國家關(guān)于《公共機構(gòu)節(jié)約能源資源“十三五”規(guī)劃》的相應(yīng)要求，具有良好的市場應(yīng)用前景和社會效應(yīng)。