建筑節(jié)能運行智能控制系統(tǒng)設計研究

吉林建筑科技學院 鄭偉南

建筑能源消耗占全球能源消耗的近40%，因此使建筑的用能水平提高，使其成為節(jié)能型建筑；超低/近零能耗建筑作為節(jié)能建筑的一種高級表現(xiàn)形式，他們的出現(xiàn)以及逐步推廣使用，非常有利于控制碳排放、緩解能源危機和環(huán)境污染。隨著建筑電氣智能化及相關技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能控制系統(tǒng)應用在建筑中，通過節(jié)能控制策略和系統(tǒng)優(yōu)化，有助于建筑的智能節(jié)能運行。

1 控制系統(tǒng)設計

為滿足人類的居住或工作環(huán)境的舒適度，建筑系統(tǒng)需要配備供暖、制冷、照明、電梯、通信子系統(tǒng)以及家用電器設備等，而這些設備的運行必須通過智能控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)節(jié)能運行。智能控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。從功能出發(fā)，硬件系統(tǒng)應包括數(shù)據(jù)采集、控制中樞、通信和執(zhí)行端四個主要部分，軟件系統(tǒng)包括算法的運行以及控制操作界面的設計。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主要部分結(jié)構(gòu)框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)需要采集取暖、新風、空調(diào)和照明等系統(tǒng)相關的運行數(shù)據(jù)，以及如溫度、二氧化碳、濕度、光強度等環(huán)境數(shù)據(jù)，用來給控制策略的設計與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐?？紤]到數(shù)據(jù)采集對象分布距離較遠且數(shù)據(jù)較多，因此采用基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)的全面感知、智能化以及網(wǎng)絡化程度逐漸提升，此系統(tǒng)就所用物聯(lián)網(wǎng)的多功能傳感芯片和元器件、感知信息融合處理、嵌入式傳感系統(tǒng)。

（1）電量參數(shù)采集

本系統(tǒng)中選用安科瑞公司生產(chǎn)的DDSD1352多功能儀表采集有功電能、無功電能、三相電壓、三相電流、頻率、功率因數(shù)等電量參數(shù)，該儀表具有電能脈沖輸出功能，可通過RS485通訊接口與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。輸入電壓單相為AC220V；輸入電流為10（60）A，使用時采用DIN35mm導軌直接安裝即可。

（2）室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集

溫濕度的采集選取高精度溫濕度傳感器DHT11，它的溫濕度測量范圍分別為0～50℃和20%～95%RH，適用于建筑物內(nèi)環(huán)境溫濕度的測量，供電電壓為DC3.3～5.5V，與系統(tǒng)電源匹配，不用單獨設置電源，使用方便。該芯片包含電源正、電源地、串行數(shù)據(jù)和一個串行時鐘輸入共4個引腳，使用時需要在兩個電源引腳之間設置濾波電容。光強度采集選擇維芯品牌的GY-485-44009型高精度傳感模塊，P5，P6引腳為數(shù)據(jù)傳輸引腳，該模塊連接接口為串口，由于系統(tǒng)采用RS485通信，因此使用時需要借助USB轉(zhuǎn)458模塊。選用費加羅TGS813傳感器檢測可燃氣體；用T6613-2K T6613-5K美國GE紅外氣體傳感器檢測二氧化碳。

1.2 通信模塊

選用ZigBee模塊設計通信部分，當在模塊中運行不同軟件程序時可使模塊具有協(xié)調(diào)器功能或節(jié)點功能。具有模擬輸入、數(shù)字輸入、繼電器控制以及RS485接口。該模塊自帶電源以收發(fā)芯片CC2530和功放芯片RFX2401為核心。通過編程接口加載節(jié)點的控制程序；通過功能接口完成系統(tǒng)參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的采集及控制輸出；通過485接口完成相關的數(shù)據(jù)傳遞任務。使用時模擬量和數(shù)字量通過CC2530的P04TX、P05RX、P06和P07引腳輸入；當所接傳感器為電壓型時，電阻R1-R5以及電容C2不焊接；當傳感器為電流型時，電阻R2、R3以及電容C7不焊接。

1.3 控制中樞

控制中樞是整個系統(tǒng)的核心，負責確保各子系統(tǒng)的功能正常運行，然后將各子模塊與主控單元聯(lián)調(diào)融合；需要處理來自數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略算法，通過軟件不斷調(diào)試優(yōu)化系統(tǒng)的功能。包括上位機控制端和現(xiàn)場控制器兩個層次。

（1）上位機

上位機終端選擇工控機，系統(tǒng)軟件以終端設備為承載平臺，負責控制策略表達，用組態(tài)軟件設計監(jiān)控界面，需要能夠?qū)ㄖ?nèi)各監(jiān)測對象運行進行監(jiān)測并將實時狀態(tài)直觀展現(xiàn)出來；還需要以采集到的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)對電氣設備和窗戶、窗簾等設備進行開關控制。具體包括建筑內(nèi)空氣質(zhì)量相關參數(shù)的實時數(shù)值顯示以及曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面及報表打印功能、系統(tǒng)故障診斷及相關信息提示界面、報警界面以及權(quán)限設置界面。

（2）現(xiàn)場控制器

主控芯片解析處理數(shù)據(jù)后，通過通信模塊發(fā)送相應的指令到執(zhí)行端各單元的控制。選擇STM32增強型微控制器為核心設計主控單元，根據(jù)系統(tǒng)功能需求確定WLCSP64封裝的有64個引腳的STM32F103R6芯片為主控芯片，成本低、速度快、性價比高，具有優(yōu)先級可編程的中斷系統(tǒng)，同時它還具有64KB的Flash存儲器與20KB的SRAM存儲器，另外還集成了非常的片內(nèi)外設資源豐富，如看門狗、定時器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、I2C接口等。系統(tǒng)時鐘電路選用典型值8MHz的晶振，為降低輸出失真并快速達到穩(wěn)定時間，在設置諧振器和負載電容時應離振蕩器的引腳足夠近。選擇典型值為5pF～25pF之間且具有相同參數(shù)的瓷介電容器為負載電容；反饋電阻值確定為200kΩ，對應的晶體串行阻抗值確定為30Ω。

（3）執(zhí)行端

控制中心的控制指令傳輸給終端設備進而通過控制執(zhí)行器實現(xiàn)相應設備的智能控制。本系統(tǒng)中對窗戶、窗簾、照明設備、空調(diào)設備和報警設備采用繼電器控制，繼電器輸出控制電路，選用歐姆龍繼電器模組，額定電流為16A，30VDC，線圈電壓為12V/24VDC，線圈功率為0.53W/只，支持1-16路輸出，采用DIN導軌安裝方式。

1.4 接口模塊

系統(tǒng)所有模塊的通信協(xié)議均使用了標準Modbus協(xié)議，因此需要設計RS485接口模塊，以MAX3485為電路主控芯片，將PIN1和PIN4分別連接到ZigBee模塊主控芯片的PIN2和PIN3，為了起到過流保護和抑制浪涌電壓的作用，需使用2個自恢復保險絲和3個穩(wěn)壓二極管構(gòu)成保護電路。如果信息傳輸距離超過300m時，需要設置抗干擾電阻。

2 控制策略優(yōu)化

2.1 空調(diào)控制策略

空調(diào)系統(tǒng)是建筑中最大的耗能設備，在夏季主要供冷，在冬季尤其是在沒有集中供熱的南方地區(qū)，空調(diào)是最主要的供熱設備；因此要保證居住舒適性及節(jié)能的環(huán)境控制目標，需要選擇適合的控制策略對空調(diào)系統(tǒng)運行進行智能控制。控制參數(shù)應包含天氣信息、當前室內(nèi)溫濕度信息；若為公共建筑則應加入建筑的正常營業(yè)時間或辦公時間，由此來設定空調(diào)的自動啟停時間點。且記錄室內(nèi)溫濕度及空調(diào)啟停時間，并將其作為控制系統(tǒng)反饋參數(shù)，依此優(yōu)化控制策略。因為室內(nèi)環(huán)境參數(shù)隨時間變化，天氣參數(shù)為隨機值，因此可以考慮基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的模型對空調(diào)能耗進行預測或利用專家系統(tǒng)對空調(diào)運行進行控制。如預測電量消耗信息，則需要室內(nèi)溫度（A）、濕度（H）、人數(shù)（N）和工作時間（T），作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入，輸出定義為每小時的總電量消耗，進而確定網(wǎng)絡的輸入變量X和輸出變量Y分別為：

2.2 照明控制策略

公共建筑的能耗量占比中，照明系統(tǒng)是僅次于空調(diào)系統(tǒng)的第二大能耗使用系統(tǒng)，目前主要通過高能效燈具及智能控制系統(tǒng)的應用實現(xiàn)節(jié)能。對公共建筑來講實行分區(qū)控制、場景控制、智能調(diào)光等能夠達到較好的節(jié)能效果。也可融入“行為節(jié)能”控制參數(shù)，將一些節(jié)能意識轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)程序中的控制策略，如根據(jù)建筑內(nèi)人的工作時間來設定照明設備的自動開啟與關閉，在正常工作時間內(nèi)，若實時檢測到室內(nèi)無人的話，則延時一段時間關閉照明設備。人員的存在情況，若是室內(nèi)無人關閉該區(qū)域的照明設備，這個時間的設定需要根據(jù)照明場所的不同個性化輸入。同時系統(tǒng)中的各類時間參數(shù)可以按需設置，根據(jù)實際情況分區(qū)設定。

結(jié)論：本文以建筑物節(jié)能運行為目的設計了智能控制系統(tǒng)，以STM32系列單片機為核心設計了控制單元，選用DHT11等傳感器采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee無線通信模塊傳輸給主控芯片或上位機，節(jié)能控制策略軟件程序運行后，通過主控單元發(fā)出控制命令給執(zhí)行單元，從而控制各用能設備的開關與啟停，使建筑節(jié)能智能運行，達到低碳環(huán)保的環(huán)境效益。