基于物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能應(yīng)用研究

奚梅霞，郭 成，江 慶

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.安徽省高速石化有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

自黨的十八大確定以生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展的基調(diào)以來，作為節(jié)能減排三大主戰(zhàn)場之一，交通運(yùn)輸行業(yè)自上而下地開展了一系列綠色低碳發(fā)展的行動(dòng)。服務(wù)區(qū)加油站作為高速公路附屬工程的一部分，且基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是服務(wù)區(qū)的組成根基，只有保證服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施處于節(jié)能、低碳的狀態(tài)，才能使得服務(wù)區(qū)具有綠色化屬性[1]。目前，大多數(shù)服務(wù)區(qū)加油站仍然采用傳統(tǒng)的用電方式，容易造成能源浪費(fèi)[2-3]。在此背景下，本文圍繞高速公路服務(wù)區(qū)加油站的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析，以合安高速公路為背景，對(duì)合安高速公路服務(wù)區(qū)加油站營業(yè)用房節(jié)能現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，在現(xiàn)有學(xué)者對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)夾芯板力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上[4]，將GFRP方管增強(qiáng)型夾芯保溫板用于節(jié)能型營業(yè)用房上。通過采用ZigBee無線通信技術(shù)[5]設(shè)計(jì)了一種服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能控制系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)把分散式管理改為集中運(yùn)營管理，用LabVIEW作為上位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場控制，Wifi連接至OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能技術(shù)應(yīng)用分析

電能的消耗是高速公路服務(wù)區(qū)加油站最主要的能耗來源，因此對(duì)電能的流動(dòng)進(jìn)行研究至關(guān)重要。首先是電能的產(chǎn)生，別的形式的能量通過一定的手段和設(shè)備產(chǎn)生為電能；產(chǎn)生的電能由發(fā)電廠或電源從某處輸送到另一處即為電能的輸送；電能輸送過程中使電能轉(zhuǎn)化為需要的能量形式實(shí)現(xiàn)電能的消耗。

對(duì)上述3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，尋找可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的方式。在電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)，通過采用太陽能和循環(huán)能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能；在電能輸送環(huán)節(jié)，通過減少電能在傳輸過程中的損耗，使電能最大限度地用于負(fù)載；在電能消耗環(huán)節(jié)，在滿足負(fù)載功能的前提下減少能耗。根據(jù)以上分析，節(jié)能技術(shù)可以分為以下4類。

(1)新能源應(yīng)用技術(shù)。采用各類可循環(huán)能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)電能，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，而且迎合了當(dāng)今社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視性。新能源主要包括光能和風(fēng)能，光能通過光生伏特效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能，而風(fēng)能則先轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能再轉(zhuǎn)換為電能。

(2)電能傳輸節(jié)能技術(shù)。由于用電設(shè)備的增多容易導(dǎo)致配電線路中出現(xiàn)大量無功滯后電流，不僅降低了電線路的使用功率，而且在線路中造成了大量電力資源的浪費(fèi)。用于高速公路的配電系統(tǒng)是低壓系統(tǒng)，通過對(duì)配電線路進(jìn)行改善，應(yīng)用穩(wěn)壓濾波補(bǔ)償技術(shù)降低無用功率以及變壓技術(shù)降低變壓器損耗，均可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的節(jié)能。

(3)新型節(jié)能設(shè)備應(yīng)用技術(shù)。采用新型的節(jié)能設(shè)備取代原有的傳統(tǒng)設(shè)施，可以降低負(fù)載的能源損耗。目前，主流的新型照明設(shè)備有LED照明、熒光燈照明和離子燈照明。LED燈通過半導(dǎo)體發(fā)光材料將電能轉(zhuǎn)化為光能，耗能較少；熒光燈利用高頻電壓在密閉空間建立磁場電離該空間內(nèi)的氣體，產(chǎn)生的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光；離子燈照明技術(shù)主要通過磁效應(yīng)產(chǎn)生的微波將氣體變?yōu)楦邏海邏合碌牧蚍垭x子態(tài)發(fā)光。

(4)節(jié)能控制技術(shù)。節(jié)能控制技術(shù)使用多項(xiàng)控制策略實(shí)現(xiàn)加油站的節(jié)能。例如，一方面，可在低交通量的條件下通過安裝車輛感應(yīng)裝置在車輛進(jìn)入加油站時(shí)開啟照明，車輛駛出加油站時(shí)關(guān)閉照明來實(shí)現(xiàn)節(jié)能；另一方面，通過LED燈的無極調(diào)光技術(shù)對(duì)照明功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足使用的前提下降低燈的亮度，以此類似，對(duì)空調(diào)等設(shè)備也可采用無極調(diào)控，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 服務(wù)區(qū)加油站用房節(jié)能技術(shù)研究

本文通過對(duì)合安高速公路輔助用房進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，了解其建筑節(jié)能現(xiàn)狀，總結(jié)其在節(jié)能方面存在的問題。通過對(duì)GFRP夾芯保溫板的傳熱性能進(jìn)行研究，一定程度上為促進(jìn)復(fù)合材料在建筑節(jié)能方面的運(yùn)用提出了解決方案，推動(dòng)了高速公路服務(wù)區(qū)加油站用房的節(jié)能改造工作，為相似地區(qū)高速公路輔助用房的新建和節(jié)能改造提供了一定的借鑒作用。

2.1 服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能存在的問題

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，合安高速沿線輔助用房在節(jié)能方面存在如下的問題：

(1)絕大多數(shù)用房的保溫性能較差，需要進(jìn)行節(jié)能改造。

(2)對(duì)新能源的利用較少，依舊是傳統(tǒng)的用電方式，耗能大、節(jié)能空間大，對(duì)太陽能、風(fēng)能等循環(huán)能源的利用應(yīng)跟上時(shí)代的步伐。

(3)對(duì)于一些建筑面積較大的用房，空調(diào)設(shè)施還較為老舊，達(dá)不到供暖的效果，還消耗了大量的電能，需要合理選用節(jié)能型的空調(diào)設(shè)備，降低能耗。

(4)考慮員工用電習(xí)慣和公司用電管理情況，可對(duì)用房進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)并對(duì)其室內(nèi)冷熱舒適性展開研究。

2.2 節(jié)能型房屋保溫性能研究

GFRP是由合成樹脂和玻璃纖維經(jīng)復(fù)合工藝制作而成的一種功能型新型材料，耐腐蝕性能好、介電性能好、熱性能良好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、工藝性優(yōu)良、用途廣泛，良好的熱性能可以用于保溫材料的制作，解決現(xiàn)有房屋保溫性能不佳的問題。

GFRP方管增強(qiáng)型夾芯保溫板由上面板、方管、保溫填充材料和下面板組成。除方管外均為GFRP材料構(gòu)成，GFRP材料具有較好的承載能力，滿足結(jié)構(gòu)的需求，如圖1所示。

圖1 GFRP方管增強(qiáng)型夾芯保溫板

對(duì)于高速公路服務(wù)區(qū)加油站用房來說，由于散熱問題消耗了大量的電能，將GFRP方管增強(qiáng)型夾芯保溫板運(yùn)用到服務(wù)區(qū)加油站用房對(duì)節(jié)能具有重大的意義。

3 基于ZigBee的服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能控制系統(tǒng)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展在智能家居領(lǐng)域發(fā)揮了極大的作用。服務(wù)區(qū)加油站屬于特殊服務(wù)場所，人員流動(dòng)大，耗電量高，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)加油站的智能控制與智能家居有異曲同工之妙。針對(duì)服務(wù)區(qū)加油站人員雜、耗能多、節(jié)能空間大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)用電系統(tǒng)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)對(duì)節(jié)能的需求。本文采用ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種服務(wù)區(qū)加油站節(jié)能控制系統(tǒng)，用LabVIEW作為上位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場控制，Wifi連接至OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，最終實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

該節(jié)能照明控制系統(tǒng)策略可分為3種工作模式：白天模式、夜間繁忙模式和夜間智能模式。通過光照傳感器確定當(dāng)前光照強(qiáng)度分辨白天和夜間，根據(jù)《中國石化加油站照明設(shè)計(jì)及燈具標(biāo)準(zhǔn)手冊》可知加油站的平均照度國家標(biāo)準(zhǔn)值(見表1)，控制PWM的輸出值。LabVIEW作為上位機(jī)通過RS232串口與ZigBee進(jìn)行通信，并利用Wifi將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)。

表1 加油站照明國家標(biāo)準(zhǔn)

該節(jié)能照明控制系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)、繼電器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)顯示模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，主要采集光照數(shù)據(jù)以及有無人員情況；繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)控制模塊，主要對(duì)燈光進(jìn)行控制；數(shù)據(jù)顯示模塊則由現(xiàn)場顯示控制的LabVIEW界面以及遠(yuǎn)程顯示控制的OneNET云平臺(tái)界面構(gòu)成。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊作為數(shù)據(jù)處理模塊，通過無線通信與ZigBee終端進(jìn)行連接。終端模塊通過I/O口連接多個(gè)傳感器構(gòu)成傳感器監(jiān)測系統(tǒng)；連接多個(gè)繼電器構(gòu)成繼電器控制系統(tǒng)。終端節(jié)點(diǎn)將自己的物理地址發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊即ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過RS232串口連接由LabVIEW編程的人機(jī)交互界面上傳終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和物理地址；通過Wifi模塊連接OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Web的遠(yuǎn)程訪問。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)核心芯片采用的是目前使用最廣泛的CC2530芯片[6-7]，該芯片共含40個(gè)引腳，支持ZigBee底層協(xié)議，硬件模塊傳輸距離可達(dá)1～100 m。

傳感器監(jiān)測系統(tǒng)采集人體的移動(dòng)信號(hào)以及光照數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。芯片P0.6管腳接人體紅外傳感器，芯片P0.5管腳接光照傳感器，P0.7管腳接溫濕度傳感器，除此之外，傳感器另兩個(gè)管腳分別接3.3 V電壓和地，原理圖如圖3所示。

圖3 傳感器接線原理圖

繼電器控制系統(tǒng)采用1路光耦隔離繼電器，IN1管腳接芯片P0.4口，高電平時(shí)二極管截止，繼電器斷開；低電平時(shí)二極管導(dǎo)通，經(jīng)集電極電壓放大導(dǎo)通下個(gè)二極管，繼電器吸合，由此控制照明燈的開關(guān)和模擬空調(diào)的控制。

傳感器模塊和繼電器模塊連接終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)利用無線接收器與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并通過RS485串口模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，由此構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 整體硬件結(jié)構(gòu)

3.2 硬件通信協(xié)議

各無線通信模塊通過通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，串口通信協(xié)議為用戶提供了控制各模塊的途徑，具體硬件通訊協(xié)議如下所述。

3.2.1 查詢終端通信協(xié)議

上位機(jī)通過發(fā)送一個(gè)6字節(jié)的字符串給ZigBee模塊查詢終端傳感器的數(shù)據(jù)，具體幀格式如表2所示。

表2 查詢終端幀格式

其中規(guī)定幀頭為3A，幀尾為23，地址在ZigBee軟件編寫程序IAR中設(shè)定為000x，若查詢所有終端傳感器數(shù)據(jù)則地址為00FF，校驗(yàn)碼自動(dòng)生成，用于檢測該組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，各功能碼功能如表3所示。

ZigBee模塊收到此字符串，會(huì)響應(yīng)一個(gè)多字節(jié)字符串給上位機(jī)，將查詢數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。具體幀格式如表4所示。

幀頭幀尾如上所述，響應(yīng)數(shù)據(jù)若查詢的是終端燈的狀態(tài)，則00代表燈滅，01代表燈亮，如空調(diào)；若查詢光照傳感器數(shù)據(jù)得到的是一個(gè)16進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換后即可得到當(dāng)前光照強(qiáng)度，如溫濕度傳感器。

3.2.2 控制終端通信協(xié)議

控制協(xié)議與查詢協(xié)議類似，控制終端通信協(xié)議首先通過上位機(jī)向ZigBee模塊發(fā)送一個(gè)多字節(jié)字符串，若控制所有終端，則地址為FFFF。具體幀格式如表5所示。

ZigBee模塊收到后響應(yīng)一個(gè)5字符串并執(zhí)行相關(guān)操作，幀格式如表6所示。

表3 查詢終端功能碼

表4 查詢響應(yīng)幀格式

表5 控制終端幀格式

表6 控制終端響應(yīng)幀格式

其中：功能碼0A表示控制終端上燈的狀態(tài)，01代表點(diǎn)亮，00代表熄滅；0B表示控制終端上空調(diào)的狀態(tài)，01代表開啟，00代表關(guān)閉。

3.3 程序設(shè)計(jì)

3.3.1 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

首先對(duì)系統(tǒng)的登錄界面程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為登錄驗(yàn)證和登錄兩部分。

登錄驗(yàn)證子VI的主要作用是驗(yàn)證用戶名與密碼是否正確，經(jīng)過條件結(jié)構(gòu)的判斷，并用于下一步登錄程序的編寫。

登錄界面中若用戶名和密碼驗(yàn)證成功，當(dāng)?shù)卿浿蹈淖?，通過應(yīng)用程序目錄創(chuàng)建主VI，通過VI引用函數(shù)和調(diào)用節(jié)點(diǎn)打開并運(yùn)行主函數(shù)前面板，同時(shí)利用VI服務(wù)器和調(diào)用節(jié)點(diǎn)關(guān)閉本VI的前面板實(shí)現(xiàn)從登錄子VI到主VI的轉(zhuǎn)換。登錄界面如圖5所示。

圖5 登錄界面前面板和程序框

主程序通過設(shè)置一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。狀態(tài)機(jī)分為7個(gè)狀態(tài)，分別是初始化、等待、發(fā)送數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、控制和退出。初始化主要將各項(xiàng)數(shù)據(jù)設(shè)置為初始狀態(tài)，其中將串口波特率初始狀態(tài)設(shè)置為38 400 bps。

等待模塊對(duì)串口配置進(jìn)行設(shè)置。若按下打開串口按鈕，利用VISA配置串口節(jié)點(diǎn)對(duì)I/O口進(jìn)行選擇，設(shè)置初始波特率為38 400 bps，數(shù)據(jù)比特、奇偶性等設(shè)為默認(rèn)值。若串口狀態(tài)為開，則進(jìn)入狀態(tài)機(jī)下一狀態(tài)，否則跳出消息框“打開失敗，檢查連接”。具體程序框如圖6所示。

圖6 串口程序框

LabVIEW發(fā)送數(shù)據(jù)模塊通過VISA寫入節(jié)點(diǎn)選擇串口并寫入該字符串，如圖7所示。

LabVIEW數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，通過截取字符串和強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換將多字符的16進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為整數(shù)并分別定義為溫度、濕度、光照強(qiáng)度和人體紅外傳感器檢測的狀態(tài)，如圖8所示。

LabVIEW中通過條件結(jié)構(gòu)和VISA寫入，當(dāng)打開燈或空調(diào)按鈕時(shí)串口中寫入相應(yīng)的打開燈或空調(diào)的字符串，關(guān)閉同理可得，如圖9所示。

退出模塊將打開的串口利用VISA關(guān)閉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)閉，并將整個(gè)程序退出循環(huán)。

圖7 VISA寫入介紹及發(fā)送數(shù)據(jù)程序框

圖8 數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)程序框

圖9 控制節(jié)點(diǎn)程序框

基于以上程序框圖的設(shè)計(jì)，可得圖10所示的加油站節(jié)能控制系統(tǒng)上位機(jī)界面。在該界面進(jìn)行串口、波特率的選擇實(shí)現(xiàn)打開串口、采集溫濕度和光照強(qiáng)度，控制燈、空調(diào)的開關(guān)以及退出程序等操作，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

3.3.2 OneNET云平臺(tái)程序設(shè)計(jì)

通過在OneNET云平臺(tái)網(wǎng)站上添加設(shè)備，獲得設(shè)備ID等信息，在ZigBee程序中添加相關(guān)的信息即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。主要界面如圖11所示。

圖10 加油站節(jié)能系統(tǒng)前面板

圖11 OneNET云平臺(tái)界面

根據(jù)服務(wù)區(qū)加油站的節(jié)能要求，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)、繼電器節(jié)點(diǎn)、模糊控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊構(gòu)成，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊作為數(shù)據(jù)處理模塊，通過無線通信與ZigBee終端進(jìn)行連接。終端模塊通過I/O口連接多個(gè)傳感器構(gòu)成傳感器監(jiān)測系統(tǒng)；連接多個(gè)繼電器構(gòu)成繼電器控制系統(tǒng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊即ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過串口連接由LabVIEW編程的人機(jī)交互界面；通過Wifi模塊連接OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)Web的遠(yuǎn)程訪問而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

該系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，主要采集溫濕度數(shù)據(jù)、光照數(shù)據(jù)以及有無人員情況；繼電器控制系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)控制模塊，主要對(duì)燈光和空調(diào)進(jìn)行控制；對(duì)于數(shù)據(jù)顯示模塊則由現(xiàn)場顯示控制的LabVIEW界面以及遠(yuǎn)程顯示控制的OneNET云平臺(tái)界面構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)滿足節(jié)能的要求。

4 結(jié)語

本次研究完成了對(duì)電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，對(duì)于面向需求的電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能應(yīng)用研究做了一些工作。服務(wù)區(qū)加油站作為服務(wù)區(qū)配套工程，其電氣設(shè)備的安全性更復(fù)雜，作為特殊用電設(shè)備這次研究未涉及。本系統(tǒng)只是利用電氣設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)提出了一種節(jié)能控制方式，部分內(nèi)容需要進(jìn)一步開展后續(xù)研究。

(1)隨著節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有更多先進(jìn)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于高速公路運(yùn)營管理之中，因此應(yīng)持續(xù)密切跟蹤適用的節(jié)能技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。

(2)節(jié)能技術(shù)效果評(píng)價(jià)的研究中可增加經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益指標(biāo)，利用節(jié)能量、成本控制和社會(huì)影響等多因素去評(píng)價(jià)節(jié)能項(xiàng)目的實(shí)施效果。

本次研究以高速公路服務(wù)區(qū)加油站為研究對(duì)象進(jìn)行節(jié)能技術(shù)應(yīng)用，最終研究目的是將相應(yīng)的節(jié)能技術(shù)推廣使用到高速公路服務(wù)區(qū)加油站上，對(duì)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的分析與研究。