基于光伏發(fā)電的智能監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳雪嬌，楊文菊，向春艷，薛喜紅

新疆職業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830013

0 引言

目前市面上太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要采用定溫控制，將溫度作為信號(hào)來控制系統(tǒng)的啟停。通常將熱水供應(yīng)的溫度設(shè)為55℃，當(dāng)供熱水箱的溫度低于55℃時(shí)，開啟熱泵循環(huán)泵，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)工作，將供熱水箱中的水加熱，當(dāng)供熱水箱中的水溫超過55℃時(shí)，循環(huán)泵停止運(yùn)行。這無法實(shí)現(xiàn)智能化控制，且太陽(yáng)能系統(tǒng)由于長(zhǎng)期工作在較高的溫度下，造成太陽(yáng)能的保證率較低，系統(tǒng)運(yùn)行效率低下。此外，系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，不能及時(shí)作出響應(yīng)。

1 智能監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)原理

該平臺(tái)通過室外氣象站采集天氣情況數(shù)據(jù)、酒店客戶端采集酒店實(shí)時(shí)客流量數(shù)據(jù)、流量計(jì)采集用戶用水量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集控制器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線發(fā)送給智能監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)接入管理分析平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘后，給出預(yù)測(cè)函數(shù)，并給出改善建議；通過預(yù)測(cè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的智能化控制。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的判斷。當(dāng)系統(tǒng)需要預(yù)警提示時(shí)，不僅是監(jiān)控中心提供預(yù)警信息，系統(tǒng)還可以通過手機(jī)或PC端的推送功能及時(shí)推送預(yù)警提示信息給管理人員，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程決策。

2 智能監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

智能監(jiān)控平臺(tái)主要包括：太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制器、智能監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)、移動(dòng)終端和必要的連接。

太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)、空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)、換熱裝置、熱水儲(chǔ)存裝置、熱水供應(yīng)部分、控制部分。太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、上下循環(huán)管、水泵、儲(chǔ)熱水箱等組成?？諝庠礋岜眉訜嶙酉到y(tǒng)由空氣源熱泵熱水機(jī)組和其他部件組成，包括蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹閥[1]。

數(shù)據(jù)采集控制器由系統(tǒng)主機(jī)和遙控器組成。它負(fù)責(zé)收集室外氣象站監(jiān)測(cè)到的天氣數(shù)據(jù)、酒店客戶端提供入住率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、太陽(yáng)能集熱器溫度、儲(chǔ)熱水箱平均溫度、供熱水溫度及流量數(shù)據(jù)。通過不同的天氣狀況和客人的用水需求對(duì)太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的工作狀態(tài)及時(shí)作出調(diào)整。

主機(jī)為長(zhǎng)方形外殼，主機(jī)正面設(shè)有液晶顯示屏，正面左上角設(shè)有紅外接收器，主機(jī)上面左側(cè)有太陽(yáng)能光伏發(fā)電板，主機(jī)上面右側(cè)有ZigBee天線，主機(jī)右側(cè)面上方有六個(gè)傳感器接口，從上向下依次為傳感器接口a、傳感器接口b、傳感器接口c、傳感器接口d、傳感器接口e、傳感器接口f。液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的太陽(yáng)能集熱器溫度、儲(chǔ)熱水箱平均溫度、供熱水溫度、流量、天氣數(shù)據(jù)和酒店入住率等，但為了節(jié)約用電，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)此液晶顯示屏是熄滅的，只有在通過遙控器接收到屏幕點(diǎn)亮信號(hào)后才點(diǎn)亮，并設(shè)置一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。紅外接收器負(fù)責(zé)接收紅外遙控器的遙控信號(hào)，對(duì)主機(jī)進(jìn)行設(shè)置，并下達(dá)各種操作指令[2]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電板為此裝置的動(dòng)力裝置[3]，負(fù)責(zé)接收太陽(yáng)光發(fā)電，在太陽(yáng)光充足的情況下，此電池板產(chǎn)生的電力供應(yīng)整個(gè)裝置運(yùn)行的同時(shí)，還給裝置內(nèi)部的電池充電，當(dāng)夜晚或陰雨天光照不足時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)由電池供電，由于采用了低功耗設(shè)計(jì)，此太陽(yáng)能光伏發(fā)電板和電池完全可以提供整個(gè)設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，完全不需要鋪設(shè)交流電。ZigBee天線負(fù)責(zé)發(fā)送Zigbee的無線信號(hào)，用于與主機(jī)進(jìn)行通信。四個(gè)傳感器接口用于連接集熱器溫度傳感器、儲(chǔ)熱水箱溫度傳感器、流量計(jì)傳感器及酒店終端數(shù)據(jù)傳感器，這些傳感器接口采用了485總線，可以一個(gè)接口同時(shí)連接多個(gè)傳感器，也可以通過軟件設(shè)置不同傳感器協(xié)議，靈活配置傳感器的連接，不需要某一個(gè)固定傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)固定傳感器接口，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和可用性。主機(jī)采用OMAP3515主板通過串口控制傳輸數(shù)據(jù)給ZigBee模塊，ZigBee模塊通過串口取得傳輸數(shù)據(jù)后，通過射頻電纜傳送無線信號(hào)到ZigBee天線上，ZigBee天線負(fù)責(zé)發(fā)射和接收Z(yǔ)igBee信號(hào)。紅外接收器通過I2C總線連接到OMAP3515主板上，接收來自遙控器的信號(hào)，并傳送給OMAP3515。遙控器有若干按鈕，通過紅外線，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

智能監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和相應(yīng)的酒店監(jiān)控管理系統(tǒng)組成。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee協(xié)議與安裝在酒店現(xiàn)場(chǎng)的ZigBee傳感器通信[4]，接收Z(yǔ)igBee傳感器發(fā)送的太陽(yáng)能集熱器溫度、儲(chǔ)熱水箱平均溫度、供熱水溫度、流量、天氣數(shù)據(jù)和酒店入住率等供服務(wù)器使用。酒店監(jiān)控管理系統(tǒng)按照功能不同分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、智能分析層、用戶應(yīng)用層。物理層由ZigBee無線網(wǎng)卡、4G或5G無線網(wǎng)卡、有線網(wǎng)卡組成。ZigBee無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)接收傳感器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的ZigBee無線數(shù)據(jù)。4G或5G無線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)傳送4G或5G信號(hào)，給遠(yuǎn)端的手機(jī)使用。有線網(wǎng)卡負(fù)責(zé)傳送有線數(shù)據(jù)給水質(zhì)控制主機(jī)。數(shù)據(jù)鏈路層由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析模塊、4G或5G通信協(xié)議解析模塊、有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議解析模塊組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析模塊負(fù)責(zé)解析ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)而獲得傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)[5]。4G或5G通信協(xié)議模塊負(fù)責(zé)解析4G或5G協(xié)議，用于與遠(yuǎn)端的手機(jī)通信。有線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議解析模塊負(fù)責(zé)傳送天氣情況、酒店入住率及用戶用熱水量，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘后，給出預(yù)測(cè)函數(shù)，并給出供熱水改善建議。通過預(yù)測(cè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的智能化控制。智能分析層由數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)端傳感器發(fā)送的太陽(yáng)能集熱器溫度、儲(chǔ)熱水箱平均溫度、供熱水溫度、流量、天氣數(shù)據(jù)和酒店入住率等進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)挖掘模塊通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的積累，給出預(yù)測(cè)函數(shù)，并給出供熱水改善建議。用戶應(yīng)用層由傳感器信息顯示模塊、傳感器信息設(shè)置模塊、報(bào)警模塊、用戶登錄模塊組成。傳感器信息顯示模塊顯示整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中所有傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息，供監(jiān)控人員及時(shí)了解整個(gè)太陽(yáng)能—熱泵熱水系統(tǒng)的狀況。傳感器信息設(shè)置模塊負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)端傳感器進(jìn)行設(shè)置。緊急報(bào)警模塊負(fù)責(zé)報(bào)警，一旦數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘模塊檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常狀況，此模塊會(huì)發(fā)出聲光信號(hào)報(bào)警，同時(shí)此模塊直接與4G或5G通信協(xié)議解析模塊聯(lián)通，可以直接向4G或5G通信協(xié)議解析模塊下達(dá)命令，直接通過4G或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸報(bào)警信息給遠(yuǎn)端的手機(jī)，遠(yuǎn)端手機(jī)收到此報(bào)警信號(hào)后，通過推送消息，提醒手機(jī)監(jiān)控人員。用戶登錄模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)控人員登錄訪問智能監(jiān)控系統(tǒng)。

移動(dòng)終端由Android手機(jī)或平板和APP構(gòu)成。移動(dòng)終端APP按照功能不同分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、用戶應(yīng)用層。物理層由4G或5G的Android手機(jī)的硬件物理層組成，負(fù)責(zé)4G或5G無線通信的接收與發(fā)射。數(shù)據(jù)鏈路層由4G或5G通信協(xié)議解析模塊構(gòu)成，通過APP程序調(diào)用Android手機(jī)內(nèi)的Android操作系統(tǒng)API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)4G或5G 通信協(xié)議解析。用戶應(yīng)用層由用戶登錄模塊、傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊、報(bào)警推送模塊組成[6]。用戶登錄模塊用于連接智能監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)的用戶登錄模塊，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程終端的用戶登錄。傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊用于連接智能監(jiān)控平臺(tái)的傳感器信息顯示模塊，顯示當(dāng)前六個(gè)傳感器采集到的實(shí)時(shí)信息。報(bào)警推送模塊用于接收智能監(jiān)控平臺(tái)中緊急報(bào)警模塊的推送信息，通過推送服務(wù)，將緊急報(bào)警信息通過聲音提示和屏幕顯示給出及時(shí)的提示報(bào)警信息。

3 智能監(jiān)控平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)與效果

（1）本智能監(jiān)控平臺(tái)在數(shù)據(jù)采集端采用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，避免復(fù)雜和高成本地鋪設(shè)信號(hào)線。它避免了發(fā)生特殊狀況，比如停電、傳輸線路損壞、極端惡劣天氣下，傳感器由于沒有供電和傳輸路徑無法發(fā)揮作用、無法將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸回監(jiān)控中心的情況。ZigBee具有網(wǎng)絡(luò)容量大、自組網(wǎng)、發(fā)送方式靈活、雙向通信、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，即使一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生問題也不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)。在供電方面采用光伏發(fā)電和電池結(jié)合，并且采用了低功耗的ZigBee技術(shù)和低功耗的微處理器，無需鋪設(shè)交流電，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，及時(shí)研判系統(tǒng)是否出現(xiàn)異常，并快速作出響應(yīng)。通過有線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送實(shí)時(shí)天氣情況數(shù)據(jù)、酒店客流量數(shù)據(jù)、供熱水量數(shù)據(jù)等提示信息至控制主機(jī)，及時(shí)開啟或關(guān)閉熱泵加熱系統(tǒng)。通過各種移動(dòng)終端，比如手機(jī)、平板，可以通過4G或5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查詢太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。在需要預(yù)警提示時(shí)，不僅是監(jiān)控中心提供預(yù)警信息，系統(tǒng)還可以通過手機(jī)的推送功能及時(shí)推送預(yù)警提示信息給管理人員，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程決策。

（2）本平臺(tái)采用智能控制，改變當(dāng)前太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)單一的溫度控制模式。當(dāng)在白天太陽(yáng)輻射充足的情況下，空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，利用集熱器收集的太陽(yáng)輻照量加熱生活用水并輸送到供熱水箱，為客人提供充足的熱水。當(dāng)太陽(yáng)輻射不足的情況下，如連續(xù)的雨雪天氣或者夜間，此時(shí)太陽(yáng)能集熱子系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)，由空氣源熱泵加熱子系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行為客人提供充足的熱水。本平臺(tái)可根據(jù)天氣狀況和前臺(tái)提供的實(shí)際客流量，迅速對(duì)系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整。在保證客人熱水的充足量的同時(shí)，提高太陽(yáng)能的保證率，為酒店節(jié)省熱水使用成本。根據(jù)不同的條件調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行模式，既做到太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又能滿足使用要求，充分發(fā)揮其節(jié)能減排的作用。

（3）傳感器的數(shù)據(jù)傳輸采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力強(qiáng)，傳輸可靠。采用低功耗設(shè)計(jì)，并使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電板和電池供電，無需鋪設(shè)電纜，易于施工安裝，節(jié)省施工成本。

（4）遠(yuǎn)程智能監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)通過大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的積累，給出預(yù)測(cè)函數(shù)，并給出供熱水改善建議。

（5）移動(dòng)終端通過4G或5G通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，可以使信息及時(shí)傳遞給不在酒店的工作人員，實(shí)現(xiàn)無人值守，降低人工成本，并提高平臺(tái)使用靈活性。

4 結(jié)語(yǔ)

基于酒店的應(yīng)用環(huán)境，節(jié)能環(huán)保是必須關(guān)注的重要因素，結(jié)合傳統(tǒng)的太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的需求和痛點(diǎn)，本文提出了基于光伏發(fā)電的智能監(jiān)控平臺(tái)的解決方案。借助光伏發(fā)電和智能化監(jiān)控，通過對(duì)綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、處理和分析，形成智能決策平臺(tái)?；诠夥l(fā)電的智能監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用，能有效實(shí)現(xiàn)智能化控制，提高太陽(yáng)能保證率，系統(tǒng)運(yùn)行效率得到顯著提升。