基于物联网高校智慧教学楼节电管理系统设计

唐　敏，夏启寿

基于物联网高校智慧教学楼节电管理系统设计

唐敏1，夏启寿2

（1.安徽邮电职业技术学院计算机系，安徽合肥230031；2.池州学院数学与计算机科学院，安徽池州247000）

针对当前电能浪费比较严重现象，设计一个有效的建筑节能用电管理方案，利用ZigBee技术与wifi技术联合应用分层模型设计用电管理系统方案，进行低功耗设计并对常用的时钟同步算法进行了研究比较，该方案为建筑用电管理提供了参考依据。

智能建筑；ZigBee；节能；低功耗

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.010

在2015年9月7日-10日，中国能源峰会在中国国际展览中心（新馆）举办了节能环保大会。展会主题为“节能”和“环保”，节能与环保，贯穿于生产生活过程中的每一个环节，节能减排、低碳绿色发展，已成为维持国计民生的能源产业可持续发展的关键。

目前，制约我国经济发展的两大瓶颈是：环境问题和能源问题，能源利用率如何有效提高从而实现节能减排已提上日程。在所有的能源当中，电能是最主要的能源之一，经济的快速增长及人民生活水平的不断提高，使人们对电能的需求日益增加，而发电过程带来的环境污染和用电过程中的电能浪费问题越来越突出。电能消耗当中建筑电能消耗占居较大的比例，尤其是电能浪费问题较严重［1］，研究有效的建筑节能用电方案迫在眉睫。

1　智能建筑

中国目前依据的《智能建筑设计标准》（GB/ T50314-2006）是自2007年7月1日开始实施的，其中定义智能建筑（IB，intelligent building）为：“以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境”［2］。

当前研究智能建筑能耗管控尤为重要，智能建筑的能耗实时监测及节能方案设计是以对智能建筑所处环境进行实时监测为基础的，以便及时了解建筑内的环境状况及能源的消耗情况。将采集到的建筑内房间的温度、湿度及电量等信息进行统计、及时上报，从而实现对建筑能耗的在线监测和动态统计［3］，为上层决策提供有效数据支持。

本文提出的一种基于物联网技术分层式智能教学楼用电管理系统设计方案，可以及时有效的采集到教室中的温度、湿度、光照等信息，为管理提供有效的数据信息，并进行合理的决策与判断。

2　智能教学楼用电管理系统规划与设计

2.1智能教学楼基础网络规划与设计

本文是以某高校教学楼为例进行系统的规划与设计，教学楼是学院重要场所，教学楼的网络系统总体设计目标应最大限度满足授课、教学、远程教学、多媒体教学等应用系统的需求；同时，网络系统总体设计还要满足教师教学活动及研究时吸收最新知识、教师进行学术交流和创新活动的需要；最后还要满足教务管理以及开展多种业务活动的需要。网络系统总体设计要做到模块化、简单化，这样即可以节省资金投入，又方便网络的管理与升级。

某高校校园网服务器架设在实训楼，楼与楼之间以千兆光缆连接。通过校园网域防火墙连接到Internet，具有安全保密、域名解析以及基本的Internet服务功能，如WWW、FTP、BBS等。总体网络拓扑结构为混合型，有两个百兆的出口，核心层采用双星型结构，并采用VRRP技术大大的提高了整个网络的可靠性，汇聚层及接入层有星型也有树型结构，总体称之为混合型，目前中型企业与大型企业大多采用混合型或半网状型拓扑结构，全网状结构只是理想化的拓扑结构并不适合实际应用。

某高校教学楼是带天井的环形教学楼，该幢教学楼一共有五层，二层以上全为教室，教师办公室都在一楼，一楼以上的信息点不多，所以从管理及布线成本考虑，选择一楼中心位置，学生会办公室部署两个汇聚层交换机，再通过双胶线连接到各个办公室的接入层交换机。

新添加的用电管理系统控制中心也部署在一楼学生会办公室，在不增加有线的方式下采用无线ZigBee与wifi技术对教学楼进行全覆盖，对图形、图像、语音、视频等数据传输效果较好，从而使教学、科研、管理等应用系统能够平滑高效地运行在校园网上。整个网络设计具有高速、安全、可靠、开放及易于管理的特点。

2.2智能教学楼用电管理系统设计

本文提出一种以ZigBee技术与WiFi技术联合应用分层模型节电管理系统设计方案，系统拓扑图如下图1所示：在上述原有网络方案基础上，不再增加有线方式，而是采用无线方式，无线传感网络克服了有线网络的缺点，其部署节点方便、无需布线、网络维护简单，大大降低解决方案的成本。每层楼无线传感网采用簇型（树型）结构，ZigBee终端节点将温度、湿度，光照等传感器收集到的数据直接或者通过跟器节点传输到ZigBee协议调模块，为了防止楼层之间信号的相互干扰，为每层的ZigBee网络设置不同的信道。每层的汇聚点（网关）将数据通过无线WiFi传输到服务器，手机也可以通过WiFi连接到服务器上，可以进行实时控制。

本系统中的网关至关重要，其主要用于信息汇聚和传输，具备ZigBee和WiFi两种通信标准接口，在ZigBee网络中网关充当协调器节点功能，在WiFi网络中网关充当终端节点，终端节点通过无线AP将底层数据上传至服务器。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低复杂度、自组织、低功耗、低成本的无线通信技术，主要应用于近距离无线连接，有自己的通信标准，其工作频段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz频段共有16个信道，通信速率为250kbps；在915MHz频段共有10个信道，通信速率为40kbps；在868MHz频段有1个信道，通信速率为20kbps。现在国内主要使用2.4GHz的工作频段。ZigBee有三种网络拓扑结构：星型结构、网状结构和簇状结构［4］。ZigBee无线网络中有三种常用的设备类型：ZigBee协调器节点，是一个ZigBee网络的建立者与管理者；Zig-Bee路由器节点在网络中相当于中继设备，能够将终端节点采集的数据发送给协调器节点，一个Zig-Bee无线传感器网络可以有若干个路由器节点；ZigBee终端节点是无线传感器网的数据采集者，并通过路由节点将所采集到的数据传送出去，一个ZigBee网络可以有多个ZigBee终端节点。

图1　智能教学楼节电管理系统拓扑图

3　基于ZigBee节电型智能教学楼用电管理系统的低功耗研究

对于ZigBee无线传感器网络系统的低功耗和可靠性研究一般分为：ZigBee无线传感器网络系统硬件性能研究与ZigBee无线传感器网络软件性能研究两个方面。

3.1低功耗的组网设计

3.1.1硬件低功耗设计方法

（1）选择低工作电压的芯片［5］。网络内的节点功耗受芯片的工作电压影响非常明显，所以设计过程中，在保证设备能够正常工作的前提下选择工作电压低的芯片会使整个系统的功耗降低。本设计方案中采用的是CC2530芯片，是一个真正的片上系统（SOC）解决方案，除了能够在很低功耗下进行正常的工作，还可以工作在休眠模式下，输出电压为2V-3.6V。CC2530芯片低功耗工作模式如表1所示：

表1　CC2530芯片低功耗工作模式

（2）合理的印制电路板（PCB）设计［6］。网络内节点设备的PCB中存在着大量的COMS芯片，尤其是IC芯片CC2530，当芯片中的空余引脚处于悬空状态时，在芯片工作过程通常出现管脚的瞬时短路现象，从而产生短路功耗，造成电能损耗。本系统采用的CC2530芯片进行了合理的接地设置，有效的降低了PCB的功耗，并提高PCB的稳定性。CC2530芯片引脚如下图2所示，其中芯片的GND1、GND2、GND3、GND4引脚空闲，将这个4个引脚进行接地设置。

3.1.2软件低功耗设计方法

（1）在数据发送过程中尽量减少通信模块数据帧的大小，以期减少数据流量，降低通信模块的能耗。例如：在采集数据终端设备上进行初始化处理，尽量减少数据帧的长度，只发送有效数据，以便减少网络的数据流量从降低能量消耗；增加数据发送的时间间隔，在满足功能的基础上减少发送数据的频率，也可以有效的降低能耗；另外对数据丢失和重传机制进行合理的设置，也可以有效的降低整个网络的能耗。

（2）在ZigBee无线传感器网络采用增加模块的休眠时间，现在休眠的研究主要是针对终端节点进行，路由器节点的休眠很少涉及，现采用路由与终端节点同步休眠的策略，使路由器节点休眠节省的能耗大于唤醒路由器节点重建网络的能耗，整体上达到减少整个网络的能耗。

3.2混合型时钟同步算法设计

ZigBee低功耗时钟同步算法，当前较为成熟的时钟同步算法主要有三大类［7］：TPSN算法［8］，是属于发送者与接收者成对出现的、全网的、双向的同步机制的算法；RBS算法［9］，是基于接收者与接收者的时钟同步算法；DMTS算法［10］，是基于发送者与接收者的单向时钟同步算法。对三种常用的算法从不同方面进行了比较如下表2所示。

本文设计的基于ZigBee与WiFi层次模型的节能型用电管理系统结合了TPSN与DMTS两种算法的特点，将同步过程分为两个阶段。第一阶段，协调器节点与路由器节点之间的同步采用TPSN算法，作为网络根结点的协调器广播同步数据包，其第一子层的路由器节点接收同步数据包并成功同步后，接着第一子层的路由器与其孩子路由器再次进行同步，直到最末层的路由器与其父辈路由器节点成功同步，整个网络的第一阶段时钟同步成功，在第一阶段可以采用多次同步的方法来提高同步的准确性；第二阶段，路由器节点与终端节点之间的同步采用DMTS算法，当第一阶段同步成功后，路由器节点发送同步数据包，终端节点收到相应的信息后，通过修改本地的时间达到时钟同步，至此整个网络时钟同步成功。

表2　TPSN算法、RBS算法、DMTS算法比较

4　结束语

本文提出的这种基于物联网技术分层式智能教学楼用电管理系统设计方案，可以及时有效的采集到教室中的温度、湿度、光照等信息，并通过无线网络上传至服务器及手机终端设备，及时有效的为管理者数据信息，以便决策者进行合理的决策与判断。该方案为智能建筑节能管理提供了有效的参考，具有较强的社会意义及价值。

［1］赵乾.基于物联网的建筑智能用电系统设计与实现［D］.济南：山东建筑大学，2014.

［2］GB/T50314-2006，智能建筑设计标准［S］.

［3］李中民.我国物联网发展现状及策略［J］.计算机时代，2011（3）：13-15.

［4］唐敏.基于ZigBee无线传感器网络数据采集系统设计与开发［J］.电脑知识与技术，2015，11（14）：42-44.

［5］Han J，Choi C-S，Lee I.More efficient home energy management system based on ZigBee communication and infrared remote controls［J］.IEEE Trans Consum Electron，2011，57（1）：85-89.

［6］代成斌.低功耗高可靠ZigBee组网研究［D］.广州：广东工业大学，2014.

［7］赵楚.基于ZigBee的无线传感器网络能耗监测系统的设计与实现［D］.沈阳：沈阳师范大学，2012.

［8］徐世武，王平等.基于ZigBee节点的按需时间同步算法［J］.信息与电子工程，2011，9（5）：541-545.

［9］谢琦，刘兰涛，弋俊超.用于ZigBee网络的同步休眠与唤醒算法［J］.计算机应用，2010，6（S1）：12-14.

［10］周书民，周建勇，等.无线传感网络中时钟同步的研究［J］.电子技术应用，2006（9）：24-26.

［责任编辑：桂传友］

TP399

A

1674-1102（2015）06-0030-03

2015-10-19

安徽省高校自然科学研究项目（KJ2015A290）；池州学院自然科学研究项目（2013ZRZ008）。

唐敏（1976-），女，安徽巢湖人，安徽邮电职业技术学院计算机系讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式技术，物联网技术；夏启寿（1975-），男，安徽庐江人，池州学院数学与计算机学院副教授，硕士，主要研究方向为信息安全，数据库，计算机教育。