基于物联网的建筑设备智能电源监控系统

朱 靓，温潇华

(1.石家庄职业技术学院建筑工程系，河北石家庄050000；2.石家庄铁道大学，河北石家庄050000)

智能建筑是根据建筑的结构、成分、功能进行一体化设计和控制的新型建筑形态，随着电气设备更新换代速率越来越快，集成智能电源控制监控系统的建筑设备必然是未来主流的方向，结合物联网的技术特点重新定义建筑设备的智能化，推动新技术形态下的建筑设备智能化生态具有非常重要的社会意义和经济价值[1]。

建筑设备智能化涉及一套完整的技术生态，涵盖了数字传感技术、光通信技术、电子集成电路技术、无线组网技术和数据库技术等多种高新技术，在这些技术的基础上，通过组建各种电力设备构建一套完善的电源监控系统，实时采集汇报建筑设备的工作状态和设备负载情况，保障建筑设备高效稳定地运行。

本文在充分调研和分析了当前物联网的技术特点后，针对物联网数据采集层、数据通信层和上层应用层的三层体系架构，提出以物联网为支撑载体，结合ZigBee快速组网和快速数据传输的优势，并以4G通信网络为应用接入协议，构建针对建筑设备的实时电源监控系统，该系统以嵌入式硬件为核心，以组网通信为数据载体，能够实现对建筑设备的有效监控。

1 物联网的技术形态分析

物联网是智能家居和工业生产中广受关注的热点技术，它通过射频识别(RFID)、红外检测、GPRS定位系统等设备能够将任何一件设备快速与互联网链接进行数据通信和交互，从而实现设备的通信、控制和实时监控[2]。

物联网根据其技术形态主要包括数据采集层、数据通信层和上层应用层。数据采集层主要负责最原始数据的收集；数据通信层作为连接数据采集层和上层应用层的纽带，一方面需要将数据采集层的原始数据传输给上层应用层，另一方面需要将上层应用层的控制信号下发给数据采集层；上层应用层也称为控制交互层，是直接与用户进行互联的部分，直接负责终端用户的操作。

对于智能电源系统，数据采集层需要收集多种数据信号，温度传感器收集温度信号、气压传感器收集气压信号、湿度传感器收集湿度信号[3]，另外还需要配备红外探测器和摄像头等采集视频和图像信息，这些传感器都可以通过嵌入式技术内置在前端设备中，这些传感器提取的数据信息会通过数据通信层实时上报给上层应用层。数据通信层的设计需要兼容底层和上层的通信协议，底层组网主要采用ZigBee组网方式，ZigBee组网因设备价格低、组网方便并且短距离传输速度快，上层通信则采用4G网络，4G网络能够应对设备快速切换网络，并且可以无缝接入其他网络中。对于上层的控制决策层负责用户命令的执行和下发，需要直接和用户进行交互，可以采用基于JAVA的主流交互系统进行设计。综上所述，基于物联网的监控系统框架如图1所示。

假设建筑设备的容积为V，节点的分布密度为d，则需要铺设节点的数目为V/d，单次节点的数据传输量为πb，数据传输的时间间隔为πt，节点的能耗为πw/bit，则对于当前建筑设备需要的能耗为：

图1 物联网监控系统框架图

2 ZigBee前端组网研究

ZigBee技术是基于IEEE 802.15.4标准的通信组网协议，具有组网方便、时延小、能耗低和传输快等优点。ZigBee无线传输模块的传感节点在耗损极小能量的情况下即可以实现各个传感器之间数据协调适配，能够以迭代的方式将无线通讯数据从一个传感节点传输到另一个传感节点，这种优势能够适应恶劣环境下零部件耗损问题，本文主要基于ZigBee技术构建前端数据的无线传感网。

ZigBee将组网机制定义为网络路由节点nt加入网络后，其为自身分配的网络地址为0，设置自身的深度dt=0，当新的ZigBee节点ni加入到节点nt时，nt为节点ni赋予网络地址，同时将ni加入到自身的子节点列表，同时将子节点的深度设置为di=dt＋1，节点深度表示数据在ZigBee网络中到达路由器的最小跳数。

一个新的精简功能设备(RFD)节点ni没有路由能力，它与路由器建立连接并作为路由器第n个子节点。根据它的深度di，父节点nt将为子节点ni分配网络地址如式(2)：

如果是新的子节点全功能设备(FFD)，它具备路由能力，父节点nt将为它分配网络地址如式(3)：

定义Cskip的计算方式如式(4)：

式中：Cm表示路由节点能够处理的最大子节点数；Lm表示网络能够承载的最大深度；Rm表示路由节点能够处理的最大子路由节点数；d表示节点深度。

3 4G数据通信传输

4G指的是第四代移动通信技术，包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。4G集3G与WLAN于一体，能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等。4G技术支持100～150 MB/s的下行网络带宽，意味着用户可以体验到最大12.5～18.75 MB/s的下行速度。

SLM651是一款LTE“五模二十频”无线通信模块并集成了GPS功能。SLM651模块具有低功耗、高灵敏度设计特点，非常适合于各种无线通信应用，SLM651工作频段包括TD-LTE:Band38/39/40/41，F DD-LTE:Band1/3/5/7/8/20， TDSCDMA:Band34/39， WCDCMA:Band1/2/5/8， GSM:Band5/8/3/2，GPS L1:1575.42MHz，因此可外扩 3G、4G、GPRS、ZigBee、RFID等无线通信模块。将4G通信模块嵌入智能硬件中，4G通信模块作为内置芯片负责上层数据传输。

4 系统整体架构设计

智能电源监控系统的后台为终端用户操作界面，用户终端分为PC终端和移动终端两部分，其中PC终端又可分为Windows操作终端和MAC操作终端，移动终端可分为手机终端和iPad终端，终端命令的下达主要通过4G网络实施。采用数据库技术保存底层实时上报的环境参数，并在终端以走势图的方式动态展示，用户根据时间流的数据变化判断建筑设备状态。

一般而言，正常数据不会出现明显的扰动，在数据分布上相对较为稳定，可根据规则和统计规律预先设定范式固化在终端，当出现异于范式的模式时则发出报警由用户裁决。范式提取算法如下：

输入：数据类别集合T=(T1,T2,…,Tn)，数据类别对应数据流集合D=(D1,D2,…,Dn)；

输出：数据类别Ti对应范式σ。

算法流程：(1)对于i到n，存在Ti∈T,Ti对应数据流为Di；(2)数据流Di存在数据集合Di=(di1,di2,…,dit,…,dik)，dit表示t时刻数据记录，记范式时间窗口为t，则范式表征为记σ为范式，新数据超过范式则判

用户通过终端和数据通信层、数据采集层交互，实时发送对应指令控制网络中建筑设备，当有新设备入网时，则会要求实时上报当前的环境参数，对于已经入网的设备，则可周期性汇报环境参数，并以轮询的方式周期性遍历所有设备，具体的工作流程如图2所示。定为异常数据。

图2 系统整体架构设计图

5 实验与仿真

本实验主要用于验证当前系统设置是否符合实际场景，能否在保证数据有效传输的前提下节约能耗。系统仿真平台采用 Matlab，分别选取节点覆盖密度为 25、30、35、40、45、50/m3，即每立方米部署节点数量，模拟仿真通信时长为100、150、200、250、300、350、400、450 s，主要用于对比不同参数下数据丢失率。定义丢失率如式(5)：

式中：T表示通信时长；πt和πb的定义如式(1)分别表示第i个时间片段的πt和πb值。

不同节点覆盖率下数据丢失率对比如图3所示，在通信时长较低(100～150 s)时，不同节点的部署密度在丢失率上并没有明显区别，随着通信时长的拉长，数据在通信节点会出现一定程度的阻塞，数据的丢失率也会发生较为明显的变化，一般而言，节点部署密度越密集，数据传输信道的阻塞也会越明显，数据丢失率也会随之升高，这可以从图3中看出。相对而言，节点部署密度过低则不易快速实时捕获建筑设备的工作状态和工作参数，对系统的容错性会有一定的影响，节点密度部署过高，一方面会出现较为严重的数据拥堵，另一方面从式(1)可以看出系统整体的能耗也较高。由仿真结果可知，在节点部署密度为35/m3时，整个系统在数据丢失率上会取得比较平衡的效果，不会出现明显的数据突变。

6 总结

图3 不同节点覆盖率下数据丢失率对比

本文阐述了智能建筑作为未来建筑设备智能化的发展方向，建筑设备的智能化监控越来越成为主流的监控技术，用户通过终端可以实时查看建筑设备的工作状态，随时调整设备的工作频率和负载。以物联网的三层体系结构为依托，以大规模和高效的4G网络作为通信载体，搭建了一套针对建筑设备的智能电源监控系统，实践表明，该系统具有一定的社会意义和经济价值。

[1]郑丽娜.基于物联网的电源智能监控系统设计[J].电源技术，2017(3)：493-494.

[2]谭海燕，崔如春，文翰，等.基于物联网技术的大型仪器设备智能监控管理系统设计与实现[J].软件导刊，2017(2)：91-93.

[3]孙皓月，吕国，张梁，等.基于物联网的智能建筑电源监控系统的研究[J].电源技术，2014(1)：113-115.