基于无线传感器网络的建筑楼宇能耗设计

王首彬，吴 放，郭卫星，赵 博

（1.天津大学 电气自动化与信息工程学院，天津 300354；2.天津中心生态城建设投资有限公司，天津 300346；3.天津城建大学 控制与机械工程学院，天津 300384）

1 无线传感器技术的应用

目前，我国正处于城市化和城镇化的快速成长阶段，根据国家统计局统计，2018年年末，我国常住人口城镇化率达到59.58%，较1949年年末提高48.94个百分点，年均提高0.71个百分点[1]。随着社会的快速发展，城镇化率将不断提高，城市化的快速推进必然带来能源的大量消耗，能源一直制约着我国城镇化的推进[2]。所以，降低城市化发展所带来的巨大能耗，对能源节约型社会的构建意义重大[1]。

无线传感器的种类有很多，常见的无线传感器一般由感知模块、无线通信模块、信息处理模块、能量供应模块等组成。

2 基于无线传感网络的系统硬件设计

2.1 系统设计思路

能耗监控系统的设计主要包括两个方面：硬件部分设计和软件部分设计。硬件设计包括现场硬件设备的选型与搭建，软件设计包括现场服务中心和远程服务中心的设计和运行。

2.2 系统总体结构

能耗监测系统包括用水、用电、用热、用气和用能等多个子系统[3]，子系统由信息采集表、数采集器，数据集中器和远程服务中心等部分组成，利用各种网络技术进行数据的远程传输，对远程监控平台收到的能耗数据进行分析，从而更好地反馈于系统[4]。

本系统采用典型的4层体系结构，包括设备感知层、数据采集层、监控层和管理层，其系统框架如图1所示。

图1 系统框架

图2 软件结构

3 基于无线传感网络的系统软件设计

3.1 软件结构设计

系统的软件设计主要包括两部分：现场工作中心和远程服务中心[5]。现场工作中心包括两个部分：数据采集和数据处理；远程服务中心包括数据管理和数据分析。软件结构如图2所示。

3.2 现场工作中心设计与运行

现场的智能采集器采集每一栋楼的用电、用水、用能、水泵压力等情况，然后传送给现场工作中心，现场会根据命令将收集到的数据发送给远程服务器[6]。为了方便维护人员更好地工作，现场采用监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）的组态触摸屏，现场的各种数据会在触摸屏上显示，包括供水温度、回水温度、水泵故障、系统报警以及电压、电流的实时数据。

3.3 软件开发环境

MCGS是昆仑通态公司研发的一款组态软件，包括组态和运行两部分，首先收集现场的信息，然后以动画、故障报警处理、流程控制监测等方式呈现工作情况[7]，MCGS的操作界面如图3所示。

图3 触摸屏操作界面

4 远程监控的设计与运行

4.1 监控平台的设置

远程监控平台工作需要数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）的成功上线，现场DTU通过后台服务器IP地址、波特率、端口号等相关设置，向服务器发送请求[8]。DTU与服务器互有通信之后，收到来自服务器的命令或者定时传送数据，向服务器发送实时数据。

4.2 能耗数据分析

对能耗监测系统收集到的大量数据进行分项统计并分析，根据统计结果，可以直观地了解建筑系统各部分运行情况，发现其中可能存在的问题，通过对能耗数据的分析，找到节能的空间，将分析结果反馈到建筑系统中，从根本上减少系统的能耗。

对考察时段内的用水、用能、用电等情况进行统计和绘图，了解楼宇内的用水时段分布情况。

（1）7天时间累计用水的统计结果如图4所示。可知，29日也就是周六的用水量比其他时间少。

（2）一周时间的累计用电量如图5所示，23日和29日为周末用电量较少，可以分析出周六、日外出的比较多。

（3）热水泵启动后的热交换能力如图6所示，总坐标数值为热水泵开启后瞬时热流量的平均值，通过热流量的显示，用户可以随时得知热水泵是否处于工作状态。

图4 累计用水量

图5 累计用电量

图6 瞬时热流量

5 结语

文章主要介绍了建筑能耗监控系统硬件设计和软件设计及整个系统的运行实现过程。首先，介绍了本设计的系统设计思路及整体结构。其次，介绍了现场工作站和后台监控平台的数据传输以及监控软件的设置。最后，利用监控系统实时分析能耗数据，完成能耗数据的实时监控、分析。