基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的建筑大樓能耗監(jiān)測系統(tǒng)

建筑節(jié)能運(yùn)行和改造需建立在獲取照明、消防、空調(diào)等建筑用能信息的基礎(chǔ)之上，在接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，各類用能數(shù)據(jù)的傳輸是一個關(guān)鍵問題。傳輸主要采用綜合布線，在建筑內(nèi)布設(shè)大量線纜實(shí)現(xiàn)傳輸，此方式存在施工復(fù)雜、代價高、影響建筑內(nèi)部美觀等缺點(diǎn)，這是有線傳輸方式固有缺陷所決定的，而采用無線傳輸方式則能有效克服。相較于CDMA、GPRS、WLAN等傳統(tǒng)的無線傳輸方式，作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)組成的WSN（wireless sensor network，傳感網(wǎng)">無線傳感網(wǎng)）技術(shù)更適合于建筑用能信息傳輸?shù)膽?yīng)用場合。

WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。

WSN在建筑能耗監(jiān)測中的適用性

建筑能耗監(jiān)測平臺的組網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集端采用WSN技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。整個WSN網(wǎng)絡(luò)由若干個終端采集器以及一個匯聚采集器構(gòu)成。通常將WSN的終端采集器稱為采集節(jié)點(diǎn)，將匯聚采集器成為匯聚節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和傳送，以及根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的控制命令設(shè)置相應(yīng)的工作模式等；匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的中心，起到協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與數(shù)據(jù)的匯集，再將數(shù)據(jù)通過Internet/GSM/CDMA上傳到上級數(shù)據(jù)中心或中轉(zhuǎn)站。系統(tǒng)最大特點(diǎn)就是基于WSN技術(shù)進(jìn)行信息采集，利用WSN節(jié)點(diǎn)與電表等與用能設(shè)備連接，通過無線自組網(wǎng)方式自動采集分散在各處的電、水、氣、冷熱量等實(shí)時數(shù)據(jù)，使用戶隨時監(jiān)測現(xiàn)場耗能設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為今后實(shí)施節(jié)能反饋控制系統(tǒng)的研發(fā)提供基礎(chǔ)，以達(dá)到優(yōu)化能源供應(yīng)、提高能源管理水平、提高能源利用效益、減少能源損耗、節(jié)約能源成本的目的。

基于WSN技術(shù)的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)屬于WSN與節(jié)能的交叉領(lǐng)域，以WSN和計算機(jī)信息處理為技術(shù)核心，建設(shè)先進(jìn)、功能強(qiáng)大的信息采集處理平臺。該系統(tǒng)適用于各種既有和新建建筑，系統(tǒng)組網(wǎng)方便，不占空間，無需綜合布線施工，項(xiàng)目實(shí)施快速方便。

在各種無線傳感網(wǎng)技術(shù)中，ZigBee的自組網(wǎng)能力以及高容量特性使其非常適合建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，在節(jié)點(diǎn)分散、數(shù)量眾多、低速率傳輸?shù)哪芎谋O(jiān)測采集端建設(shè)中，有明顯的優(yōu)勢，是當(dāng)前最適合建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。

除了組網(wǎng)方便、安全、可靠，ZigBee還有低傳輸速率、低功耗、高容量、低成本等特點(diǎn)。ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如能耗監(jiān)測、樓宇自動化等場合。

WSN建筑能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)簡介

為落實(shí)全國建筑能耗動態(tài)監(jiān)測平臺的建設(shè)，配合浙江省省級能耗監(jiān)測平臺的搭建，杭州家和智能控制有限公司研發(fā)了一整套基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)建筑能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、傳輸、初步分析、定時定點(diǎn)上傳等基本功能，并具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)測，分析房間內(nèi)的實(shí)時溫濕度變化，配合節(jié)能運(yùn)行管理。系統(tǒng)具有如下幾大功能：

1. 能耗數(shù)據(jù)采集功能——對各種耗能設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時自動采集；

2. 無線內(nèi)網(wǎng)傳輸——采用無線內(nèi)網(wǎng)傳輸連接數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控中心和用戶終端的媒介；

3. 數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計、分析和預(yù)警功能——耗能設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)以圖表等形式加以直觀顯示，自動生成實(shí)時曲線、實(shí)時數(shù)據(jù)報表、歷史曲線、日月年報表等資料；

4. 報表功能——根據(jù)《民用建筑能耗統(tǒng)計報表制度（試行）》輸出各種相關(guān)報表并打印；

5. 綜合評價功能——針對各耗能設(shè)備的分項(xiàng)能源資源消耗計量，并計算各分項(xiàng)計量系統(tǒng)的能效，得出耗能系統(tǒng)的綜合評價，通過分析對比實(shí)施能源優(yōu)化配置。

WSN在建筑能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

無線內(nèi)網(wǎng)建筑能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有多重優(yōu)點(diǎn)：

1. 內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時增加或減少傳感節(jié)點(diǎn)；

2. 無需綜合布線，減少工程量與布線成本、提高安裝速度；

3. 與多種通信主干網(wǎng)融合，方便用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

4. 無線傳感端機(jī)體積小、功耗低，價格低；

5. 根據(jù)無線傳感網(wǎng)協(xié)議自動組成通訊內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；

6. 系統(tǒng)易于維護(hù)，任意節(jié)點(diǎn)的故障不會影響系統(tǒng)工作；

7. 具有本地數(shù)據(jù)存儲功能，確保數(shù)據(jù)完整性；

8. 減少建立建筑能耗及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑或設(shè)施

WSN建筑能耗監(jiān)測對象

1. 首先是國家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑，大型公共建筑是指建筑面積在2萬平米以上且采用中央空調(diào)的公共建筑，或面積小于2萬平米，但能耗較高的公共建筑。此類建筑的特點(diǎn)之一是能耗密度高，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段我國大型公共建筑（包括政府辦公建筑），單位面積年耗電總量為住宅的10-20倍。公共建筑的環(huán)境監(jiān)測也已列入議事日程，主要是室內(nèi)的溫度、濕度及CO2濃度等，國家主管部門已強(qiáng)制規(guī)定，夏季室內(nèi)溫度不得低于26oC，冬季不得高于20 oC。

自組網(wǎng)過程

對某個能耗監(jiān)測區(qū)域而言，WSN網(wǎng)絡(luò)包含一個ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)和若干ZigBee采集節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)在通信狀態(tài)下，每隔一段時間發(fā)送一次時標(biāo)幀，在匯聚節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)在偵聽狀態(tài)下偵聽到匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時標(biāo)幀，確定匯聚節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)父節(jié)點(diǎn)，并在下面的接入狀態(tài)向目標(biāo)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送接入請求之后組成一個WSN網(wǎng)絡(luò)。已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通過轉(zhuǎn)發(fā)時標(biāo)幀，向周圍節(jié)點(diǎn)表明自己的存在，其他未入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)在偵聽狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)并作為自身的目標(biāo)父節(jié)點(diǎn)，然后在接入狀態(tài)下通過這些最先加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)作為中繼加入網(wǎng)絡(luò)。依次類推，若干的ZigBee采集節(jié)點(diǎn)和一個ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了WSN網(wǎng)絡(luò)。為了延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，降低節(jié)點(diǎn)功耗，所有節(jié)點(diǎn)都會定時進(jìn)入休眠階段，關(guān)閉射頻收發(fā)器，保持超低功耗工作，最大限度地節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，在定時器到期后節(jié)點(diǎn)被喚醒恢復(fù)正常工作狀態(tài)并開啟射頻收發(fā)器。WSN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)定時在通信階段和休眠階段交替工作，以保證網(wǎng)絡(luò)的生存時間要求和通信要求。各WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)再通過無線網(wǎng)由將采集數(shù)據(jù)推送到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析處理。

WSN實(shí)施優(yōu)勢

內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)靈活，可隨時增加或減少傳感節(jié)點(diǎn)；

無需綜合布線，減少工程量與布線成本、提高安裝速度；

與多種通信主干網(wǎng)融合，方便用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

WSN端機(jī)體積小、功耗低，價格低；

根據(jù)WSN協(xié)議自動組成通訊內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；

系統(tǒng)易于維護(hù)，任意節(jié)點(diǎn)的故障不會影響系統(tǒng)工作；

具有本地數(shù)據(jù)存儲功能，確保數(shù)據(jù)完整性；

減少建立建筑能耗及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所帶來的施工量以及綜合布線對環(huán)境的影響，減少投資和工期，特別適用于既有建筑和設(shè)施。

設(shè)備改造方式

如果用戶已有電表、水表等，且?guī)в?85口，則可直接接入采集器，如已有儀表不支持485口，則需要改造和更換設(shè)備。每戶的總表最后統(tǒng)一為帶485口的多功能表，外接帶無線傳感模塊的采集器，可以每15分鐘上送一次電量、電壓、電流、功率因素等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集頻率可根據(jù)具體需要靈活設(shè)置，數(shù)據(jù)采集頻率可在15分鐘/次到1小時/次之間調(diào)整。

設(shè)備改造的原則：在一定投資成本和不改動已有配電線路的前提下，以最大程度地獲得能耗公示需求數(shù)據(jù)為目標(biāo)，在既有配電支路上無拆換、無干擾方式安裝。

WSN與通信網(wǎng)的融合應(yīng)用

在節(jié)點(diǎn)分散且數(shù)量眾多、需要低速率傳輸?shù)慕M網(wǎng)要求下，運(yùn)用ZigBee技術(shù)應(yīng)是最佳解決之道。

WSN與基礎(chǔ)通信網(wǎng)的融合思路已經(jīng)得到通信運(yùn)營商的重視，目前中國移動正與上海微系統(tǒng)所合作研究該課題，希望通過基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)與組網(wǎng)靈活的WSN網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)更全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，獲得網(wǎng)絡(luò)增值；在上海世博會場館建設(shè)中，中國移動與上海微系統(tǒng)所及諾基亞公司共同合作，利用該思路開展不同場館信息展示、參觀者追蹤等多方面的應(yīng)用；此外，上海移動還將這種融合思路應(yīng)用到智能停車位監(jiān)控業(yè)務(wù)中，實(shí)現(xiàn)全上海停車位的預(yù)訂、統(tǒng)計、付費(fèi)等功能。對于WSN等一些新興技術(shù)，示范應(yīng)用非常重要，如果示范做得好，就能帶動一批類似項(xiàng)目出現(xiàn)，為通信運(yùn)營商帶來更多的增值業(yè)務(wù)。