基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統的製作方法
2023-09-20 20:34:20
專利名稱：基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統。 技術背景我國建築節能工作起步比較晚，所以我們在建築方面的能源消耗浪費巨大。因此， 我國的建築節能潛力巨大，如果達到了建築節能的標準，節約下來的能源是非常可觀的。當前，國內外都高度重視建築節能。儘管眾多的公司已經致力於建築節能方面的產品開發，但目前在這方面的信息管理系統還是沒有跟上需求。現有的有關能耗分析的軟體僅限於建築能耗的模擬和分析，這些軟體已經得到廣泛應用，但這些軟體基本只是一個模擬軟體，並沒有利用現代化手段進行信息獲取，並在線動態分析。如何採用有效的信息採集手段進行節能檢測是目前國內外研究的一個熱點。早期的信息採集工具是一些手提式信息採集器，人工完成建築能耗信息的採集。這些工具的優點是一臺儀器就可以完成多個信息的採集。但其明顯的不足是不能進行在線檢測與診斷。 檢測的結果有時不能反映系統的動態特性，而僅僅是一種靜態的點信息。顯然，這種信息採集方式不能提供建築能耗統計和診斷所需要的大量動態信息。隨著網絡技術的發展，基於網際網路的分布式信息採集成為一種新的信息採集方式。但是這種有線形式帶來綜合布線的困擾，尤其是受到不能破壞已有建築狀態的限制。因此，利用無線方式來採集信息的思想越來越受到人們的關注。目前國外大多採用的是WLAN、 CDMA/GSM等網絡，但其組網受限制、運行成本相當高。隨著無線傳感網技術的發展，應用該技術進行建築能耗信息採集及分析成為新的課題。
實用新型內容為克服現有技術的上述缺點，本實用新型提供了能夠實時採集建築能耗，運行成本低，提高節能效果的基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統。基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統，包括安裝於樓宇中的無線傳感器網絡，所有的無線傳感器網絡包括採集大樓內能耗、溫度或溼度信息的網絡節點，和將網絡節點採集的信息傳輸至伺服器的網關；所述的網絡節點包括採集樓內信息的傳感器，為傳感器供電的電池，將傳感器採集的信息向外發送或接收來自其他傳感器的信息的收發電路， 和設置信息收發時間、確定信息發送的目標地址的處理電路；所述的網絡節點通過協議棧進行自組網以實現信息傳輸。本實用新型的技術構思是本實用新型根據建築能耗檢測等應用的特點，研究開發具有自主智慧財產權的無線傳感網傳輸方式。基於性能優越的短距無線自組網技術和當代成熟的GPRS/CDMA移動通信技術、網絡通信技術，充分利用先進的電子標籤及其識別技術、 傳感器技術及壓敏取電的無源技術等，公司已開始著手研發用於鐵路部門的、具有車號自動識別、數據自動採集、運行狀態實時監測等功能的自動化管理系統，充分發揮鐵路的運輸能力，保證鐵路的安全運行，提升鐵路部門的自動化管理水平。[0008]通過無線傳感器實時採集到的智能樓宇內的數據，所有的無線傳感器組成的無線傳感器傳輸網絡，在監控室內就可以掌握整個樓宇內所有設備的運行情況。可以有效地克服傳統有線樓宇能耗監測系統的布線成本高、組網不靈活、線纜老化引起的數據傳輸可靠性差、樓宇環境受破壞等缺點，滿足大規模網絡、低功耗、低成本、短距離、多跳路由的網絡類型、低網絡維護開銷、低速率、非實時和非同步通信、低機動性、特別的安全性、網絡規模可擴展等要求。無線傳感網網關，用以面向現場應用需求的檢測節點多種通信模式配置機制，實現傳感網與多種通信主幹網的融合。網關主要由無線傳感網主節點(包含一個無線傳感網節點的所有硬體和軟體結構)、微控制器、各種主幹網接入模塊組成。網關是一個獨立工作的嵌入式設備，具有無線傳感網和主幹網相關的配置設置功能。能夠方便地實現一個無線傳感網系統接入到主幹網。 無線傳感網的數據通過網絡作透明處理傳輸到後臺軟體系統。基於ffeb GIS計算模式的無線傳感網建築能耗檢測分析系統，用於實現空間信息和屬性信息的一體化管理。項目組採用資料庫、應用伺服器(ArcIMS和Observer)和客戶端三層W^eb GIS計算模式。根據Web應用的特點和網絡的狀況，採用混合模式來實現GIS功能在客戶端和伺服器端的空間處理功能分配；在客戶端實現技術方面，採用基於Object Web規範的ffeb GIS 客戶端實現技術，可有效避免CGI形成的瓶頸，允許客戶機直接調用伺服器上的方法，從而可以動態平衡客戶端請求的負載；Web GIS發布方案方面，採用基於XML矢量圖形文件SVG 的地圖發布方式，利用文本指令定義圖形的顯示方式，圖像的大小隻與圖形複雜度有關，而與圖形的具體尺寸無關。在客戶獲取圖形結果請求中，伺服器將原始用文本格式描述的矢量圖形數據傳送到客戶端，由客戶端解釋程序生成矢量圖形，從而在支持無級縮放的同時可大大減少網絡傳輸的數據量。基於大量傳感數據的建築能耗分析模型，用以實現三維立體呈現方法，支持建築的能源優化配置。由於採用無線傳感網端機分布在每個房間和大樓其他需要採集信息的位置，因此可以實時和全面採集每個房間的溫度、溼度、電量等實時數據，利用這些信息，後臺軟體可以統計和分析出建築大樓的末端用能是否合理，軟體分析的方式是我們根據實際使用的需要完全自主創新的。大量接點的傳感數據使建築大樓能耗精確診斷和實時分析成為可能， 三維立體呈現方式，可以全面動態展示大樓能耗變化的特點，後臺計算機可以開發針對大樓各個側面和各個樓面的能耗變化分析功能，使大樓能耗診斷和分析非常方便和直觀。通過傳感器獲得大樓中各個時間段的能耗信息，可以繪製出大樓的能耗圖，有利於分析大樓在不同時間段或不同季節、或是在不同樓層的能耗差異，能及時發現大樓的非正常能耗並作出調整，有利於提出大樓的節能改造優化方案。本實用新型具有能夠實時採集建築能耗，運行成本低，提高節能效果的優點。
圖1是協議棧框架示意圖。圖2是系統結構示意圖。[0019]圖3是無線傳感網與通信主幹網融合的體系架構圖。圖4是網關架構示意圖。圖5是基於ffeb GIS計算模式的無線傳感網建築能耗檢測分析系統原理。圖6是建築整體運行能耗分析模型。圖7是選擇簇頭節點的流程圖。
具體實施方式
參照附圖，進一步說明本實用新型基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統，包括安裝於樓宇中的無線傳感器網絡，所有的無線傳感器網絡包括採集大樓內能耗、溫度或溼度信息的網絡節點，和將網絡節點採集的信息傳輸至伺服器的網關；所述的網絡節點包括採集樓內信息的傳感器，為傳感器供電的電池，將傳感器採集的信息向外發送或接收來自其他傳感器的信息的收發電路， 和設置信息收發時間、確定信息發送的目標地址的處理電路；所述的網絡節點通過協議棧進行自組網以實現信息傳輸。所述的協議棧傳輸包括以下步驟1)、初始狀態下，隨機選擇多個網絡節點作為簇頭節點，簇頭節點以外的網絡節點為普通節點；2)、將與簇頭節點的通信半徑小於預設半徑的普通節點與該簇頭節點形成一個簇網區域；簇網區域內，普通節點採集的信息均傳輸至簇頭節點，簇頭節點將信息發送至另一個簇頭節點或網關；3)、經過一個預設間隔時間後，獲取所有節點的電池剩餘能量，計算獲得所有節點的平均剩餘能量，將電池剩餘能量高於平均剩餘能量的節點作為候選簇頭；4)、定義第k個候選節點Vk對已產生的第i個簇網區域Si的擬物力函數為
, =i aikn=\
J ik
0,else其中dik表示候選節點和簇網區域的簇頭節點之間的距離，R2充當簇網區域的質
N
量，N為已選出來簇頭個數，表示只有未被當前簇網區域覆蓋的候選節點才能對簇
n=l
網區域產生引力；對簇頭選擇閾值T(n)引入擬物力進行約束Τ"( ) = --r P An , 」 . exp(_i 2 / dik2)
\- ρ \r mod(l / p)\離本輪簇網區域的簇頭節點越遠，候選節點的擬物力越小而閾值越大，該候選節點成為新一輪的簇頭節點的可能性越高；5)、重複執行步驟2) -4)。本實用新型的技術構思是本實用新型根據建築能耗檢測等應用的特點，研究開發具有自主智慧財產權的無線傳感網傳輸方式。基於性能優越的短距無線自組網技術和當代
5成熟的GPRS/CDMA移動通信技術、網絡通信技術，充分利用先進的電子標籤及其識別技術、 傳感器技術及壓敏取電的無源技術等，公司已開始著手研發用於鐵路部門的、具有車號自動識別、數據自動採集、運行狀態實時監測等功能的自動化管理系統，充分發揮鐵路的運輸能力，保證鐵路的安全運行，提升鐵路部門的自動化管理水平。通過無線傳感器實時採集到的智能樓宇內的數據，所有的無線傳感器組成的無線傳感器傳輸網絡，在監控室內就可以掌握整個樓宇內所有設備的運行情況。可以有效地克服傳統有線樓宇能耗監測系統的布線成本高、組網不靈活、線纜老化引起的數據傳輸可靠性差、樓宇環境受破壞等缺點，滿足大規模網絡、低功耗、低成本、短距離、多跳路由的網絡類型、低網絡維護開銷、低速率、非實時和非同步通信、低機動性、特別的安全性、網絡規模可擴展等要求。無線傳感網網關，用以面向現場應用需求的檢測節點多種通信模式配置機制，實現傳感網與多種通信主幹網的融合。網關主要由無線傳感網主節點(包含一個無線傳感網節點的所有硬體和軟體結構)、微控制器、各種主幹網接入模塊組成。網關是一個獨立工作的嵌入式設備，具有無線傳感網和主幹網相關的配置設置功能。能夠方便地實現一個無線傳感網系統接入到主幹網。 無線傳感網的數據通過網絡作透明處理傳輸到後臺軟體系統。基於ffeb GIS計算模式的無線傳感網建築能耗檢測分析系統，用於實現空間信息和屬性信息的一體化管理。項目組採用資料庫、應用伺服器(ArcIMS和Observer)和客戶端三層W^eb GIS計算模式。根據Web應用的特點和網絡的狀況，採用混合模式來實現GIS功能在客戶端和伺服器端的空間處理功能分配；在客戶端實現技術方面，採用基於Object Web規範的ffeb GIS 客戶端實現技術，可有效避免CGI形成的瓶頸，允許客戶機直接調用伺服器上的方法，從而可以動態平衡客戶端請求的負載；Web GIS發布方案方面，採用基於XML矢量圖形文件SVG 的地圖發布方式，利用文本指令定義圖形的顯示方式，圖像的大小隻與圖形複雜度有關，而與圖形的具體尺寸無關。在客戶獲取圖形結果請求中，伺服器將原始用文本格式描述的矢量圖形數據傳送到客戶端，由客戶端解釋程序生成矢量圖形，從而在支持無級縮放的同時可大大減少網絡傳輸的數據量。基於大量傳感數據的建築能耗分析模型，用以實現三維立體呈現方法，支持建築的能源優化配置。由於採用無線傳感網端機分布在每個房間和大樓其他需要採集信息的位置，因此可以實時和全面採集每個房間的溫度、溼度、電量等實時數據，利用這些信息，後臺軟體可以統計和分析出建築大樓的末端用能是否合理，軟體分析的方式是我們根據實際使用的需要完全自主創新的。大量接點的傳感數據使建築大樓能耗精確診斷和實時分析成為可能， 三維立體呈現方式，可以全面動態展示大樓能耗變化的特點，後臺計算機可以開發針對大樓各個側面和各個樓面的能耗變化分析功能，使大樓能耗診斷和分析非常方便和直觀。通過傳感器獲得大樓中各個時間段的能耗信息，可以繪製出大樓的能耗圖，有利於分析大樓在不同時間段或不同季節、或是在不同樓層的能耗差異，能及時發現大樓的非正常能耗並作出調整，有利於提出大樓的節能改造優化方案。參照圖1、圖2，基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統，協議棧框架包括應用層、網絡層、MAC層以及兼容多種通信機制物理層組成。基於大量傳感數據的建築能耗分析系統包括房間內無線傳感端機(子機)、無線傳感端機(主機)、GPS、hternet、485通訊接口。本實用新型根據建築能耗檢測等應用的特點，採用無線自組網技術，通過改進 Zigbee的協議自身缺乏可擴展性，無法滿足大規模傳感節點的應用要求，研究開發具有自主智慧財產權的無線傳感網傳輸協議，如圖1所示。所述的協議棧設計主要包括了應用層、網絡層、MAC層以及兼容多種通信機制的物理層。1)應用層包括傳感器接口管理模塊、應用配置模塊、應用支持子層。傳感接口管理模塊通過傳感器服務接口與傳感器設備進行交互，主要進行傳感器狀態、參數控制等操作，傳感數據接口主要接收傳感器設備的傳感數據。應用配置模塊根據網絡應用類型和特性，來配置是否動態加載應用支持子層，以及配置子層的功能參數。應用支持子層主要包括信息資料庫、時間同步模塊、安全策略等模塊，主要跟傳感器接口管理模塊進行交互。對傳感器而來的傳感數據添加應用層協議幀頭，發送至網絡層數據服務實體。2)網絡層主要由網絡層安全管理、路由管理、拓撲管理、信息庫組成。拓撲管理模塊作為主導功能模塊，通過網絡層管理實體接口接收網絡初始化命令，開始驅動自組分簇網絡拓撲形成，以及在網絡生存過程中，維護網絡拓撲、節點移動性管理等。網絡層信息庫主要管理節點的網絡屬性，如節點的標識、簇標識、鄰居節點等。路由管理模塊主要負責建立和維護從本節點到中心節點的路由，並在有數據產生或轉發其他節點數據時，根據路由表信息，正確發送至下一跳節點。網絡層通過網絡層數據接口與應用支持子層相連，通過MAC層數據接口與MAC層相連。如果由MAC層數據接口上傳的數據為本節點，則上傳至應用支持子層，若本節點為路由數據的中間路由節點，則根據路由表，選擇最優路徑，重新設置路由幀，下發至MAC層。網絡層的設計包含網絡結構和路由兩方面。雖然無線傳感網是一個自組織的無中心網絡，但是為了解決可擴展性的問題，還是需要設計一個在低佔空比媒體接入層基礎上的合適的網絡結構。低通信佔空比、無中心自組織的要求決定無線傳感網需要設計特殊的路由算法和模型。3)媒體接入層(MAC層)由MAC層安全管理、媒體接入控制模塊、休眠管理模塊、 信息庫組成。MAC層信息庫主要管理節點用於節點功率級別參數、幀參數、休眠比例尺、通信時隙長度等參數，在網絡布設前可由用戶根據應用需求統一配置。MAC層通過MAC層數據接口與網絡層實體相連，通過物理層數據接口與物理層相連。當MAC層接收到物理層上發的幀，對幀類型進行判別後，決定上傳給網絡層，或丟棄該幀、或應答該幀。當MAC層接收到網絡層下發的幀，根據目前信道狀態和媒體接入控制模塊的策略，決定是否傳送至物理層。根據無線傳感網的設計要求，媒體接入層的設計有兩個難點。一個是要平衡一個矛盾。為了降低設備功耗，工作狀態和待機狀態的功耗都必須最小化，同時，由於工作狀態
7的功耗遠大於待機狀態的功耗，必須最大限度降低通信佔空比，可是對於一個異步多跳的網絡來說，過低的佔空比會使無線設備之間的互相發現和同步變得非常困難，這二者之間的矛盾需要折衷；另一個難點是低成本的硬體存在時基穩定性差的問題，傳統時分機制並不特別適合於無線傳感器網絡。4)物理層物理層的設計可根據不同需求對無線傳感網無線信道的要求，選擇採用合適的方案。要能夠提供由MAC層定義的功能和接口標準。如採用直接序列擴頻方案的話(DSSS)，則通過物理層數據接口接收到來自MAC層下發的幀後，進行信道編碼、加幀頭、 擴頻、調製、功率控制，然後經射頻天線發送至無線信道，其中擴頻碼字來自於MAC層信息庫。物理層經射頻天線接收到高於接收門限值的信號後，進行解調，並根據本時段MAC層使用的擴頻碼字進行同步捕獲和跟蹤，如相關峰高於設定門限值，則表示接收到該碼字信道的幀，然後依次進行去幀頭、信道解碼的操作，然後將數據通過物理層數據接口上發至MAC 層。所述的無線傳感網與多種通訊網實現融合的網關，與主幹網融合的無線傳感網的體系架構如圖3所示。網關可實現第一的主幹網接入或根據需要可配置需要的接入方式。 網關的主要類型有乙太網、WLAN、Internet、GSM、GraS、CDMAlX、EDGE、RS485、CAN 網關等。 網關的架構如圖4所示。網關的電源設計採用有源電即可，沒有必要使用電池供電，因為網關的功耗相對無線傳感網節點的功耗高，一定要工作在有有源電的地方。網關的數量很少，一個無線傳感網系統一般情況下只配備一個網關即可。網關軟體的設計是另外一個重要的設計內容。由於網關的功能複雜，需要一個好的實時作業系統比如嵌入式LINUX的支持。軟體的形式可以是運行與計算機上的一個獨立安裝的用戶界面程序，也可以是嵌入到網關設備中的嵌入式WEB伺服器軟體的形式。用戶只要連接好網絡與計算機，登錄一個網絡地址就可以完成網關的各種配置功能。所述的基於ffeb GIS計算模式的無線傳感網建築能耗檢測分析系統，系統結構原理如圖5所示。項目以自主研發的無線傳感網(WSN)平臺為核心，通過對建築中所有房間的溫度、溼度、面積、耗能情況等信息進行採集和處理，並進行能耗檢測診斷，提出高效的建築節能改造方案，實現建築能耗檢測分析系統。並採用基於Web GIS實現空間信息、屬性信息一體化管理和三維立體呈現，並依據建築物各個側面、各個樓面的能耗變化，通過三維成型、診斷和分析建築物各區域用能是否合理、設備性能、運行效率和改進的方案。項目採用資料庫、應用伺服器(Arc IMS和W^eb Server)和客戶端三層W^eb GIS計算模式，並設計了能耗分析模型，如圖6所述。項目利用實時和全面採集到的每個房間的溫度、溼度、電量等實時數據，後臺軟體可以統計和分析出建築大樓的末端用能是否合理，提高節能效益。擬物算法是解決某些NP問題的一條高效率途徑，它最早由黃文奇提出並加以應用，是一種從大自然和人類社會經驗中尋找智能的啟發式優化算法。所謂擬物即是找到與原始數學問題等價的物理世界，觀察這個世界中物質運動的生動形象，然後從中受到啟發以求解數學問題。針對無線傳感器網絡分簇路由優化模型的特點，在擬物算法的基礎上，引出了擬物力模型。在擬物力模型中，假設在每一輪簇建立過程中，把已產生的簇頭節點看作通信半徑為R的「簇頭圓盤」。設參與簇頭選擇並未被「簇頭圓盤」覆蓋的候選節點對其鄰近的「簇頭圓盤」具有吸引力，而已經被「簇頭圓盤」覆蓋的候選節點受「屏蔽效應」的影響對「簇頭圓盤」不具有吸引力。仿照萬有引力的形式同時引入「屏蔽效應」。定義參與簇頭選擇的第 k個候選節點Vk對已產生的第i個「簇頭圓盤"Si的擬物力函數如下
權利要求1.基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統，包括安裝於樓宇中的無線傳感器網絡，所有的無線傳感器網絡包括採集大樓內能耗、溫度或溼度信息的網絡節點，和將網絡節點採集的信息傳輸至伺服器的網關；所述的網絡節點包括採集樓內信息的傳感器，為傳感器供電的電池，將傳感器採集的信息向外發送或接收來自其他傳感器的信息的收發電路， 和設置信息收發時間、確定信息發送的目標地址的處理電路；所述的網絡節點通過協議棧進行自組網以實現信息傳輸。
專利摘要基於無線傳感技術的樓宇能耗監測分析系統，包括安裝於樓宇中的無線傳感器網絡，所有的無線傳感器網絡包括採集大樓內能耗、溫度或溼度信息的網絡節點，和將網絡節點採集的信息傳輸至伺服器的網關；網絡節點包括採集樓內信息的傳感器，為傳感器供電的電池，將傳感器採集的信息向外發送或接收來自其他傳感器的信息的收發電路，和設置信息收發時間、確定信息發送的目標地址的處理電路；網絡節點通過協議棧進行自組網以實現信息傳輸。本實用新型具有能夠實時採集建築能耗，運行成本低，提高節能效果的優點。
文檔編號G08C17/02GK202050545SQ201120128468
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者伍益明, 何熊熊, 張健 申請人:浙江工業大學