一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統的製作方法
2023-10-26 18:22:57 1
專利名稱：一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於分布式能耗採集技術領域，尤其涉及一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統。
背景技術：
隨著我國經濟的發展，國家機關辦公建築和大型公共建築高耗能的問題日益突出。據統計，國家機關辦公建築，每平方米建築面積年平均耗電量為85.4度，人均年耗電量為3072.5度，尤其是商場建築，其能耗比其它類型公共建築高出許多。國家機關辦公建築和大型公共建築年耗電量約佔全國城鎮總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的10 20倍，是歐洲、日本等發達國家同類建築的1.5 2倍。這種巨大的建築能耗，對今後經濟的可持續性發展影響巨大。然而，現階段對建築能耗採集傳輸主要採用綜合布線進行傳輸，此方式在建築內需布設大量線纜，存在施工複雜、代價高、影響建築內部美觀的問題，並且存在能耗採集不全面、無法實時動態完整的掌握能耗情況，並且不能對用電設備的能耗進行控制等缺點，這都是由於現有的能耗採集方式自身技術限制和有線傳輸方式固有缺陷所決定的。
發明內容
本發明實施例提供了一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統，旨在解決大型建築或建築群現有技術無法實時、動態、完整掌握能耗情況，並且不能對用電設備的能耗進行控制的問題。一方面，提供一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統，所述系統包括無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡包括至少一個設備子網絡，所述系統還包括至少一個網關節點，所述設備子網絡與所述網關節點無線連接，一個設備子網絡對應一個網關節點，所述系統還包括與所述網關節點連接的能耗監控伺服器；所述設備子網絡包括:至少一個監測節點，監測節點之間無線連接；所述監測節點，用於對用電設備的用電進行細粒度監測和控制，並發送監測結果數據至所述網關節點；所述網關節點，用於轉發所述監測結果數據至所述能耗監測伺服器；所述能耗監控伺服器，用於根據所述監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至所述監測節點。進一步地，所述無線傳感器網絡採用基於Tinyos作業系統的無線傳感器網絡協議。進一步地,所述監測節點包括:用電監測單元，用於對用電設備的用電狀態和實時功率進行細粒度監測；射頻收發器，用於發送監測結果數據至網關節點，以由網關節點轉發所述監測結果數據至能耗監控伺服器；
所述能耗監控伺服器包括:控制指令生成單元，用於根據接收到的監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至網關節點，以由網關節點轉發所述控制指令至監測節點；所述射頻收發器，還用於接收網關節點轉發的所述控制指令；所述監測節點還包括:通斷控制單元，用於根據所述控制指令控制與所述監測節點連接的用電設備的通斷狀態。進一步地，所述監測節點包括牆壁插座監測節點、牆壁多位開關監測節點、接線盒監測節點、電流鉗儀表監控節點。進一步地，所述無線傳感器網絡、網關節點和能耗監控伺服器共同構成一個無線網格mesh網絡。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:日程管理單元，用於採用日程計劃控制每個用電設備。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:關聯控制單元，用於根據用電設備的分類和關聯性，對用電設備進行多級分組設置管理，並可對分組設備進行遠程統一控制操作和關聯控制操作。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:GIS處理單元，用於支持背景地圖可視化，顯示網絡設備的部署位置，具備地理信息系統GIS縮放、查找。進一步地，所述能耗監測伺服器還包括:可視化單元，用於對所述監測結果數據進行可視化處理，進行直觀的顯示。進一步地，所述能耗監測伺服器還包括:能耗預測及診斷單元，用於建立能耗的預測模型，利用所述預測模型對建築的能耗進行預測，分析建築節能潛力；建築節能效果評估和輔助診斷單元，用於統計建築或片區能耗的時用量、日用量和年用量，提取各能耗數據進行同、環對比分析，確立標杆值，並對各監控點的能耗情況進行能耗水平判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程。在本發明實施例，大量監控節點布置在建築大樓的每個用電設備迴路上，對用電設備的用電進行細粒度監測和控制，多個監控節點可通過自組織形式組成一個設備子網絡，每個設備子網絡由一個網關節點維護和管理，並發送監測結果數據至網關節點，再由網關節點轉發監測結果數據至能耗監控伺服器，用戶可以通過監控伺服器實時、動態、完整掌握能耗情況。並且，能耗監控伺服器可以根據監測結果數據生成控制指令，並通過網關節點轉發控制指令至監控節點，由監控節點實現對用電設備的用電控制，實現了對用電設備的遠程能耗控制。
圖1是本發明實施例一提供的基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。在本發明實施例中，大量監控節點布置在建築大樓的每個用電設備迴路上，對用電設備的用電進行細粒度監測和控制，多個監控節點可通過自組織形式組成一個設備子網絡，每個設備子網絡由一個網關節點維護和管理，並發送監測結果數據至網關節點，再由網關節點轉發監測結果數據至能耗監控伺服器。並且，能耗監控伺服器可以根據監測結果數據生成控制指令，並通過網關節點轉發控制指令至監控節點，由監控節點實現對用電設備的用電控制。以下結合具體實施例對本發明的實現進行詳細描述:實施例一圖1示出了本發明實施例一提供的基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統的具體結構示意圖，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分。該基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統包括:無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡I包括至少一個設備子網絡，所述系統還包括至少一個網關節點，所述設備子網絡與所述網關節點無線連接，一個設備子網絡對應一個網關節點，所述系統還包括與所述網關節點連接的能耗監控伺服器。在本實施例中，以無線傳感器網絡I包括設備子網絡11和設備子網絡12為例來進行說明，與該設備子網絡11和設備子網絡12分別連接的網關節點分別是網關節點21和網關節點22，其中網關節點21和網關節點22分別與能耗監控伺服器31和能耗監控伺服器32分別連接，具體可以通過有線連接，也可以通過無線連接，在此不做限制。其中，所述設備子網絡包括:至少一個監測節點，監測節點之間無線連接；所述監測節點，用於對用電設備的用電進行細粒度監測和控制，並發送監測結果數據至所述網關節點；所述網關節點，用於轉發所述監測結果數據至所述能耗監測伺服器；所述能耗監控伺服器，用於根據所述監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至所述監測節點。具體的,所述監測節點包括:用電監測單元，用於對用電設備的用電狀態和實時功率進行細粒度監測；射頻收發器，用於發送監測結果數據至網關節點，以由網關節點轉發所述監測結果數據至能耗監控伺服器；所述能耗監控伺服器包括:控制指令生成單元，用於根據接收到的監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至網關節點，以由網關節點轉發所述控制指令至監測節點；所述射頻收發器，還用於接收網關節點轉發的所述控制指令；所述監測節點還包括:通斷控制單元，用於根據所述控制指令控制與所述監測節點連接的用電設備的通斷狀態。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:
日程管理單元，用於採用日程計劃控制每個用電設備。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:關聯控制單元，用於根據用電設備的分類和關聯性，對用電設備進行多級分組設置管理，並可對分組設備進行遠程統一控制操作和關聯控制操作。進一步地，所述能耗監控伺服器還包括:GIS處理單元，用於支持背景地圖可視化，顯示網絡設備的部署位置，具備地理信息系統(Geographic Information Sys tem, GIS)縮放、查找。進一步地，所述能耗監測伺服器還包括:可視化單元，用於對所述監測結果數據進行可視化處理，進行直觀的顯示。進一步地，所述能耗監測伺服器還包括:能耗預測及診斷單元，用於建立能耗的預測模型，利用所述預測模型對建築的能耗進行預測，分析建築節能潛力；建築節能效果評估和輔助診斷單元，用於統計建築或片區能耗的時用量、日用量和年用量，提取各能耗數據進行同、環對比分析，確立標杆值，並對各監控點的能耗情況進行能耗水平判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程。具體的，無線傳感器網絡I採用基於Tinyos作業系統的無線傳感器網絡協議，該網絡是我們自主設計的基於Tinyos作業系統的無線傳感器網絡協議，該協議於目前已經公開的zigbee協議相比，具有支持的網絡容量大，且組網靈活，支持網絡部署時節點自動發現和加入網絡，路由故障時具有極強的自恢復能力等特點。上述特性特別適合大型建築和建築群用電設備多，需經常添加用電設備和相應監控節點的情況。具體的，無線傳感器網絡、網關節點和能耗監控伺服器可以共同構成一個無線網格mesh網絡。具體的，監控節點包括牆壁插座監控節點121、牆壁多位開關監控節點122、接線盒監控節點、電流鉗儀表監控節點等多種類型，一個設備子網絡中的監控節點的個數範圍在1-200個。設備子網絡中的每個監控節點均可對與其連接的用電設備的用電狀態和實時功率進行細粒度監測，並可根據能耗監控伺服器發送的控制指令控制用電設備的通斷。其中牆壁插座、牆壁多位開關、接線盒設備的電能計量單元採用電能表計量專用晶片，在本實施例中採用電能表計量專用晶片CS7760。牆壁插座和接線盒的開關按鍵數為一位，牆壁多位開關的開關按鍵數為1-4位，每一位開關對應一個電磁繼電器控制一路用電設備的通斷；電流鉗儀表的的電能計量單元為電流互感器和信號調理電路，支持I至3路相線監測，而接線盒的電路通斷控制部分則是由電磁繼電器或絕緣柵雙極型電晶體IGBT以及相應的驅動電路實現。網關節點實為各個設備子網絡的匯聚節點，負責整個區域子網絡發送的監控結果數據的維護與匯集，並轉發監控結果數據至能耗監控伺服器，最後由能耗監控伺服器對監控結果數據進行後續的處理。多個網關節點也可通過一個HUB集線器與一個能耗監控伺服器相連。具體實施時，建築內待測的每個用電設備根據要求安裝監控節點，對建築物、室內各類插座用電設備，可以用牆壁插座直接插在原牆壁插座上，也可用牆壁插座改裝更換原牆壁插座，用牆壁多位開關改裝更換原牆壁開關；接線盒用於一些不需人工控制的固定用電設備上；對於一些用電能耗比較大的用電設備，如冷熱站用電、中央空調用電，電梯用電、水泵用電、通風機用電等動力用電，用電流鉗儀表的電流互感器套在其相線上監測其功耗。上述的牆壁插座、牆壁多位開關、接線盒、電流鉗儀表等監測節點大量部署在待監測建築內的每個用電設備上，通過自組織方式形成多跳無線網絡，支持網絡部署時監測節點自動發現和加入網絡；監測節點監測的監測結果數據沿著其他監測節點逐跳地進行傳輸，經過多跳後路由到網關節點，最後到達能耗監測伺服器。在這個過程中，監測節點既充當感知節點，又充當轉發數據的路由器，用戶通過能耗監控伺服器對無線傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。並且該基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統支持可達20跳的無線多跳連接，支持大型網絡中使用多達50個網關節點，每個網關節點各帶一個設備子網絡，每個設備子網絡支持200多個監控節點。該基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統適用於各種既有和新建建築，組網方便，不佔空間，無需綜合布線施工，投資少，項目實施快速方便。同時，每個監測節點都可設置負載電流閾值，當因負載故障等原因導致電流超過閾值時，監測節點會自動關閉用電設備，實現過載保護。下面再詳細的描述一下本發明實施例提供的能耗監控伺服器提供的實時能耗監控系統管理軟體的功能:所述的實時能耗監控系統管理軟體，是基於B/S網絡結構的大型公共建築計算機節能管理軟體，管理軟體具有直觀的人機互動界面，支持遠程Internet訪問，支持桌面客戶端6、網絡瀏覽器7、移動終端8等多種方式，用戶可使用多種終端通過系統管理軟體對建築內部每一個用電設備實行遠程開關控制，系統的主要功能有:協調和配置各項用能:大型公共建築功能多樣，系統繁雜，人為管理不能夠照顧到每一個環節，系統採用計算機通過管理軟體進行管理，能夠更好的進行用能的協調和配置，方便用戶管理大量設備；用戶可採用日程計劃自動控制每個用電終端，也可通過管理軟體並根據用電設備的分類和關聯性對用電設備進行多級分組設置管理，並可對分組用電設備進行遠程統一控制操作和關聯控制操作，如一用電設備關閉後，與之關聯的用電設備可通過系統控制自動關閉以節能。能耗數據可視化:系統實時採集公共建築的各用電設備能耗數據，管理軟體通過曲線、柱形、圓餅等圖形對採集到的數據進行直觀的顯示，在能耗監控伺服器上實現數據可視化的功能，方便管理者對數據進行比較和分析。用能預測及能耗診斷:系統管理軟體可建立能耗的預測模型，通過對採集數據進行分析，利用預測模型對建築的用能進行預測並利用計算機進行在線實時診斷，或用所得數據進行人工分析診斷，分析建築節能潛力。建築節能效果評估和輔助診斷:系統管理軟體可統計建築或片區能耗的時用量、日用量和年用量，以曲線圖、柱狀圖等不同方式顯示，系統可提取各能耗數據進行同、環對比分析，確立標杆值，並對各監控點的能耗情況進行能耗水平判定，對能耗改善提出一套完整的診斷流程，並給出能耗分析報告。自動報警:用戶可通過系統管理軟體自定義報警規則，支持音頻提示、日誌記錄及簡訊通知等多種報警方式；自動抄表:用戶可通過系統管理軟體自定義電費單價規則，分時計量和分時電價，管理軟體按規則自動計算累計電費；背景地圖可視化:系統管理軟體可通過背景地圖可視化顯示網絡設備的部署位置，具備GIS縮放、查找等基本功能；支持多個地圖文件並與設備關聯，根據要查看的設備自動切換地圖。本實施例，基於無線傳感網絡的架構，實現能耗數據的採集和傳輸，減少建立建築能耗監控系統所帶來的施工量以及綜合布線對環境的影響，同時可以實現對大型建築內各用電設備的功耗進行細粒度監測和無縫控制，有效解決了現有能耗採集技術無法實時、動態、完整掌握能耗情況以及大型建築或建築群不能對用電設備的能耗進行控制的問題。通過對用電設備進行集中統一智能化的管理，實現大型建築能耗信息的數位化和網絡化監控管理，為客戶節約了人員投入成本。另外，系統對大型建築的各項能耗指標進行計量、分析及綜合比較能夠實時定量地把握建築物能源消耗的變化，可以發現節能潛力並找到用能不合理的薄弱環節，對節能形成一種有效的檢測和管理，對大型公共建築節能有巨大的意義。值得注意的是，上述系統實施例中，所包括的各個單元只是按照功能邏輯進行劃分的，但並不局限於上述的劃分，只要能夠實現相應的功能即可；另外，各功能單元的具體名稱也只是為了便於相互區分，並不用於限制本發明的保護範圍。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統，其特徵在於，所述系統包括無線傳感器網絡，所述無線傳感器網絡包括至少一個設備子網絡，所述系統還包括至少一個網關節點，所述設備子網絡與所述網關節點無線連接，一個設備子網絡對應一個網關節點，所述系統還包括與所述網關節點連接的能耗監控伺服器； 所述設備子網絡包括:至少一個監測節點，監測節點之間無線連接； 所述監測節點，用於對用電設備的用電進行細粒度監測和控制，並發送監測結果數據至所述網關節點； 所述網關節點，用於轉發所述監測結果數據至所述能耗監測伺服器； 所述能耗監控伺服器，用於根據所述監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至所述監測節點。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述無線傳感器網絡採用基於Tinyos作業系統的無線傳感器網絡協議。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述監測節點包括: 用電監測單元，用於對用電設備的用電狀態和實時功率進行細粒度監測； 射頻收發器，用於發送監測結果數據至網關節點，以由網關節點轉發所述監測結果數據至能耗監控伺服器； 所述能耗監控伺服器包括: 控制指令生成單元，用於根據接收到的監測結果數據生成控制指令，並發送所述控制指令至網關節點，以由網關 節點轉發所述控制指令至監測節點； 所述射頻收發器，還用於接收網關節點轉發的所述控制指令； 所述監測節點還包括: 通斷控制單元，用於根據所述控制指令控制與所述監測節點連接的用電設備的通斷狀態。
4.按權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述監測節點包括牆壁插座監測節點、牆壁多位開關監測節點、接線盒監測節點、電流鉗儀表監控節點。
5.按權利要求1或2所述的系統，其特徵在於，所述無線傳感器網絡、網關節點和能耗監控伺服器共同構成一個無線網格mesh網絡。
6.按權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述能耗監控伺服器還包括: 日程管理單元，用於採用日程計劃控制每個用電設備。
7.按權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述能耗監控伺服器還包括: 關聯控制單元，用於根據用電設備的分類和關聯性，對用電設備進行多級分組設置管理，並可對分組設備進行遠程統一控制操作和關聯控制操作。
8.按權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述能耗監控伺服器還包括: GIS處理單元，用於支持背景地圖可視化，顯示網絡設備的部署位置，具備地理信息系統GIS縮放、查找。
9.按權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述能耗監測伺服器還包括: 可視化單元，用於對所述監測結果數據進行可視化處理，進行直觀的顯示。
10.按權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述能耗監測伺服器還包括: 能耗預測及診斷單元，用於建立能耗的預測模型，利用所述預測模型對建築的能耗進行預測，分析建築節能潛力； 建築節能效果評估和輔助診斷單元，用於統計建築或片區能耗的時用量、日用量和年用量，提取各能耗數據進行同、環對比分析，確立標杆值，並對各監控點的能耗情況進行能耗水平判定，對能耗改善提出 一套完整的診斷流程。
全文摘要
本發明適用於分布式能耗採集技術領域，提供了一種基於無線傳感器網絡的大型建築能耗實時監控系統，包括無線傳感器網絡，無線傳感器網絡包括至少一個設備子網絡，系統還包括至少一個網關節點，設備子網絡與網關節點無線連接，一個設備子網絡對應一個網關節點，系統還包括與網關節點連接的能耗監控伺服器；設備子網絡包括至少一個監測節點；監測節點對用電設備的用電進行細粒度監測和控制並發送監測結果數據至網關節點；網關節點轉發監測結果數據至能耗監測伺服器；能耗監控伺服器根據監測結果數據生成控制指令，並發送控制指令至監測節點。本發明，用戶可以通過監控伺服器實時、動態、完整掌握能耗情況，並且，可以實現對用電設備的遠程能耗控制。
文檔編號G05B19/418GK103092158SQ201210590390
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月31日 優先權日2012年12月31日
發明者耿永清, 陳亮, 於峰崎 申請人:深圳先進技術研究院