基于物聯網高校智慧教學樓節電管理系統設計

唐　敏，夏啟壽

基于物聯網高校智慧教學樓節電管理系統設計

唐敏1，夏啟壽2

（1.安徽郵電職業技術學院計算機系，安徽合肥230031；2.池州學院數學與計算機科學院，安徽池州247000）

針對當前電能浪費比較嚴重現象，設計一個有效的建筑節能用電管理方案，利用ZigBee技術與wifi技術聯合應用分層模型設計用電管理系統方案，進行低功耗設計并對常用的時鐘同步算法進行了研究比較，該方案為建筑用電管理提供了參考依據。

智能建筑；ZigBee；節能；低功耗

DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2015.06.010

在2015年9月7日-10日，中國能源峰會在中國國際展覽中心（新館）舉辦了節能環保大會。展會主題為“節能”和“環?！?，節能與環保，貫穿于生產生活過程中的每一個環節，節能減排、低碳綠色發展，已成為維持國計民生的能源產業可持續發展的關鍵。

目前，制約我國經濟發展的兩大瓶頸是：環境問題和能源問題，能源利用率如何有效提高從而實現節能減排已提上日程。在所有的能源當中，電能是最主要的能源之一，經濟的快速增長及人民生活水平的不斷提高，使人們對電能的需求日益增加，而發電過程帶來的環境污染和用電過程中的電能浪費問題越來越突出。電能消耗當中建筑電能消耗占居較大的比例，尤其是電能浪費問題較嚴重［1］，研究有效的建筑節能用電方案迫在眉睫。

1　智能建筑

中國目前依據的《智能建筑設計標準》（GB/ T50314-2006）是自2007年7月1日開始實施的，其中定義智能建筑（IB，intelligent building）為：“以建筑物為平臺，兼備信息設施系統、信息化應用系統、建筑設備管理系統、公共安全系統等，集結構、系統、服務、管理及其優化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、健康的建筑環境”［2］。

當前研究智能建筑能耗管控尤為重要，智能建筑的能耗實時監測及節能方案設計是以對智能建筑所處環境進行實時監測為基礎的，以便及時了解建筑內的環境狀況及能源的消耗情況。將采集到的建筑內房間的溫度、濕度及電量等信息進行統計、及時上報，從而實現對建筑能耗的在線監測和動態統計［3］，為上層決策提供有效數據支持。

本文提出的一種基于物聯網技術分層式智能教學樓用電管理系統設計方案，可以及時有效的采集到教室中的溫度、濕度、光照等信息，為管理提供有效的數據信息，并進行合理的決策與判斷。

2　智能教學樓用電管理系統規劃與設計

2.1智能教學樓基礎網絡規劃與設計

本文是以某高校教學樓為例進行系統的規劃與設計，教學樓是學院重要場所，教學樓的網絡系統總體設計目標應最大限度滿足授課、教學、遠程教學、多媒體教學等應用系統的需求；同時，網絡系統總體設計還要滿足教師教學活動及研究時吸收最新知識、教師進行學術交流和創新活動的需要；最后還要滿足教務管理以及開展多種業務活動的需要。網絡系統總體設計要做到模塊化、簡單化，這樣即可以節省資金投入，又方便網絡的管理與升級。

某高校校園網服務器架設在實訓樓，樓與樓之間以千兆光纜連接。通過校園網域防火墻連接到Internet，具有安全保密、域名解析以及基本的Internet服務功能，如WWW、FTP、BBS等?？傮w網絡拓撲結構為混合型，有兩個百兆的出口，核心層采用雙星型結構，并采用VRRP技術大大的提高了整個網絡的可靠性，匯聚層及接入層有星型也有樹型結構，總體稱之為混合型，目前中型企業與大型企業大多采用混合型或半網狀型拓撲結構，全網狀結構只是理想化的拓撲結構并不適合實際應用。

某高校教學樓是帶天井的環形教學樓，該幢教學樓一共有五層，二層以上全為教室，教師辦公室都在一樓，一樓以上的信息點不多，所以從管理及布線成本考慮，選擇一樓中心位置，學生會辦公室部署兩個匯聚層交換機，再通過雙膠線連接到各個辦公室的接入層交換機。

新添加的用電管理系統控制中心也部署在一樓學生會辦公室，在不增加有線的方式下采用無線ZigBee與wifi技術對教學樓進行全覆蓋，對圖形、圖像、語音、視頻等數據傳輸效果較好，從而使教學、科研、管理等應用系統能夠平滑高效地運行在校園網上。整個網絡設計具有高速、安全、可靠、開放及易于管理的特點。

2.2智能教學樓用電管理系統設計

本文提出一種以ZigBee技術與WiFi技術聯合應用分層模型節電管理系統設計方案，系統拓撲圖如下圖1所示：在上述原有網絡方案基礎上，不再增加有線方式，而是采用無線方式，無線傳感網絡克服了有線網絡的缺點，其部署節點方便、無需布線、網絡維護簡單，大大降低解決方案的成本。每層樓無線傳感網采用簇型（樹型）結構，ZigBee終端節點將溫度、濕度，光照等傳感器收集到的數據直接或者通過跟器節點傳輸到ZigBee協議調模塊，為了防止樓層之間信號的相互干擾，為每層的ZigBee網絡設置不同的信道。每層的匯聚點（網關）將數據通過無線WiFi傳輸到服務器，手機也可以通過WiFi連接到服務器上，可以進行實時控制。

本系統中的網關至關重要，其主要用于信息匯聚和傳輸，具備ZigBee和WiFi兩種通信標準接口，在ZigBee網絡中網關充當協調器節點功能，在WiFi網絡中網關充當終端節點，終端節點通過無線AP將底層數據上傳至服務器。

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低復雜度、自組織、低功耗、低成本的無線通信技術，主要應用于近距離無線連接，有自己的通信標準，其工作頻段有2.4GHz、868MHz、915MHz。在2.4GHz頻段共有16個信道，通信速率為250kbps；在915MHz頻段共有10個信道，通信速率為40kbps；在868MHz頻段有1個信道，通信速率為20kbps?，F在國內主要使用2.4GHz的工作頻段。ZigBee有三種網絡拓撲結構：星型結構、網狀結構和簇狀結構［4］。ZigBee無線網絡中有三種常用的設備類型：ZigBee協調器節點，是一個ZigBee網絡的建立者與管理者；Zig-Bee路由器節點在網絡中相當于中繼設備，能夠將終端節點采集的數據發送給協調器節點，一個Zig-Bee無線傳感器網絡可以有若干個路由器節點；ZigBee終端節點是無線傳感器網的數據采集者，并通過路由節點將所采集到的數據傳送出去，一個ZigBee網絡可以有多個ZigBee終端節點。

圖1　智能教學樓節電管理系統拓撲圖

3　基于ZigBee節電型智能教學樓用電管理系統的低功耗研究

對于ZigBee無線傳感器網絡系統的低功耗和可靠性研究一般分為：ZigBee無線傳感器網絡系統硬件性能研究與ZigBee無線傳感器網絡軟件性能研究兩個方面。

3.1低功耗的組網設計

3.1.1硬件低功耗設計方法

（1）選擇低工作電壓的芯片［5］。網絡內的節點功耗受芯片的工作電壓影響非常明顯，所以設計過程中，在保證設備能夠正常工作的前提下選擇工作電壓低的芯片會使整個系統的功耗降低。本設計方案中采用的是CC2530芯片，是一個真正的片上系統（SOC）解決方案，除了能夠在很低功耗下進行正常的工作，還可以工作在休眠模式下，輸出電壓為2V-3.6V。CC2530芯片低功耗工作模式如表1所示：

表1　CC2530芯片低功耗工作模式

（2）合理的印制電路板（PCB）設計［6］。網絡內節點設備的PCB中存在著大量的COMS芯片，尤其是IC芯片CC2530，當芯片中的空余引腳處于懸空狀態時，在芯片工作過程通常出現管腳的瞬時短路現象，從而產生短路功耗，造成電能損耗。本系統采用的CC2530芯片進行了合理的接地設置，有效的降低了PCB的功耗，并提高PCB的穩定性。CC2530芯片引腳如下圖2所示，其中芯片的GND1、GND2、GND3、GND4引腳空閑，將這個4個引腳進行接地設置。

3.1.2軟件低功耗設計方法

（1）在數據發送過程中盡量減少通信模塊數據幀的大小，以期減少數據流量，降低通信模塊的能耗。例如：在采集數據終端設備上進行初始化處理，盡量減少數據幀的長度，只發送有效數據，以便減少網絡的數據流量從降低能量消耗；增加數據發送的時間間隔，在滿足功能的基礎上減少發送數據的頻率，也可以有效的降低能耗；另外對數據丟失和重傳機制進行合理的設置，也可以有效的降低整個網絡的能耗。

（2）在ZigBee無線傳感器網絡采用增加模塊的休眠時間，現在休眠的研究主要是針對終端節點進行，路由器節點的休眠很少涉及，現采用路由與終端節點同步休眠的策略，使路由器節點休眠節省的能耗大于喚醒路由器節點重建網絡的能耗，整體上達到減少整個網絡的能耗。

3.2混合型時鐘同步算法設計

ZigBee低功耗時鐘同步算法，當前較為成熟的時鐘同步算法主要有三大類［7］：TPSN算法［8］，是屬于發送者與接收者成對出現的、全網的、雙向的同步機制的算法；RBS算法［9］，是基于接收者與接收者的時鐘同步算法；DMTS算法［10］，是基于發送者與接收者的單向時鐘同步算法。對三種常用的算法從不同方面進行了比較如下表2所示。

本文設計的基于ZigBee與WiFi層次模型的節能型用電管理系統結合了TPSN與DMTS兩種算法的特點，將同步過程分為兩個階段。第一階段，協調器節點與路由器節點之間的同步采用TPSN算法，作為網絡根結點的協調器廣播同步數據包，其第一子層的路由器節點接收同步數據包并成功同步后，接著第一子層的路由器與其孩子路由器再次進行同步，直到最末層的路由器與其父輩路由器節點成功同步，整個網絡的第一階段時鐘同步成功，在第一階段可以采用多次同步的方法來提高同步的準確性；第二階段，路由器節點與終端節點之間的同步采用DMTS算法，當第一階段同步成功后，路由器節點發送同步數據包，終端節點收到相應的信息后，通過修改本地的時間達到時鐘同步，至此整個網絡時鐘同步成功。

表2　TPSN算法、RBS算法、DMTS算法比較

4　結束語

本文提出的這種基于物聯網技術分層式智能教學樓用電管理系統設計方案，可以及時有效的采集到教室中的溫度、濕度、光照等信息，并通過無線網絡上傳至服務器及手機終端設備，及時有效的為管理者數據信息，以便決策者進行合理的決策與判斷。該方案為智能建筑節能管理提供了有效的參考，具有較強的社會意義及價值。

［1］趙乾.基于物聯網的建筑智能用電系統設計與實現［D］.濟南：山東建筑大學，2014.

［2］GB/T50314-2006，智能建筑設計標準［S］.

［3］李中民.我國物聯網發展現狀及策略［J］.計算機時代，2011（3）：13-15.

［4］唐敏.基于ZigBee無線傳感器網絡數據采集系統設計與開發［J］.電腦知識與技術，2015，11（14）：42-44.

［5］Han J，Choi C-S，Lee I.More efficient home energy management system based on ZigBee communication and infrared remote controls［J］.IEEE Trans Consum Electron，2011，57（1）：85-89.

［6］代成斌.低功耗高可靠ZigBee組網研究［D］.廣州：廣東工業大學，2014.

［7］趙楚.基于ZigBee的無線傳感器網絡能耗監測系統的設計與實現［D］.沈陽：沈陽師范大學，2012.

［8］徐世武，王平等.基于ZigBee節點的按需時間同步算法［J］.信息與電子工程，2011，9（5）：541-545.

［9］謝琦，劉蘭濤，弋俊超.用于ZigBee網絡的同步休眠與喚醒算法［J］.計算機應用，2010，6（S1）：12-14.

［10］周書民，周建勇，等.無線傳感網絡中時鐘同步的研究［J］.電子技術應用，2006（9）：24-26.

［責任編輯：桂傳友］

TP399

A

1674-1102（2015）06-0030-03

2015-10-19

安徽省高校自然科學研究項目（KJ2015A290）；池州學院自然科學研究項目（2013ZRZ008）。

唐敏（1976-），女，安徽巢湖人，安徽郵電職業技術學院計算機系講師，碩士，主要研究方向為嵌入式技術，物聯網技術；夏啟壽（1975-），男，安徽廬江人，池州學院數學與計算機學院副教授，碩士，主要研究方向為信息安全，數據庫，計算機教育。