基于物聯網技術的校園節能控制系統硬件設計

昝永信　王明珠　陳偉利

摘要：文章設計了一種基于物聯網技術的校園節能控制系統，給出了該系統的硬件設計方案。系統利用zigBee技術、TCP/IP技術、計算機控制技術，實現了對校園能耗實行分項計量，建立了能耗監測平臺，確定了分項計量能耗拆分模型。系統有效解決了當前校園能耗管理基礎數據缺失、計量混亂等問題，具有實時性好、功率低、可靠性高等優點。

關鍵詞：Zigbee技術；TCP/IP技術；節能控制

建設節約型校園是當今社會為校園提出的時代要求，校園節能已經納入目前許多校園的重點實施計劃之一。準確、有效地尋找校園節能潛力和節能途徑是校園節能工作有序開展的前提。校園能耗由于缺少有效的管理機制，存在基礎數據缺失、計量混亂等實際問題。本文根據國家建筑節能相關的技術導則和條文規范，建立了能耗監測平臺，確定了分項計量能耗拆分模型。通過對能耗監管平臺數據的處理分析，找出該校園的節能潛力，并提出了對應的節能優化建議，為將來的校園節能工作的進一步開展提供了依據。同時，通過對校園用能指標的研究，確定了初步的節能判斷依據，對將來校園新建建筑的節能工作具有借鑒意義。

1.系統總體設計方案

系統的總體設計方案如圖1所示，系統設計主要考慮系統的實時性、穩定性和安全性等問題。系統由電表節點、水表節點、氣表節點、網關、能耗監管平臺和各模塊之間的通信網絡（ZigBee網絡和Internet網絡）組成。系統的工作原理如下：系統開啟后，各測量節點開始測量當前的數據信息，主要包括電表、水表和氣表。等待接收來自能耗監管平臺的命令，當判斷到能耗監管平臺向自己發送查詢命令時，將采集到的數據信息按照規定的通訊協議反饋給能耗監管平臺。

對于一棟大樓，一個zigBee網絡的承載力顯然是不夠的，還考慮到ZigBee網絡在穿越樓層時的穩定性問題，擬采用一個樓層一個zigBee網絡的設計，并通過WIFI接入到校園網絡。網關接收來自能耗監管平臺的命令，并下發給各獨立節點，收到各獨立節點的反饋信息后通過校園網絡轉發給能耗監管平臺的服務器上。

能耗監管平臺可以定時和實時向各獨立節點下發查詢命令，獲取當前的電表、水表和氣表的數據信息。獲得各獨立節點的數據信息后保存在服務器的數據庫中，并可以根據需要生成各個房間、各個樓層、各棟樓的相應數據分析圖。

2.部分硬件電路設計

2.1電表節點設計

電表節點的結構如圖2所示。節點由CC2530、485模塊、繼電器構成。電表節點使用的基于DLT645-2007多功能電能表通信協議的電表。該電表可以使用485通信協議進行通訊，通過向電表發送不同的命令，可以實現遠程抄表（電流電壓電量功率）、遠程拉合閘。

電表節點能夠接收來自能耗監管平臺的命令，并進行格式轉換，將來自能耗監管平臺的命令通過485模塊轉換為電表可以識別的命令。通過電表主要獲得其電量信息，對于其拉合閘操作采用MCU控制繼電器的方案來實現拉合閘。

2.2水表、氣表節點設計

水表和氣表都是采用脈沖式計數的方法，在做硬件設計的時候其設計方案是一樣的，此處以水表為例作介紹。水表節點的結構如圖3所示。節點由CC2530、無線傳輸、EEPROM電路構成。對于水表的計數采用中斷計數的方案，通過外中斷采集計數脈沖。采用脈沖計數的方案，如果不做特殊處理，在系統失電之后計數就會復位。為實現對數據的保存，采用外置EEPROM的方案，每計數一次則更新一次EEPROM中存儲的計數信息，系統重啟之后先讀取里面的計數信息，然后開啟中斷計數。

2.3網關設計

網關部分的設計在整個系統的設計中起著承上啟下的作用，其結構如圖4所示。網關主要負責接收來自能耗監管平臺的信息并下發給對應的節點，接收來自節點的反饋信息并轉發給服務器。網關部分還承擔著監測整個網絡運行狀態的任務，監測新節點的加入、無效節點的刪除以及節點的丟失，以維持整個網絡的穩定和系統的穩定運行。

2.4控制中心計算機

能耗監管平臺定時向各終端節點下發采集數據命令，并接收來自終端節點反饋的數據信息，并將這些信息存儲在數據庫中。如果需要，亦可以實現對某一個節點的實時采集。能耗監管平臺可以直接顯示并訪問到各棟樓的各個樓層的各個房間的各個表。根據需要能耗監管平臺可以生成各個房間、各個樓層、各棟樓的相應數據分析圖，通過對數據分析我們可以找出節能潛力點，發現能源浪費點，保存基礎數據，計量合理準確。

3.結語

對校園能耗實行分項計量是目前高校能耗計量的新趨勢。通過分項計量得到的數據分析可以挖掘校園建筑的節能潛力，為校園建筑的節能改造工作提供完善的技術支持和數據依據。通過對能耗監管平臺數據的處理分析，找出該校園的節能潛力，并提出對應的節能優化建議，為將來的校園節能工作的進一步開展提供了依據。同時，通過對校園用能指標的研究，確定了初步的節能判斷依據，對將來校園新建建筑的節能工作具有借鑒意義。endprint