基于ZigBee技術的校園能耗監控系統的建立

尹 博，劉 莉，宋寶泉，王佳晗，李菥然

（1．沈陽工程學院，沈陽 110000；2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽 110000；3.遼寧省電力有限公司計量中心，沈陽 110006）

基于ZigBee技術的校園能耗監控系統的建立

尹 博1，劉 莉1，宋寶泉2，王佳晗3，李菥然3

（1．沈陽工程學院，沈陽 110000；2.遼寧省電力有限公司電力科學研究院，沈陽 110000；3.遼寧省電力有限公司計量中心，沈陽 110006）

為解決校園建筑能耗監測問題，本文構建了基于ZigBee網絡和校園網的能耗監控系統。該系統通過ZigBee網絡的終端節點采集分類、分項的能耗數據，利用校園網進行數據傳輸，采用基于B/S+C/S結構的客戶端，實現對能耗的實時監測、統計分析和遠程控制，為能源合理利用提供決策依據。

ZigBee；能耗監控；校園網

1 引言

能源是發展國民經濟、改善人民生活的重要物質基礎。隨著我國經濟發展，人民生活水平的提高，全國建筑能耗呈穩步上升的趨勢，加大了我國能源壓力，制約著國民經濟的持續發展，因此降低建筑能耗已是刻不容緩。高等學校集教學、科研和生活于一體，人口密度高，建筑量大，更是重要的能源消耗大戶。特別是近幾年來，高校規模的不斷擴張使能源消耗更是呈現快速上漲趨勢。

針對這一情況，國家發布了《高等學校節約型校園建設管理與技術導則》，為校園規劃、設計、建設、管理、教育普及等各階段環節提供了全面的管理與技術指導《導則》中明確規定要逐步實現數據采集記錄自動化，通過分類計量、分項計量、能耗統計報表及能耗數據庫建設等方法建立校園建筑及用能設施分類或分項能耗統計制度[l]。

為此，本文建立了一套基于ZigBee技術校園能耗監控系統。通過建設節能監控平臺，實現學校能源分類、分項、分戶計量，滿足管理部門對學校用能情況的實時監測以及用能數據統計分析的需求，有效的提升校園能源管理水平。

2 系統關鍵技術

2.1 ZigBee技術

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制而制定的。有別于GSM，GPRS等廣域無線通信技術和IEEE 802.11x，IEEE 802.11b等無線局域網技術，其有效通信距離在幾米到幾十米之間，屬于個人區域網絡的范疇。采用免沖突多載波信道接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突。設備功耗低，其發射輸出為0～3.6dBm，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據檢測結果，設備可自動調整發射功率，在保證鏈路質量的條件下，最小的消耗設備能量。ZigBee網絡組網方式豐富靈活，具有很強的動態自組織特性[2]。其主要技術特征如表1所示。

ZigBee技術主要優點：

（1）低功耗：傳輸速率低，發射功率僅為1mW，采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。

表1 技術特征

（2）時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備的時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。

（3）網絡拓撲規模大：支持各類網絡拓撲結構，采用主從結構，主節點管理多個子節點，最多可達255個。上層的網絡節點還可反向管理主節點，組成后的網絡最多可包含65536個節點。

（4）可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。

（5）安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

2.2 分項計量技術

分項計量是指通過對建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，對建筑的分項能耗情況進行監測。根據《高等學校校園建筑節能監管系統建設技術導則》，把建筑物的用電分為四大項：照明插座用電、空調用電、動力用電、特殊用電。分項計量模型如表2所示。

建筑內的分項計量方式，能把建筑內各分項用電的能耗呈現給管理者，清晰地展示建筑能耗的區域分布，有助于把各項用能指標與國家公布的建筑物合理用能指南進行對標，為后續的數據分析、政策制定做好準備。

表2 分項計量模型

3 基于ZigBee技術的校園電網分項能耗采集系統

3.1 系統整體設計

校園能耗監控系統由數據采集系統、數據傳輸系統、數據監控中心組成。該能耗監控系統重要設備包括服務器、網關設備及終端設備，其中服務器負責處理接收到的電能表信息，并發送現控制指令，而網關設備與采集設備負責數據傳輸網絡的構建，而終端設備負責與電能表進行通信，讀寫電能表數據，實現向無線網絡中數據的傳輸。系統的整體結構如圖1所示。

整個能耗采集系統工作流程為：借助采集器收集遠程智能儀表的數據，實現表計數據的實時采集，記錄存儲。數據采集器將能耗數據傳輸給數據協調器，協調器是整個系統的橋梁，用于終端管理、數據緩存，一方面接收來自管理中心計算機的各種操作命令并下傳采集終端；另一方面，將采集終端的各種信息回傳管理中心計算機，同時還存儲所轄表計的數據和有關參數，并具有定時抄收采集終端數據，實時臨視采集終端的工作狀態等功能。

圖1 系統整體結構

3.2 ZigBee網絡的組建

3.2.1 網絡拓撲結構

在ZigBee網絡中有協調器、路由器、終端節點3種節點。協調器也叫匯聚節點，它是網絡的核心，負責整個網絡的建立和維護，并分配各節點的網絡地址。路由器除了發送和接收本節點的數據外，還要擔當路由功能，為其子節點轉發數據。終端節點由于沒有特定的維持網絡結構的責任，可以隨時加入或退出網絡。根據設備的通信能力，ZigBee節點又可以分為全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。FFD不僅具有自身收發數據的功能，還兼具路由轉發功能，而RFD則沒有路由功能，但其具有休眠功能，能夠最大程度地節省能耗。因此，協調器和路由器通常由FFD構成，終端節點則由FFD或RFD承擔。

ZigBee網絡根據實際需求及3種節點不同的角色，可以構建3種拓撲結構：星形網絡、樹形網絡、網狀網絡。其中，網狀網絡的每一個終端節點都具有路由轉發功能，任何節點信息都可以通過多條路徑到達匯聚節點，這種網絡動態性能好，容量大。并且考慮到校園的建筑的布局較分散，無線信號功率需穿越墻體，ZigBee設備組網的拓撲結構采用網狀網絡[3]，其中，路由節點具有數據轉發功能，可以保證ZigBee網絡中數據傳輸的可靠性和系統的穩定性。

3.2.2 網絡工作流程

協調器作為ZigBee網絡的主控節點，負責網絡的建立，節點的加入與管理和網絡地址的分配，同時與服務器實時通信等。其工作流程：協調器上電、系統初始化后，在某個空閑信道建立ZigBee網絡；路由節點認證后加入網絡，同時協調器為其分配ZigBee一個網內惟一地址，并記錄其地址信息，之后進入ZStack協議棧[4]操作系統的任務輪循。當有中斷事件發生時，對事件類型進行判斷：如果是ZigBee網絡路由發送過來的各地的能耗信息，則將此消息以規定的數據格式通過串口發送至服務器進行分析；若是服務器發送的命令，則向相應節點發送相應命令。

路由的主要任務為網絡的搜索與連接、采集和發送相關設備及能耗的信息、并具有控制相關設備的功能。其工作流程：路由上電后，先進行系統初始化，再搜索并加入可用網絡，之后進入協議棧操作系統的任務輪循。當有中斷事件發生時，則判斷事件類型：如果是定時采集本節點相關傳感器信息的事件，則進行數據采集，并將采集的數據以規定的格式發送至協調器；若是收到協調器發送的命令，則執行相應的命令。

3.3 監控網關

監控網關部分包括ZigBee網絡的協調器和Internet服務器兩部分，其間通過UART串口進行實時的相互通信。系統中的監控網關是整個網絡的關鍵，整個監控網關借助協調器的ZigBee收發模塊與自組網絡中各個路由通信，同時借助服務器通過校園網，使用數據無差錯、不丟失、不重復，并且按序到達的TCP/IP協議和HTTP協議與客戶端遠程實時交互。

3.4 監控平臺

3.4.1 平臺構架

作為能耗監控系統的核心，數據中心是整個監控平臺的支撐。目前較為常見的兩種體系架構是C/ S和B/S。B/S的結構特點是通過瀏覽器訪問服務器的程序，可以在任何地方進行操作而不用安裝專門的軟件，只需一臺能上網的電腦就能使用，客戶端零維護，系統的擴展非常容易。C/S結構特點是客戶端要安裝客戶端程序，通過客戶端程序與服務器進行交互，C/S的優點是能充分發揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后再提交給服各器，客戶端響應度快。

從當前技術水平看，B/S體系特別適用于用戶交互量不大的應用，對于要求高速、頻繁交互的模式則采用C/S體系，所以兩者在應用時應相互補充。這種混合模式是企業應用最多的模式，其基于Web的管理信息體系流程見圖2。這種管理體系是基于網絡的、分布式的、異構的管理信息系統，可以容納不同地域、不同網絡結構類型、采用不同數據庫和應用程序開發工具、在功能上相對獨立的管理信息系統，各種管理信息系統通過Web服務器，在客戶端以瀏覽器方式訪問，實現系統之間的信息共享[5]。

3.4.2 平臺功能

圖2 基于Web的管理信息體系流程

（1）統計功能表格：報表導出要滿足不同功能需求，能導出各種符合公共機構統計格式的能耗報表；圖表（自動生成曲線圖、柱型圖、餅圖、雷達圖等）；查詢（支持關鍵詞查詢、時間查詢等功能）；分時段計量（能夠自動按不同時間段的設定來統計電耗）。

（2）能耗分析功能：包括對建筑能源利用狀況進行定量分析，分時、分區能源消耗對比分析，人均能耗歷史對比分析等。

（3）報警功能：根據系統不同計量點的歷史能耗數據設定能耗異常報警參數，并依據能耗報警參數實現實時監測報警、短信報警、能耗報警報告自動生成、能耗報警記錄查詢等功能.

（4）計費功能：系統可根據各單位能耗，進行實時或月度、年度能耗費用的統計，同時可結合各種智能計量儀表實現用能的預付費管理功能.

（5）用能控制功：現階段的智能儀表都具有遠程開斷功能，如出現能耗異常報警或者由于欠繳費用等情況可自動中斷供電，以免造成不必要的損失。

（6）系統管理：系統提供了用戶權限管理、系統日志、報表管理、系統錯誤信息、系統操作記錄、系統參數設置、數據維護存儲等功能。

4 結束語

基于IEEE802.15.4的ZigBee技術以其無可比擬的優勢在短距離無線個域網技術中得到蓬勃發展。本文分析其網絡相關特性，闡述網絡組建流程，并以其為基礎建立了校園能耗監控系統。該系統的建立有助于實現高效能耗精細化管理和高校節能工作的推進，具有一定的現實意義和社會意義。下一步可以在能耗監控的基礎上增設用電器的智能控制設備，通過ZigBee網絡實現用電設備智能控制，減少電能浪費。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．高等學校節約型校園建設管理與技術導則田[S]，2008-05

[2] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌．ZigBee技術及應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007

[3] 宋冬，廖杰，陳星等．基于ZigBee和GPRS的智能家居系統設計[J]．計算機上程，2012(23):243-246

[4] 楊松，胡國榮，徐沛成．基于CC2530的ZigBee協議MAC層設計與實現[J]．計算機工程與設計，2013 (11): 3840-3844

[5] 王蘭．基于C/S和B/S混合模式企業能源管理系統[J]．鈦合金，2015(05):45-48

Establishment of Campus Energy Consumption Monitoring System Based on ZigBee Technology

Yin Bo1, Liu Li1, Song Baoquan2, Wang Jiahan3, Li Xiran3
(1.Shenyang Institute of Engineering, Shenyang,110000; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd., Shenyang,110000; 3. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang, 110006)

In order to solve the problem of energy consumption monitoring in campus buildings, this paper constructs an energy consumption monitoring based on ZigBee network and campus network. The system collection classification, sub-items of energy consumption data through the ZigBee network terminal node, use campus network for data transmission, adopt the database system based on B/S+C/S structure, achieve real-time monitoring of energy consumption, statistical analysis and remote control , provide decision-making basis for the rational use of energy .

ZigBee; Consumption monitoring; Campus network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.003

TN92，TM933.4文獻標示碼：A

1672-7274（2017）03-0009-04

沈陽市科技項目重點實驗室資助項目（F16-091-00）。沈陽工程學院資助項目（LGXS-1616）。

尹 博，男，1990年生，內蒙古通遼人，碩士研究生，從事電力系統及其自動化相關工作。