基于物聯網的建筑設備智能電源監控系統

朱 靚，溫瀟華

(1.石家莊職業技術學院建筑工程系，河北石家莊050000；2.石家莊鐵道大學，河北石家莊050000)

智能建筑是根據建筑的結構、成分、功能進行一體化設計和控制的新型建筑形態，隨著電氣設備更新換代速率越來越快，集成智能電源控制監控系統的建筑設備必然是未來主流的方向，結合物聯網的技術特點重新定義建筑設備的智能化，推動新技術形態下的建筑設備智能化生態具有非常重要的社會意義和經濟價值[1]。

建筑設備智能化涉及一套完整的技術生態，涵蓋了數字傳感技術、光通信技術、電子集成電路技術、無線組網技術和數據庫技術等多種高新技術，在這些技術的基礎上，通過組建各種電力設備構建一套完善的電源監控系統，實時采集匯報建筑設備的工作狀態和設備負載情況，保障建筑設備高效穩定地運行。

本文在充分調研和分析了當前物聯網的技術特點后，針對物聯網數據采集層、數據通信層和上層應用層的三層體系架構，提出以物聯網為支撐載體，結合ZigBee快速組網和快速數據傳輸的優勢，并以4G通信網絡為應用接入協議，構建針對建筑設備的實時電源監控系統，該系統以嵌入式硬件為核心，以組網通信為數據載體，能夠實現對建筑設備的有效監控。

1 物聯網的技術形態分析

物聯網是智能家居和工業生產中廣受關注的熱點技術，它通過射頻識別(RFID)、紅外檢測、GPRS定位系統等設備能夠將任何一件設備快速與互聯網鏈接進行數據通信和交互，從而實現設備的通信、控制和實時監控[2]。

物聯網根據其技術形態主要包括數據采集層、數據通信層和上層應用層。數據采集層主要負責最原始數據的收集；數據通信層作為連接數據采集層和上層應用層的紐帶，一方面需要將數據采集層的原始數據傳輸給上層應用層，另一方面需要將上層應用層的控制信號下發給數據采集層；上層應用層也稱為控制交互層，是直接與用戶進行互聯的部分，直接負責終端用戶的操作。

對于智能電源系統，數據采集層需要收集多種數據信號，溫度傳感器收集溫度信號、氣壓傳感器收集氣壓信號、濕度傳感器收集濕度信號[3]，另外還需要配備紅外探測器和攝像頭等采集視頻和圖像信息，這些傳感器都可以通過嵌入式技術內置在前端設備中，這些傳感器提取的數據信息會通過數據通信層實時上報給上層應用層。數據通信層的設計需要兼容底層和上層的通信協議，底層組網主要采用ZigBee組網方式，ZigBee組網因設備價格低、組網方便并且短距離傳輸速度快，上層通信則采用4G網絡，4G網絡能夠應對設備快速切換網絡，并且可以無縫接入其他網絡中。對于上層的控制決策層負責用戶命令的執行和下發，需要直接和用戶進行交互，可以采用基于JAVA的主流交互系統進行設計。綜上所述，基于物聯網的監控系統框架如圖1所示。

假設建筑設備的容積為V，節點的分布密度為d，則需要鋪設節點的數目為V/d，單次節點的數據傳輸量為πb，數據傳輸的時間間隔為πt，節點的能耗為πw/bit，則對于當前建筑設備需要的能耗為：

圖1 物聯網監控系統框架圖

2 ZigBee前端組網研究

ZigBee技術是基于IEEE 802.15.4標準的通信組網協議，具有組網方便、時延小、能耗低和傳輸快等優點。ZigBee無線傳輸模塊的傳感節點在耗損極小能量的情況下即可以實現各個傳感器之間數據協調適配，能夠以迭代的方式將無線通訊數據從一個傳感節點傳輸到另一個傳感節點，這種優勢能夠適應惡劣環境下零部件耗損問題，本文主要基于ZigBee技術構建前端數據的無線傳感網。

ZigBee將組網機制定義為網絡路由節點nt加入網絡后，其為自身分配的網絡地址為0，設置自身的深度dt=0，當新的ZigBee節點ni加入到節點nt時，nt為節點ni賦予網絡地址，同時將ni加入到自身的子節點列表，同時將子節點的深度設置為di=dt＋1，節點深度表示數據在ZigBee網絡中到達路由器的最小跳數。

一個新的精簡功能設備(RFD)節點ni沒有路由能力，它與路由器建立連接并作為路由器第n個子節點。根據它的深度di，父節點nt將為子節點ni分配網絡地址如式(2)：

如果是新的子節點全功能設備(FFD)，它具備路由能力，父節點nt將為它分配網絡地址如式(3)：

定義Cskip的計算方式如式(4)：

式中：Cm表示路由節點能夠處理的最大子節點數；Lm表示網絡能夠承載的最大深度；Rm表示路由節點能夠處理的最大子路由節點數；d表示節點深度。

3 4G數據通信傳輸

4G指的是第四代移動通信技術，包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。4G集3G與WLAN于一體，能夠快速傳輸數據、高質量音頻、視頻和圖像等。4G技術支持100～150 MB/s的下行網絡帶寬，意味著用戶可以體驗到最大12.5～18.75 MB/s的下行速度。

SLM651是一款LTE“五模二十頻”無線通信模塊并集成了GPS功能。SLM651模塊具有低功耗、高靈敏度設計特點，非常適合于各種無線通信應用，SLM651工作頻段包括TD-LTE:Band38/39/40/41，F DD-LTE:Band1/3/5/7/8/20， TDSCDMA:Band34/39， WCDCMA:Band1/2/5/8， GSM:Band5/8/3/2，GPS L1:1575.42MHz，因此可外擴 3G、4G、GPRS、ZigBee、RFID等無線通信模塊。將4G通信模塊嵌入智能硬件中，4G通信模塊作為內置芯片負責上層數據傳輸。

4 系統整體架構設計

智能電源監控系統的后臺為終端用戶操作界面，用戶終端分為PC終端和移動終端兩部分，其中PC終端又可分為Windows操作終端和MAC操作終端，移動終端可分為手機終端和iPad終端，終端命令的下達主要通過4G網絡實施。采用數據庫技術保存底層實時上報的環境參數，并在終端以走勢圖的方式動態展示，用戶根據時間流的數據變化判斷建筑設備狀態。

一般而言，正常數據不會出現明顯的擾動，在數據分布上相對較為穩定，可根據規則和統計規律預先設定范式固化在終端，當出現異于范式的模式時則發出報警由用戶裁決。范式提取算法如下：

輸入：數據類別集合T=(T1,T2,…,Tn)，數據類別對應數據流集合D=(D1,D2,…,Dn)；

輸出：數據類別Ti對應范式σ。

算法流程：(1)對于i到n，存在Ti∈T,Ti對應數據流為Di；(2)數據流Di存在數據集合Di=(di1,di2,…,dit,…,dik)，dit表示t時刻數據記錄，記范式時間窗口為t，則范式表征為記σ為范式，新數據超過范式則判

用戶通過終端和數據通信層、數據采集層交互，實時發送對應指令控制網絡中建筑設備，當有新設備入網時，則會要求實時上報當前的環境參數，對于已經入網的設備，則可周期性匯報環境參數，并以輪詢的方式周期性遍歷所有設備，具體的工作流程如圖2所示。定為異常數據。

圖2 系統整體架構設計圖

5 實驗與仿真

本實驗主要用于驗證當前系統設置是否符合實際場景，能否在保證數據有效傳輸的前提下節約能耗。系統仿真平臺采用 Matlab，分別選取節點覆蓋密度為 25、30、35、40、45、50/m3，即每立方米部署節點數量，模擬仿真通信時長為100、150、200、250、300、350、400、450 s，主要用于對比不同參數下數據丟失率。定義丟失率如式(5)：

式中：T表示通信時長；πt和πb的定義如式(1)分別表示第i個時間片段的πt和πb值。

不同節點覆蓋率下數據丟失率對比如圖3所示，在通信時長較低(100～150 s)時，不同節點的部署密度在丟失率上并沒有明顯區別，隨著通信時長的拉長，數據在通信節點會出現一定程度的阻塞，數據的丟失率也會發生較為明顯的變化，一般而言，節點部署密度越密集，數據傳輸信道的阻塞也會越明顯，數據丟失率也會隨之升高，這可以從圖3中看出。相對而言，節點部署密度過低則不易快速實時捕獲建筑設備的工作狀態和工作參數，對系統的容錯性會有一定的影響，節點密度部署過高，一方面會出現較為嚴重的數據擁堵，另一方面從式(1)可以看出系統整體的能耗也較高。由仿真結果可知，在節點部署密度為35/m3時，整個系統在數據丟失率上會取得比較平衡的效果，不會出現明顯的數據突變。

6 總結

圖3 不同節點覆蓋率下數據丟失率對比

本文闡述了智能建筑作為未來建筑設備智能化的發展方向，建筑設備的智能化監控越來越成為主流的監控技術，用戶通過終端可以實時查看建筑設備的工作狀態，隨時調整設備的工作頻率和負載。以物聯網的三層體系結構為依托，以大規模和高效的4G網絡作為通信載體，搭建了一套針對建筑設備的智能電源監控系統，實踐表明，該系統具有一定的社會意義和經濟價值。

[1]鄭麗娜.基于物聯網的電源智能監控系統設計[J].電源技術，2017(3)：493-494.

[2]譚海燕，崔如春，文翰，等.基于物聯網技術的大型儀器設備智能監控管理系統設計與實現[J].軟件導刊，2017(2)：91-93.

[3]孫皓月，呂國，張梁，等.基于物聯網的智能建筑電源監控系統的研究[J].電源技術，2014(1)：113-115.