混合服務策略輪詢特性分析及接入節能控制系統設計

李海峰 梁竹關 丁洪偉 楊志軍 段文迪

摘 要：針對建筑樓宇等場所耗能嚴重的問題，提出一種本地接入及遠程接入兩種不同接入方式的節能控制系統方案，采用輪詢模型，當不同用戶在被服務過程中時，由系統實時控制樓宇內特定區域的受控電器工作，避免全天候開啟造成的過度浪費。經過理論推導得出輪詢系統概率母函數、平均排隊隊長和平均等待時間，并利用Matlab進行理論值與實驗值的仿真分析，由此確定遠程接入的預約時間，證明該方案的可行性。然后在理論分析和仿真驗證基礎上設計了控制系統電路方案，主要由能夠區分混合服務策略的令牌產生模塊、令牌識別模塊構成，基于FPGA平臺的仿真實驗結果充分說明了設計方案完全達到了設計要求。

關鍵詞：節能減排;接入控制;智能控制;混合服務策略輪詢;Matlab;FPGA

中圖分類號：TP39;TN914 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

人類社會不斷進步，節能減排在世界范圍內蔚然成風，黨和國家高度重視。經濟迅猛發展的同時能源需求量極大增長，無論智能電網風力、光伏等新能源并網發電，還是煤炭等不可再生的傳統能源發電，在利用的過程中都需要投入資金、消耗大量資源、造成一定污染，節能減排對建設生態文明國家戰略而言尤為重要[1-2]。

從用電端減少電能的消耗以及對電網沖擊造成的諧波污染是一種節能減排的可行方案。我國建筑能耗已占據社會總能耗的絕大部分，而其中供熱、空調系統能耗更約占這部分能耗的70%[3-4]。智能技術的發展與創新使得智能建筑迎來新局面，越來越多的智能建筑開始大規模使用計算機、無線通信、網絡技術，并取得了一定成效，智能樓宇不僅可以實現安全、消防檢測控制[5-6]，還可以實現供熱、空調、照明、給排水以及供配電等智能控制[7-9]。

在節能的同時需要滿足國民對生活和工作環境的要求，滿足綠色化的同時實現人性化和智能化。無論寒冬盛夏，人們都希望從室外進入房間就能享受舒適的環境，另外當房中無人時，應及時關閉通用電系統，并設法在用戶到達房間之前的特定時段提前控制打開用電器。移動互聯網的快速發展和普及使人們依賴應用手機終端為自己提供便捷、安全、智能的服務。目前，無論是學校[10]、企業[11]、政府[12]、酒店[13]甚至家居樓宇[14]都鋪設了互聯互通、集中管理、分散控制的控制系統，使得采用合適方式接入控制智能樓宇的房間暖通或空調等用電系統成為可能[15]。采用如短信、微信、APP等預約方式，通過手機遠程接入把預約時間傳輸到房間的控制系統中，在預約時間開啟用電器[16-17]。利用RFID技術可直接通過智能樓宇門禁系統自動開啟，即本地接入。為節省開銷和方便維護，遠程接入和本地接入均需先接入集中管理系統，然后共用總線傳輸到相應房間的分散控制電器中。

從需要被服務的緊急程度來看，遠程接入和本地接入屬于不同性質，前者可以規定預約時間的下限，屬于能夠適當延緩服務的用戶數據，而后者來不及預約，屬于需要緊急服務的用戶數據，因此，需區分服務以滿足用戶的使用體驗。因其控制的有效性，輪詢模型被廣泛應用于交通信號控制、工業控制、計算機和通信網絡中[18-19]。采用輪詢模型的輪詢系統分類通常會根據服務臺（器）查詢每個數據隊列（終端），服務數據分為門限、完全和限定K三種類型。其中，限定K（K=1）服務系統有較好的公平服務特性，但平均等待時延較長[20];完全服務系統平均等待時延最短，但公平性較差[21];門限服務系統的性能適中[22]。本文針對智能樓宇的上述節能需要，提出創新型方案，設計了基于混合服務策略輪詢的接入式節能控制系統，通過理論推導、特性分析、電路設計驗證方案可行性以及系統功能的正確性。

1 混合服務策略的輪詢模型

1.1 模型定義

用戶接入系統后形成隊列，本文提出的混合服務策略輪詢系統模型把本地接入和遠程接入的用戶數據（信息分組）分別歸為中心隊列h和普通隊列d，采用完全服務策略和限定（K=1）服務策略。通過嵌入式馬爾可夫（Markov）鏈和概率母函數構建系統數學模型，在離散時間狀態下解析出系統信息分組的平均排隊隊長和平均等待時延等特性參數，為設計智能樓宇接入節能控制系統硬件電路奠定理論基礎。輪詢系統模型如圖1所示。

2 混合服務輪詢系統性能分析

2.1 平均排隊隊長用gdh（j）表示tn*時刻系統對中心隊列h服務時，隊列j（j=d，h）中平均排隊等待服務的信息分組數;用ghd（j）表示在tn+1時刻系統對普通隊列d服務時，隊列j中平均排隊等待服務的顧客數。根據概率母函數的性質，ghd（j）和gdh（j）分別由式（4）、式（5）求一階偏導后化簡而得：

經推導化簡得中心隊列h信息分組平均排隊隊長：

同理對式（4）、式（5）求二階偏導數，聯合一階偏導，經計算化簡得到普通隊列d信息的分組平均排隊隊長：

2.2 平均等待時延

信息分組等待時間wj是指信息分組進入隊列j（j=d，h）的存儲器到其被發送出去的時間，其概率母函數為Wj（zj），普通隊列和中心隊列信息分組的平均等待時延用E（wd），E（wh）表示，根據排隊論和概率母函數的性質可得到普通隊列信息分組的平均等待時延：

式中平均查詢周期。

中心隊列信息分組的平均等待時延：

3 混合服務輪詢理論計算與仿真分析根據以上所建立的混合服務策略輪詢系統模型，信息分組到達過程服從泊松分布，在系統穩定條件下應用Matlab進行數值計算以及仿真實驗。輪詢特性參數曲線如圖2所示，改變服務條件生成曲線結果如圖3所示。

實驗結果表明：理論值與仿真結果一致，驗證了系統模型的合理性。進一步分析系統的性能：

（1）圖2（a）與圖3（a）表征了不同條件下隊列平均排隊隊長，隨著信息分組到達率的增加，中心隊列的平均排隊隊長較之于普通隊列更短，得到了很好的服務區分。

（2）圖2（b）與圖3（b）表征了不同條件下隊列平均等待時間。隨著信息分組到達率的增加，中心隊列的平均等待時間較普通隊列更短，得到了很好的服務區分。將圖中縱軸時隙單位取為s，則中心隊列平均等待時間約為1 s，符合正常刷卡的時間要求，而普通隊列平均等待時間上限（手機預約時間下限）分別約為550 s和130 s，即對應至少提前約10 min和3 min，實際設計中應取更大的預約時間。

4 基于FPGA的系統設計與仿真

4.1 設計思路

為避免碰撞，確保在任一時刻僅有一個節點能夠獨占信道，即只有一個隊列向共用總線傳輸數據，系統采用包含控制信息和地址信息的幀作為令牌。本地接入和手機接入的信息分組送到接入控制系統的存儲器等待傳輸服務，系統輪詢向排隊等待傳輸服務的隊列發放令牌，中心隊列和普通隊列通過識別令牌信息決定是否能夠占用總線傳輸數據以及采用的服務策略。根據描述，對系統進行自上而下的模塊化電路設計，接入控制系統的主要功能模塊分別是存儲器模塊、令牌產生模塊、令牌識別模塊。系統結構如圖4所示。

（1）存儲器模塊設計

系統為每個受控電器分配專門的地址編號，無論是手機或RFID卡接入，被服務時均須指明需控制的電器地址編號。中心隊列和普通隊列分別配置足夠容量的存儲器，并按照先進先出的順序讀出數據。不論是本地接入或遠程接入，用戶均隨機接入。中心隊列用戶通過門禁卡接入系統，當讀卡系統讀取門禁卡信息時將對應的電器地址提取出來，送到該接入控制系統的中心隊列存儲器;普通隊列用戶的遠程接入信息包含需要控制的電器地址信息，打開電器的預約時間，信息便送到接入控制系統存儲于普通隊列的存儲器中。

（2）令牌產生模塊設計

當接入控制系統輪詢到普通隊列時，只提供傳輸一個信息分組的服務，而輪詢到中心隊列時，需要提供傳輸所有信息分組直到無信息分組為止的服務，故服務過程中需要不斷檢測其是否為空。令牌包含服務隊列的地址信息和服務策略的控制信息。令牌幀中的地址信息控制相應隊列獲得占用總線發送數據的權限，令牌幀中的控制信息需區分是完全服務還是限定（K=1）服務的策略。

（3）令牌識別模塊設計

各隊列通過檢測發放的令牌幀中的地址信息以確定是否獲得發送數據的權限。中心隊列獲得發送權限后可占用傳輸通道發送存儲器中的數據至存儲器為空，普通隊列獲得發送權限后可占用傳輸通道發送其存儲器中的一個信息分組。

4.2 仿真波形

本系統采用Altera公司的QuartusⅡ開發軟件進行設計仿真驗證，仿真結果如圖5所示。其中data1和data2為中心隊列和普通隊列存儲器的輸出數據;q為該系統服務后輸出的數據;empty為用于檢測被服務隊列是否有信息分組需要傳輸的信號，低電平時表示隊列中有信息分組需要傳輸;num為檢測隊列是否收到令牌的信號，高電平表示收到令牌;chanel為檢測是否獲得占用通道權限時間長短（區分服務策略）的信號，高電平時打開對應隊列的數據發送通道。

在仿真過程中向隊列隨機加入數據“0”表示隊列空，此時隊列中無信息分組，當data1非0時，即中心隊列中有信息分組（empty1=0），此時隊列1獲得令牌權限（num1=1）與通道占用權限，通道打開（chanel=1），data1中信息分組依次被完全服務（從q端輸出）;當data1中信息分組為“0”時，中心隊列中無信息分組（empty1=1），普通隊列獲得令牌權限（num2=1），若存儲器中有信息分組（empty2=0），此時普通隊列獲得通道占用權限且通道打開（chane2=1），data2中的一個信息分組被限定（K=1）服務（從q端輸出）;普通隊列中的一個信息分組被傳輸服務后中心隊列獲得傳輸權限，依次類推，周而復始，系統功能得以驗證。

5 結 語

本設計針對服務器在處理不同業務時性能需求方面的差異，提出一種雙隊列單服務臺混合服務策略輪詢模型，以該輪詢模型作為理論基礎設計接入控制系統，不同接入方式采用不同的服務策略，實現了用戶刷卡和預約，使得系統在服務時控制樓宇建筑內耗能設備在特定時段工作，實現節能控制的目的。經公式推導計算，通過Matlab仿真分析模型特性，結合FPGA進行系統設計及仿真，從理論到實踐驗證了該模型的合理性與功能的正確性。本文提出的方案思想不僅可以用于智能樓宇節能控制，還可結合物聯網、人工智能等技術將其運用于智能電網、智能交通、智慧教室等調度、服務，具有廣闊的應用前景及研究價值。

參 考 文 獻

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