基于NB-IoT的公共機構節能用電智能開關系統

劉 鐳，林文如，陽 清

(閩江學院 1.數學與數據科學學院(軟件學院)；2.計算機與控制工程學院，福建 福州 350108)

用電信息采集系統產品作為智能電網建設的關鍵終端產品之一，對于電網實現信息化、自動化、互動化具有重要支撐作用[1]，經過近十年的發展，它們在各用電單位的入口處得到了廣泛的應用[2]，但在醫院、學校、政府機關、企事業單位等公共機構的內部場所，如病房、教室、實驗室、公共辦公室、走廊過道等，其電器設備、公共照明等容易出現泛管理或缺管理的情況，造成電能浪費的情況。

相對于小范圍普通應用場景的智能化軟硬件系統，公共機構內部場景使用的節能用電測控終端及系統的智能化連接存在更多挑戰及困難，這些困難源于如下因素：①公共機構的場所分布范圍較大，待測控的節點數量龐大，通信距離受限[3]；②系統產生的大量運行數據，缺乏有效的技術手段進行大數據挖掘與分析；③為實現高并發、高可用等目標，對系統研發提出了更高的要求[4]；④當下的普通智能電表由于是從傳統電表發展而來，體積較大，通信接口較單一，不容易實現全網通信[5]。

國管委、國家發展改革委聯合編制發布的《“十四五”公共機構節約能源資源工作規劃》中指出[6]，規范公共機構能源資源計器具配備，依托高等院校、科研院所建立技術支撐體系，開展節能關鍵技術集成示范，推進互聯網、物聯網技術與傳統節能環保技術的深度融合，提升節約能源資源工作信息化、智能化、科學化水平。基于以上背景，本文基于NB-IoT技術，研發了一種體積較小、無顯示屏、不受通信距離限制可實現全網通信的用電智能測控終端，并結合圖像識別技術，接入天翼云物聯網平臺，實現對受控端用電設備的統一管理、狀態監測、能耗分析。

1 系統拓撲結構

基于NB-IoT的系統特點是三層結構模型：感知層、網絡層、應用層。感知層(信息獲取層)，即利用各類傳感器、狀態檢測終端等隨時隨地獲取物體的信息；網絡層(信息傳輸層)，通過各種NB-IoT電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞；應用層(信息處理層)，把感知層得到的信息進行處理，實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等實際應用[7-8]。

本文實現的測控終端是屬于上述描述中的感知層，負責連接底層用電設備，采集用電設備的通斷電情況(用電時間、時長、電能消耗記錄)，并將信息上發到網絡層同時執行應用層下發的指令。系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

2 系統設計開發

2.1 智能開關控制盒的設計

2.1.1 硬件設計

NB-IoT智能開關控制盒主要有：取電電路、電壓電流檢測電力、電池充放電控制電路、NB模組電路、主控CPU，繼電器及驅動電流。其硬件系統框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統框圖

取電電路：從市電取電，給智能開關控制盒提供電源。使用專用的AC-DC電源變換模塊來獲得系統所需的電源，AC-DC電源變換模塊具有體積小，性能穩定、結構設計簡單等特點，不足之處就成本稍微偏高。

電壓電流檢測電路：電壓、電流檢測電路主要是監測市電電源及每一路開關在帶負載時輸出的電流大小。另有電池電壓的采樣電路，在設計上主要采用分立元器件實現，難點是市電電壓的隔離采樣。

電池充放電電路：該電路實現了完成充電時自動切斷充電，防止過充，也防止電池過放，這部分功能是利用硬件電路輔助軟件加以實現。

通過實際施工 （理論計算工程量相同施工渠段74+660～75+095段），可將強夯法、翻壓法、素土擠密樁法進行綜合對比，如表1。

NB模組電路：NB模組采用目前市面上通用的支持電信運營商的模組，包括PCB天線電路部分、SIM卡插槽電路部分。其難點是天線設計，既要滿足通信信號的最大化，通信質量穩定，又要保證在有限的結構里面完成。采用將天線設計在電路板上，PCB天線部分采用雙面鏤空去銅精確計算阻抗的技術加以實現。

主控CPU:主CPU用的是STM32F103系列芯片，此芯片功能齊全，便于以后做多功能多接口的物聯網開關功能擴展。

繼電器及驅動電路：繼電器采樣的是磁保持繼電器，關閉和開啟采用獨立電路驅動。防止繼電器的誤動作情況出現。

2.1.2 軟件設計

軟件采用C語言編寫，在Keil uVision5集成開發環境下編譯完成，下載到STM32L4系列芯片中運行。軟件又是智能開關控制盒的核心所在，實現信息的上傳下達、數據存儲記錄、邏輯判斷及動作控制。軟件系統框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統框圖

通信模塊功能：通信功能主要實現的是智能開關控制端與運營商的NB-IoT平臺進行通信，包括通信模塊的自檢、信號檢測、通信連接的建立、固定協議的數據發送、通信速率的設置、網絡斷開時的自我發現與自我重連。只有與平臺建立連接之后才能通過平臺往智能控制端發送控制指令，并將采集到的數據回送到平臺端供應用程序讀取、保存、記錄。

能量采集計算模塊功能：此功能是通過采集每一路開關的輸出電壓、電流數據，通過一定的計算算出此路開關累計功耗及在某些時間段的能量消耗(此計算和記錄放可在用戶程序端進行)。

設備端管控模塊功能：該功能是獨立控制每一路開關的通斷，達到控制各用電設備的目的，實現遠程智能控制，可以在無人為干預的情況下實現自動定時控制。當現場進行手動控制時，手動控制優先級高于遠程自動控制命令。

2.2 基于人體識別的輔助決策控制

在人體識別輔助控制方面，使用“百度智能云”的人流量統計(動態版)API接口，該接口統計圖像中的人體個數和流動趨勢，主要適用于以低空俯拍、出入口場景，以人體頭肩為主要識別目標[9]，非常適用于本項目中識別場所內部是否有人的這個需求。

當系統開啟自動控制功能后，房間的所有開關設備將交由系統進行智能化控制，通過傳入來自攝像頭的單幀圖像，檢測圖片中的人體頭肩，返回圖像中總人數，若人數為0，則自動向控制盒下發斷電指令，達到節能的目的。系統也提供人為的控制手段，可以根據相應的權限對設備進行直接操作斷電。此外，對于一些特殊的情況，如某個房間正在進行長時間的科研計算任務等，可以臨時關閉自動控制功能。

2.3 控制盒接入天翼云物聯網平臺

智能開關控制盒使用LwM2M通信協議接入中國電信天翼云物聯網平臺，開關設備便可直接在該平臺上進行管理和監測。LwM2M(lightweight Machine to Machine)是由OMA(open Mobile Alliance)定義的物聯網協議，主要使用在資源受限(包括存儲、功耗等)的NB-IoT終端[10]。LWM2M協議棧如圖4所示。

LWM2M ObjectsLWM2M ProtocolCoAPDTLSUDPSMS圖4 LWM2M協議棧

LWM2M把設備上的服務抽象為Object和Resource，并在XML文件中定義各種Object的屬性和功能。

LWM2M Objects：每個對象對應客戶端的某個特定功能實體。LWM2M規范定義了標準Objects，比如urn:oma:lwm2m:oma:1；(LWM2M Server Object)、urn:oma:lwm2m:oma:3；(Device Object)，每個object下可以有很多resource。比如Device Object可以有Manufacturer，Model Number等resource。

LWM2M Protocol定義了一些邏輯操作，比如Read、Write、Execute等。

CoAP是IETF定義的Constrained Application Protocol，用來做LWM2M的傳輸層，下層可以是UDP或者SMS，UDP是必須支持的，SMS可選。

DTLS用來保證客戶端和服務器間的安全性。

2.4 電能統計

根據智能開關控制盒的能量計算功能，向天翼物聯網平臺發送脈沖數據，平臺記錄這些脈沖數據。并用應用程序編程語言開發電能統計的客戶端，按1度電=22560個計數脈的計算方法，計算得到某路開關的用電量。結合樓宇基礎信息的管理，進而實現設備(或電器)、房間、樓層、樓宇、園區等細粒度、多維度的電能統計。

3 測試結果與分析

通過系統集成，實現基于NB-IoT物聯網平臺的智能開關控制盒。在產品結構設計上，充分考慮了安裝便捷性和成本節約性等要素。智能開關能完全安裝在現有的開關機插座面板的強電盒子里。安裝時只要把現有開關或插座面板里面的強電220V電源連接到智能開關電路板的電源輸入端，電路板的輸出端與照明燈、插座面板或用電設備相連接即可，無需進行任何土建的施工改造等過程，降低了安裝的難度，節約部署成本，便于樓宇智能化改造升級。產品實物及安裝示意圖如圖5所示。

圖5 產品實物及安裝示意圖

為了測試系統的運行情況，選取了4個代表性的測試場景，包括辦公室、教室、會議室等類型，如圖6所示。攝像頭采用的是海康威視的DS-IPC-T12-I，該產品支持日夜轉換模式，最大對角線視場角：135.6度，適用于公共機構內部場所的人體檢測使用場景。四個場景的人體識別輔助控制測試結果如表1所示。

(a)辦公室場景(b)人員較多的教室場景(c)人員較少的教室場景(d)無人的場景圖6 測試場景

表1 人體識別輔助控制測試結果

從人體識別輔助控制測試結果來看，對于確實無人的房間(場景d)，其識別結果是準確的，而對于有人的房間，如果人員較少(場景a)，也能較準確識別，如果人員比較多且個體在圖像中有重疊現象的(場景b、c)，就存在識別不準確的情況，但這并不影響系統判斷斷電的執行，因為系統是根據場景中有無人體來進行是否斷電決策的。

電能統計的客戶端測試結果如圖7所示。該客戶端基于Java語言實現，樓宇基礎信息的管理，實現了設備(或電器)、房間、樓層、樓宇、園區等細粒度、多維度的電能統計。

圖7 電能統計

4 結論

本文實現了智能物聯網開關控制盒的開發，體積小、易安裝布點、可實現全網通信，可廣泛應用于大型公共機構或分散場所等用電測控場景。完成了接入“天翼云物聯網平臺”的系統開發，實現遠程控制物聯網開關，并采集物聯網開關端的狀態數據、能耗數據，進而可以實現對受控端用電設備的統一管理、狀態監測、能耗分析，形成了一個智能化的物聯網節能管理信息系統。該系統適用于校園教室、實驗室、圖書管理、體育館等公共場合的電燈、電風扇、空調等設備的系統性管理。該系統的研究，一方面促進相關技術與理論的發展，另一方面也將促進該系統在公共機構的推廣示范，落實國家關于《公共機構節約能源資源“十三五”規劃》的相應要求，具有良好的市場應用前景和社會效應。