基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統設計

曹禮勇，鐘永彥，陳 娟，華 亮

（南通大學電氣工程學院，江蘇南通 226019）

隨著社會的發(fā)展，多功能城市建筑群越來越多且規(guī)模越來越大，并逐步向智能化、便捷化方向發(fā)展。同時，由于生活水平的提高，人們對照明、空調及其他電器的需求也越來越大[1-3]。目前，我國的建筑能耗占社會總能耗的30%左右，而能源效率僅為33%，能耗強度遠高于世界平均水平。其主要原因在于缺乏能耗數據的積累，使得管理人員無法了解建筑物內用電設備的實際耗能水平[4]。因此，須建立科學的建筑能耗監(jiān)測系統，以實時顯示用電設備的耗能狀況，并實現系統的在線運行與管理，從而達到降低建筑能耗、延長設備使用壽命、降低人工成本和提高管理人員工作效率的目的。

建筑能耗監(jiān)測系統通常由采集單元、集中器、監(jiān)測中心和通信網絡組成，其通過采集單元計量用電設備的能耗數據，并利用集中器將能耗數據轉發(fā)至監(jiān)測中心。傳統的建筑能耗監(jiān)測系統通常采用有線數據傳輸方式。隨著物聯網技術的發(fā)展，無線通信方式得到廣泛應用，其可有效解決監(jiān)測系統布線復雜的問題。目前，常用的物聯網無線通信技術主要包括紅外通信[5]、GPRS（general packet radio service，通用分組無線業(yè)務）[6]、ZigBee[7]、LoRa（long range radio，遠距離無線電）[8]、Wi-Fi[9]和 BLE（Bluetooth low energy，低功耗藍牙）[10]等。傅文淵等[11]將紅外通信技術應用于抄表系統，提高了抄表效率，但紅外通信方式存在距離短、穿透性極差的缺點；王欣[12]基于Zigbee技術設計了遠程電力抄表數據采集器，其數據采集效果較理想，但Zigbee通信方式存在傳輸速率慢、穿透性差的缺點；資文彬等[13]提出采用LoRa技術對水表和燃氣表進行數據采集和遠程管理，但該方法存在抄表數據精度不足的問題；何碧漪等[14]通過結合Zigbee和GPRS技術，設計了一種基于無線傳感器網絡和GPRS的箱式變電站監(jiān)控系統，該系統計量精確，抗干擾能力強且傳輸速率高，但需要向運營商繳納通信費，成本較高；鐘永彥等[15]將Wi-Fi通信技術與電能測控系統相結合，有效延長了該電能測控系統的通信距離，但Wi-Fi通信方式存在功耗大的缺點。相比于紅外通信、GPRS、ZigBee、LoRa和Wi-Fi等技術，BLE具有成本低、功耗低和可靠性高等優(yōu)點，但也存在通信距離短等不足[16-17]。

基于此，筆者結合BLE和Wi-Fi這2種無線通信技術，設計了一種新的建筑能耗監(jiān)測系統，以有效降低傳統監(jiān)測系統的布線復雜度。通過設計基于BLE的采集單元以及具有Wi-Fi功能的集中器，并采用B/S（browser/server，瀏覽器/服務器）架構設計監(jiān)測中心，旨在實現建筑能耗數據的采集、傳輸、顯示和存儲，以有效降低監(jiān)測系統的功耗和延長監(jiān)測系統的通信距離。

1 建筑能耗監(jiān)測系統設計方案

本文設計的建筑能耗監(jiān)測系統包括基于BLE的采集單元、具有Wi-Fi功能的集中器、基于B/S架構的監(jiān)測中心和通信網絡四部分，其結構如圖1所示。將建筑物劃分為N個區(qū)域，根據用電設備的分布情況，每個區(qū)域內設置1～8組采集單元和1個集中器。其中：采集單元用于計量建筑能耗數據，并通過BLE通信電路將能耗數據發(fā)送至集中器；集中器對接收的能耗數據進行整合、處理，并通過Wi-Fi通信電路將能耗數據轉發(fā)至監(jiān)測中心；監(jiān)測中心接收、處理并存儲能耗數據，并對系統數據庫進行管理，通過監(jiān)測界面可隨時隨地查看用電記錄等信息。

圖1 基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of building energy consumption monitoring system based on BLE and Wi-Fi

2 建筑能耗監(jiān)測系統硬件設計

2.1 采集單元硬件設計

所設計的采集單元由MCU（microcontroller unit，微控制單元）、電源電路、計量電路和BLE通信電路組成。其中MCU選用STM8S208MB嵌入式芯片。

2.1.1 電源電路設計

為便于采集單元的安裝，將其設計為“開關+插座”的形式，因此其電源電路須滿足單火線供電的設計要求。電源電路由通態(tài)電路和斷態(tài)電路兩部分組成，其原理如圖2所示。當通態(tài)電路工作時，繼電器K1閉合，當交流電的電壓幅值不超過5 V時，穩(wěn)壓管D1或D2截止，雙向晶閘管T1截止，電流經過整流橋向儲能電容C1充電；當斷態(tài)電路工作時，繼電器K1斷開，當交流電的電壓幅值不超過5 V時，穩(wěn)壓管D10截止，電流經三極管Q1向儲能電容C1充電。在電源電路的設計過程中，由于穩(wěn)壓管的反向擊穿特性限制了交流電的電壓幅值，使得儲能電容的充電電壓不超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓（5 V）。

圖2 采集單元電源電路原理Fig.2 Power circuit principle of acquisition unit

2.1.2 計量電路設計

采集單元的計量電路用于采集電流、電壓的有效值和有功功率，并通過功率累積統計用電量。選擇SSP1837型單相多功能電能計量芯片來設計計量電路，其原理如圖3所示。接線端子L1和L2串聯接入用電設備的火線，接線端子N連接零線。考慮到一般家用電器的額定電流不超過16 A，電流信號經阻值為1 mΩ的電阻R6采樣后接入“IP”和“IN”引腳，電壓信號經接線端子L1和N采樣后接入“VP”引腳；“CF”“CF1”“SEL”引腳連接MCU的I/O接口。MCU通過測量“CF”和“CF1”引腳處的脈沖周期來計算電流、電壓的有效值和有功功率。

圖3 采集單元計量電路原理Fig.3 Measuring circuit principle of acquisition unit

2.1.3 BLE通信電路設計

選用DL-32-BLE4.2模組來設計采集單元的BLE通信電路，該電路體積小且功耗低。DL-32-BLE4.2模組集成了高性能的2.4 GHz射頻收發(fā)器、基帶處理器、ARM968E-S型MCU和多種外設接口，內置160 kB Flash和20 kB RAM（random access memory，隨機存取存儲器），其與MCU的串口相連，可實現能耗數據的傳輸，其原理如圖4所示。此外，在PCB（printed circuit board，印制電路板）設計過程中，須將DL-32-BLE4.2模組置于采集單元PCB的邊沿。為避免信號干擾，DL-32-BLE4.2模組的天線周圍禁止放置任何高頻器件。

圖4 采集單元BLE通信電路原理

2.2 集中器硬件設計

由于BLE通信電路存在通信距離短的不足，采集單元無法直接與監(jiān)測中心連接，須設計集中器來進行數據的整合、處理和轉發(fā)。本文設計的集中器由MCU、電源電路、BLE通信電路和Wi-Fi通信電路組成。其中，MCU選擇STM8S208MB嵌入式芯片，用于對采集單元計量的能耗數據進行存儲和處理；電源電路選擇IRM-20系列AC-DC（alternating current-direct current，交流/直流）轉換模塊，可將220 V的交流電轉換為3.3 V的直流電。

集中器通過BLE通信電路接收采集單元計量的能耗數據，接收的數據經整合、處理后通過Wi-Fi通信電路轉發(fā)至監(jiān)測中心。鑒于集中器BLE通信電路的設計與采集單元的相同，此處不再贅述。選用USR-C215模組來設計集中器的Wi-Fi通信電路，其原理如圖5所示。其中，USR-C215模組的“UART_RX”和“UART_TX”引腳分別連接MCU的“TXD”和“RXD”引腳；“RESET”引腳連接復位開關，“RELOAD”引腳連接設置按鈕。設置Wi-Fi通信電路在STA（station）模式下工作。

圖5 集中器Wi-Fi通信電路原理Fig.5 Wi-Fi communication circuit principle of concentrator

3 建筑能耗監(jiān)測系統軟件設計

3.1 采集單元軟件設計

采集單元的工作流程如圖6所示，其軟件設計主要包括計量芯片校準、能耗計量和數據處理與發(fā)送三部分。

圖6 采集單元的工作流程Fig.6 Work flow of acquisition unit

3.1.1 計量芯片校準

當采集單元完成初始化工作后，使用單點方式對SSP1837型單相多功能電能計量芯片進行校準。令額定電壓為U0（單位為V）、額定電流為I0（單位為A）和額定功率為P0（單位為W）的用電設備在正常狀態(tài)下工作，此時MCU測得對應的脈沖輸出頻率分別為fU0、fI0和fP0，則可得電壓-頻率轉換系數KU、電流-頻率轉換系數KI和功率-頻率轉換系數KP分別為：

MCU存儲各轉換系數，完成SSP1837型單相多功能電能計量芯片的校準工作。

3.1.2 能耗計量

采集單元的MCU通過測量SSP1837型單相多功能電能計量芯片“CF”引腳的脈沖輸出頻率，乘以相應轉換系數后即可得到當前的電壓、電流有效值和有功功率。當“SEL”引腳處為高電平時，利用采集單元測量“CF”引腳的脈沖輸出頻率，乘以電壓-頻率轉換系數KU后計算得到電壓有效值；當“SEL”引腳處為低電平時，利用采集單元測量“CF”引腳的脈沖輸出頻率，乘以電流-頻率轉換系數KI后計算得到電流有效值。根據校準時所施加負載的額定功率P0和對應測得的“CF”引腳的脈沖輸出頻率fP0，可計算得到1個“CF”引腳的脈沖對應的電能E1CF，為：

3.1.3 數據處理與發(fā)送

采集單元將計量得到的能耗數據處理為統一的通信協議格式。設置數據幀的幀頭和幀尾，分別用“H”和“T”表示，便于接收端進行切片處理；設置不同采集單元的編號，包含采集單元在建筑物內所處位置的信息；設置功能碼定義數據幀的類型，其中“00”表示有功功率，“01”表示用電量，“10”和“11”分別表示電壓和電流；定義數據區(qū)存放計量電路采集的能耗數據；設置數據幀采用循環(huán)冗余校驗方式。

當采集單元計量的有功功率的變化范圍超過5%，或用電量變化超過1 kWh時，采集單元通過BLE通信電路連接集中器以發(fā)送能耗數據。若能耗數據發(fā)送成功，則集中器返回“接收成功”標志；反之，返回“接收失敗”標志，并由采集單元重新發(fā)送數據。若重復3次后仍發(fā)送失敗，則進行數據丟失記錄并檢測采集單元BLE通信電路的連接情況。

3.2 集中器軟件設計

集中器的工作流程如圖7所示。當集中器接收到采集單元發(fā)送的能耗數據后，先對每幀數據進行循環(huán)冗余校驗，若校驗通過，則向采集單元返回“接收成功”標志；若校驗不通過，則返回“接收失敗”標志，并記錄錯誤事件，等待數據重新發(fā)送。當集中器成功接收能耗數據后，按照通信協議對能耗數據進行解析，同時將不同采集單元的能耗數據進行整合、處理，并通過Wi-Fi通信電路將處理好的數據轉發(fā)至監(jiān)測中心。若監(jiān)測中心成功接收數據，則向集中器返回“接收成功”標志，反之則返回“接收失敗”標志，并由集中器重新轉發(fā)數據。若重復3次后仍轉發(fā)失敗，則進行數據丟失記錄并檢測集中器Wi-Fi通信電路的連接情況。

圖7 集中器的工作流程Fig.7 Work flow of concentrator

在實際應用中，集中器會接收多個采集單元發(fā)送的多組能耗數據，若直接轉發(fā)至監(jiān)測中心，會導致產生較大的通信數據量，因此須將接收的能耗數據整合為1條通信數據幀。對于集中器的通信數據幀，設置幀頭和幀尾，分別用“H”和“T“表示，便于接收端的切片處理；設置集中器編號，用于表示集中器的位置信息；定義數據長度，用于表示數據區(qū)包含的數據量；定義數據區(qū)存放采集單元計量的能耗數據，由于數據區(qū)可能包含多組數據，采用間隔符將不同采集單元的數據隔開，各采集單元的數據按采集單元的編號、有功功率、用電量、電壓和電流排序，這些信息各占用2個字節(jié)；數據幀采用循環(huán)冗余校驗方式。

3.3 監(jiān)測中心軟件設計

監(jiān)測中心采用B/S架構進行設計。與C/S（client/server，客戶端/瀏覽器）架構相比，B/S架構具有開發(fā)簡單、維護方便和共享性強的優(yōu)點[18-19]。監(jiān)測中心軟件設計包括后端設計、數據庫設計和前端設計，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測中心設計框圖Fig.8 Design block diagram of monitoring center

監(jiān)測中心的后端基于Python和Flask進行設計，采用Flask-Socketio創(chuàng)建WebSocket接口，連接遠程服務器實現網絡通信[20]；通過WebSocket接口接收集中器轉發(fā)的能耗數據并進行切片和解析處理，并將解析得到的用電設備的編號、有功功率、用電量、電壓和電流等信息分別保存至數據庫。

監(jiān)測中心的數據庫采用MySQL進行設計，用于存儲采集單元的編號信息及對應的能耗數據。本文在Flask框架下使用Flask-SQLAlchemy組件來操作數據庫。

監(jiān)測中心的前端（即監(jiān)測界面）基于（hypertext mark-up language，超文本標記語言）、CSS（cascading style sheets，層疊樣式表）和JS（JavaScript）進行設計。為了簡化開發(fā)流程，采用Bootstrap前端框架。其中，監(jiān)測界面包括用戶登錄界面、數據顯示界面（以數值、柱狀圖和曲線圖的形式展示建筑現場的能耗狀況，如平均能耗、最高能耗和最低能耗等）和事件記錄窗口（如采集單元異常連接等）。

4 建筑能耗監(jiān)測系統測試與結果分析

通過模擬實驗來測試基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統的性能。如圖9（a）所示，將建筑物劃分為3個區(qū)域，每個區(qū)域內分別布置3～4個采集單元和1個集中器，建筑物內設置1臺監(jiān)測中心。令該監(jiān)測系統獨立運行24 h，監(jiān)測結果如圖9（b）所示（僅截取部分結果）。

圖9 基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統的布置示意及監(jiān)測結果Fig.9 Layout and monitoring results of building energy consumption monitoring system based on BLE and Wi-Fi

4.1 計量偏差測試

為了測試基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統的計量偏差，選擇0.1級單相電能表校驗儀采集用電設備的用電量，并與監(jiān)測界面顯示的用電量進行對比。共進行10組不同的測試對比實驗，結果如表1所示。

表1 基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統計量偏差測試結果Table 1 Measurement deviation test results of building energy consumption monitoring system based on BLE and Wi-Fi

表1結果表明，基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統監(jiān)測界面顯示的用電量與單相電能表校驗儀采集數據的偏差率較小，僅為3%～5%，產生偏差的主要原因如下。

1）信號采集存在干擾。SSP1837型單相多功能電能計量芯片通過“IN”“IP”和“VP”引腳采集電壓和電流信號，但由于在PCB制作過程中，計量電路、BLE通信電路和MCU外圍電路共用地線，而PCB存在較小的線阻，不同信號回流到地線上時會產生微小的壓降，使得計量電路采集的信號存在干擾。本文設計的雙面PCB的覆銅厚度為35 μm，寬度為1 mm；銅在20℃時的電阻率ρCu=1.7×10-8Ω?m，當PCB的走線長度L=10 mm時，其線阻RPCB為：

式中：S為銅線的橫截面積。

經測量，采集單元計量電路接地側的共地耦合壓降約為8 mV。

2）計量芯片校準誤差。采集單元計量電路在工作前須通過芯片校準，以得到能耗數據和脈沖輸出頻率之間的轉換系數。校準方法通常為：令用電設備在額定狀態(tài)下工作，通過計算用電設備額定電壓、額定電流和額定功率與測量的對應脈沖輸出頻率之間的比值，得到相應的轉換系數。但在實際校準過程中，由于受到電網電壓波動、周圍用電設備等干擾，用電設備無法準確按照額定參數運行，因此通過校準得到的轉換系數存在誤差。本文共進行5次計量芯片校準實驗，計算得到的轉換系數如表2所示，通過取平均值獲得最終的轉換系數。

表2 計量芯片校準實驗結果Table 2 Calibration experimental results of measurement chip

3）數據計算的舍入誤差。本文將計算得到的能耗數據保存為短整型，占2個字節(jié)，而實際的能耗數據為雙精度浮點型，占8個字節(jié)，因此在計算過程中存在舍入誤差。

4.2 通信成功率測試

根據采集單元和集中器記錄的數據丟失事件和錯誤事件，對基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗監(jiān)測系統的數據發(fā)送成功率進行測試，結果如表3和表4所示。結果表明，采集單元與集中器之間的數據發(fā)送成功率超過98%，集中器與監(jiān)測中心之間的數據發(fā)送成功率超過99%，表明所設計的能耗監(jiān)測系統滿足要求。

表3 采集單元的數據發(fā)送成功率Table 3 Data transmission success rate of acquisition unit

表4 集中器的數據發(fā)送成功率Table 4 Data transmission success rate of concentrator

5 結 語

本文結合BLE和Wi-Fi通信的優(yōu)點，設計了一種建筑能耗監(jiān)測系統，其創(chuàng)新點在于：采用BLE設計采集單元，保證了系統運行的低功耗；設計具有Wi-Fi功能的集中器，彌補了BLE通信距離短的不足；采用B/S架構設計監(jiān)測中心，實現了跨平臺登錄，提高了系統的靈活性。模擬實驗測試結果表明，所設計的監(jiān)測系統能夠及時監(jiān)測用電設備的耗能狀況，具有廣闊的應用前景。