CN103092158A - 一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于分布式能耗采集技术领域，提供了一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统，包括无线传感器网络，无线传感器网络包括至少一个设备子网络，系统还包括至少一个网关节点，设备子网络与网关节点无线连接，一个设备子网络对应一个网关节点，系统还包括与网关节点连接的能耗监控服务器；设备子网络包括至少一个监测节点；监测节点对用电设备的用电进行细粒度监测和控制并发送监测结果数据至网关节点；网关节点转发监测结果数据至能耗监测服务器；能耗监控服务器根据监测结果数据生成控制指令，并发送控制指令至监测节点。本发明，用户可以通过监控服务器实时、动态、完整掌握能耗情况，并且，可以实现对用电设备的远程能耗控制。

Description

一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统

技术领域

本发明属于分布式能耗采集技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统。

背景技术

随着我国经济的发展，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。据统计，国家机关办公建筑，每平方米建筑面积年平均耗电量为85.4度，人均年耗电量为3072.5度，尤其是商场建筑，其能耗比其它类型公共建筑高出许多。国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的10～20倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍。

这种巨大的建筑能耗，对今后经济的可持续性发展影响巨大。然而，现阶段对建筑能耗采集传输主要采用综合布线进行传输，此方式在建筑内需布设大量线缆，存在施工复杂、代价高、影响建筑内部美观的问题，并且存在能耗采集不全面、无法实时动态完整的掌握能耗情况，并且不能对用电设备的能耗进行控制等缺点，这都是由于现有的能耗采集方式自身技术限制和有线传输方式固有缺陷所决定的。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统，旨在解决大型建筑或建筑群现有技术无法实时、动态、完整掌握能耗情况，并且不能对用电设备的能耗进行控制的问题。

一方面，提供一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统，所述系统包括无线传感器网络，所述无线传感器网络包括至少一个设备子网络，所述系统还包括至少一个网关节点，所述设备子网络与所述网关节点无线连接，一个设备子网络对应一个网关节点，所述系统还包括与所述网关节点连接的能耗监控服务器；

所述设备子网络包括：至少一个监测节点，监测节点之间无线连接；

所述监测节点，用于对用电设备的用电进行细粒度监测和控制，并发送监测结果数据至所述网关节点；

所述网关节点，用于转发所述监测结果数据至所述能耗监测服务器；

所述能耗监控服务器，用于根据所述监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至所述监测节点。

进一步地，所述无线传感器网络采用基于Tinyos操作系统的无线传感器网络协议。

进一步地，所述监测节点包括：

用电监测单元，用于对用电设备的用电状态和实时功率进行细粒度监测；

射频收发器，用于发送监测结果数据至网关节点，以由网关节点转发所述监测结果数据至能耗监控服务器；

所述能耗监控服务器包括：

控制指令生成单元，用于根据接收到的监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至网关节点，以由网关节点转发所述控制指令至监测节点；

所述射频收发器，还用于接收网关节点转发的所述控制指令；

所述监测节点还包括：

通断控制单元，用于根据所述控制指令控制与所述监测节点连接的用电设备的通断状态。

进一步地，所述监测节点包括墙壁插座监测节点、墙壁多位开关监测节点、接线盒监测节点、电流钳仪表监控节点。

进一步地，所述无线传感器网络、网关节点和能耗监控服务器共同构成一个无线网格mesh网络。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

日程管理单元，用于采用日程计划控制每个用电设备。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

关联控制单元，用于根据用电设备的分类和关联性，对用电设备进行多级分组设置管理，并可对分组设备进行远程统一控制操作和关联控制操作。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

GIS处理单元，用于支持背景地图可视化，显示网络设备的部署位置，具备地理信息系统GIS缩放、查找。

进一步地，所述能耗监测服务器还包括：

可视化单元，用于对所述监测结果数据进行可视化处理，进行直观的显示。

进一步地，所述能耗监测服务器还包括：

能耗预测及诊断单元，用于建立能耗的预测模型，利用所述预测模型对建筑的能耗进行预测，分析建筑节能潜力；

建筑节能效果评估和辅助诊断单元，用于统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，提取各能耗数据进行同、环对比分析，确立标杆值，并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程。

在本发明实施例，大量监控节点布置在建筑大楼的每个用电设备回路上，对用电设备的用电进行细粒度监测和控制，多个监控节点可通过自组织形式组成一个设备子网络，每个设备子网络由一个网关节点维护和管理，并发送监测结果数据至网关节点，再由网关节点转发监测结果数据至能耗监控服务器，用户可以通过监控服务器实时、动态、完整掌握能耗情况。并且，能耗监控服务器可以根据监测结果数据生成控制指令，并通过网关节点转发控制指令至监控节点，由监控节点实现对用电设备的用电控制，实现了对用电设备的远程能耗控制。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明实施例中，大量监控节点布置在建筑大楼的每个用电设备回路上，对用电设备的用电进行细粒度监测和控制，多个监控节点可通过自组织形式组成一个设备子网络，每个设备子网络由一个网关节点维护和管理，并发送监测结果数据至网关节点，再由网关节点转发监测结果数据至能耗监控服务器。并且，能耗监控服务器可以根据监测结果数据生成控制指令，并通过网关节点转发控制指令至监控节点，由监控节点实现对用电设备的用电控制。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统的具体结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。该基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统包括：无线传感器网络，所述无线传感器网络1包括至少一个设备子网络，所述系统还包括至少一个网关节点，所述设备子网络与所述网关节点无线连接，一个设备子网络对应一个网关节点，所述系统还包括与所述网关节点连接的能耗监控服务器。在本实施例中，以无线传感器网络1包括设备子网络11和设备子网络12为例来进行说明，与该设备子网络11和设备子网络12分别连接的网关节点分别是网关节点21和网关节点22，其中网关节点21和网关节点22分别与能耗监控服务器31和能耗监控服务器32分别连接，具体可以通过有线连接，也可以通过无线连接，在此不做限制。

其中，所述设备子网络包括：至少一个监测节点，监测节点之间无线连接；

所述监测节点，用于对用电设备的用电进行细粒度监测和控制，并发送监测结果数据至所述网关节点；

所述网关节点，用于转发所述监测结果数据至所述能耗监测服务器；

所述能耗监控服务器，用于根据所述监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至所述监测节点。

具体的，所述监测节点包括：

用电监测单元，用于对用电设备的用电状态和实时功率进行细粒度监测；

射频收发器，用于发送监测结果数据至网关节点，以由网关节点转发所述监测结果数据至能耗监控服务器；

所述能耗监控服务器包括：

控制指令生成单元，用于根据接收到的监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至网关节点，以由网关节点转发所述控制指令至监测节点；

所述射频收发器，还用于接收网关节点转发的所述控制指令；

所述监测节点还包括：

通断控制单元，用于根据所述控制指令控制与所述监测节点连接的用电设备的通断状态。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

日程管理单元，用于采用日程计划控制每个用电设备。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

关联控制单元，用于根据用电设备的分类和关联性，对用电设备进行多级分组设置管理，并可对分组设备进行远程统一控制操作和关联控制操作。

进一步地，所述能耗监控服务器还包括：

GIS处理单元，用于支持背景地图可视化，显示网络设备的部署位置，具备地理信息系统（Geographic Information Sys tem，GIS）缩放、查找。

进一步地，所述能耗监测服务器还包括：

可视化单元，用于对所述监测结果数据进行可视化处理，进行直观的显示。

进一步地，所述能耗监测服务器还包括：

能耗预测及诊断单元，用于建立能耗的预测模型，利用所述预测模型对建筑的能耗进行预测，分析建筑节能潜力；

建筑节能效果评估和辅助诊断单元，用于统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，提取各能耗数据进行同、环对比分析，确立标杆值，并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程。

具体的，无线传感器网络1采用基于Tinyos操作系统的无线传感器网络协议，该网络是我们自主设计的基于Tinyos操作系统的无线传感器网络协议，该协议于目前已经公开的zigbee协议相比，具有支持的网络容量大，且组网灵活，支持网络部署时节点自动发现和加入网络，路由故障时具有极强的自恢复能力等特点。上述特性特别适合大型建筑和建筑群用电设备多，需经常添加用电设备和相应监控节点的情况。

具体的，无线传感器网络、网关节点和能耗监控服务器可以共同构成一个无线网格mesh网络。

具体的，监控节点包括墙壁插座监控节点121、墙壁多位开关监控节点122、接线盒监控节点、电流钳仪表监控节点等多种类型，一个设备子网络中的监控节点的个数范围在1-200个。设备子网络中的每个监控节点均可对与其连接的用电设备的用电状态和实时功率进行细粒度监测，并可根据能耗监控服务器发送的控制指令控制用电设备的通断。其中墙壁插座、墙壁多位开关、接线盒设备的电能计量单元采用电能表计量专用芯片，在本实施例中采用电能表计量专用芯片CS7760。墙壁插座和接线盒的开关按键数为一位，墙壁多位开关的开关按键数为1-4位，每一位开关对应一个电磁继电器控制一路用电设备的通断；电流钳仪表的的电能计量单元为电流互感器和信号调理电路，支持1至3路相线监测，而接线盒的电路通断控制部分则是由电磁继电器或绝缘栅双极型晶体管IGBT以及相应的驱动电路实现。

网关节点实为各个设备子网络的汇聚节点，负责整个区域子网络发送的监控结果数据的维护与汇集，并转发监控结果数据至能耗监控服务器，最后由能耗监控服务器对监控结果数据进行后续的处理。多个网关节点也可通过一个HUB集线器与一个能耗监控服务器相连。

具体实施时，建筑内待测的每个用电设备根据要求安装监控节点，对建筑物、室内各类插座用电设备，可以用墙壁插座直接插在原墙壁插座上，也可用墙壁插座改装更换原墙壁插座，用墙壁多位开关改装更换原墙壁开关；接线盒用于一些不需人工控制的固定用电设备上；对于一些用电能耗比较大的用电设备，如冷热站用电、中央空调用电，电梯用电、水泵用电、通风机用电等动力用电，用电流钳仪表的电流互感器套在其相线上监测其功耗。上述的墙壁插座、墙壁多位开关、接线盒、电流钳仪表等监测节点大量部署在待监测建筑内的每个用电设备上，通过自组织方式形成多跳无线网络，支持网络部署时监测节点自动发现和加入网络；监测节点监测的监测结果数据沿着其他监测节点逐跳地进行传输，经过多跳后路由到网关节点，最后到达能耗监测服务器。在这个过程中，监测节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器，用户通过能耗监控服务器对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

并且该基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统支持可达20跳的无线多跳连接，支持大型网络中使用多达50个网关节点，每个网关节点各带一个设备子网络，每个设备子网络支持200多个监控节点。该基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统适用于各种既有和新建建筑，组网方便，不占空间，无需综合布线施工，投资少，项目实施快速方便。

同时，每个监测节点都可设置负载电流阈值，当因负载故障等原因导致电流超过阈值时，监测节点会自动关闭用电设备，实现过载保护。

下面再详细的描述一下本发明实施例提供的能耗监控服务器提供的实时能耗监控系统管理软件的功能：所述的实时能耗监控系统管理软件，是基于B/S网络结构的大型公共建筑计算机节能管理软件，管理软件具有直观的人机交互界面，支持远程Internet访问，支持桌面客户端6、网络浏览器7、移动终端8等多种方式,用户可使用多种终端通过系统管理软件对建筑内部每一个用电设备实行远程开关控制，系统的主要功能有：

协调和配置各项用能：大型公共建筑功能多样，系统繁杂，人为管理不能够照顾到每一个环节，系统采用计算机通过管理软件进行管理，能够更好的进行用能的协调和配置，方便用户管理大量设备；用户可采用日程计划自动控制每个用电终端，也可通过管理软件并根据用电设备的分类和关联性对用电设备进行多级分组设置管理，并可对分组用电设备进行远程统一控制操作和关联控制操作，如一用电设备关闭后，与之关联的用电设备可通过系统控制自动关闭以节能。

能耗数据可视化：系统实时采集公共建筑的各用电设备能耗数据，管理软件通过曲线、柱形、圆饼等图形对采集到的数据进行直观的显示，在能耗监控服务器上实现数据可视化的功能，方便管理者对数据进行比较和分析。

用能预测及能耗诊断：系统管理软件可建立能耗的预测模型，通过对采集数据进行分析，利用预测模型对建筑的用能进行预测并利用计算机进行在线实时诊断，或用所得数据进行人工分析诊断，分析建筑节能潜力。

建筑节能效果评估和辅助诊断：系统管理软件可统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，以曲线图、柱状图等不同方式显示，系统可提取各能耗数据进行同、环对比分析，确立标杆值，并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程，并给出能耗分析报告。

自动报警：用户可通过系统管理软件自定义报警规则，支持音频提示、日志记录及短信通知等多种报警方式；

自动抄表：用户可通过系统管理软件自定义电费单价规则，分时计量和分时电价，管理软件按规则自动计算累计电费；

背景地图可视化：系统管理软件可通过背景地图可视化显示网络设备的部署位置，具备GIS缩放、查找等基本功能；支持多个地图文件并与设备关联，根据要查看的设备自动切换地图。

本实施例，基于无线传感网络的架构，实现能耗数据的采集和传输，减少建立建筑能耗监控系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响，同时可以实现对大型建筑内各用电设备的功耗进行细粒度监测和无缝控制，有效解决了现有能耗采集技术无法实时、动态、完整掌握能耗情况以及大型建筑或建筑群不能对用电设备的能耗进行控制的问题。通过对用电设备进行集中统一智能化的管理，实现大型建筑能耗信息的数字化和网络化监控管理，为客户节约了人员投入成本。另外，系统对大型建筑的各项能耗指标进行计量、分析及综合比较能够实时定量地把握建筑物能源消耗的变化，可以发现节能潜力并找到用能不合理的薄弱环节，对节能形成一种有效的检测和管理，对大型公共建筑节能有巨大的意义。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的大型建筑能耗实时监控系统，其特征在于，所述系统包括无线传感器网络，所述无线传感器网络包括至少一个设备子网络，所述系统还包括至少一个网关节点，所述设备子网络与所述网关节点无线连接，一个设备子网络对应一个网关节点，所述系统还包括与所述网关节点连接的能耗监控服务器；

所述设备子网络包括：至少一个监测节点，监测节点之间无线连接；

所述监测节点，用于对用电设备的用电进行细粒度监测和控制，并发送监测结果数据至所述网关节点；

所述网关节点，用于转发所述监测结果数据至所述能耗监测服务器；

所述能耗监控服务器，用于根据所述监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至所述监测节点。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线传感器网络采用基于Tinyos操作系统的无线传感器网络协议。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述监测节点包括：

用电监测单元，用于对用电设备的用电状态和实时功率进行细粒度监测；

射频收发器，用于发送监测结果数据至网关节点，以由网关节点转发所述监测结果数据至能耗监控服务器；

所述能耗监控服务器包括：

控制指令生成单元，用于根据接收到的监测结果数据生成控制指令，并发送所述控制指令至网关节点，以由网关节点转发所述控制指令至监测节点；

所述射频收发器，还用于接收网关节点转发的所述控制指令；

所述监测节点还包括：

通断控制单元，用于根据所述控制指令控制与所述监测节点连接的用电设备的通断状态。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述监测节点包括墙壁插座监测节点、墙壁多位开关监测节点、接线盒监测节点、电流钳仪表监控节点。

5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述无线传感器网络、网关节点和能耗监控服务器共同构成一个无线网格mesh网络。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述能耗监控服务器还包括：

日程管理单元，用于采用日程计划控制每个用电设备。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述能耗监控服务器还包括：

关联控制单元，用于根据用电设备的分类和关联性，对用电设备进行多级分组设置管理，并可对分组设备进行远程统一控制操作和关联控制操作。

8.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述能耗监控服务器还包括：

GIS处理单元，用于支持背景地图可视化，显示网络设备的部署位置，具备地理信息系统GIS缩放、查找。

9.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述能耗监测服务器还包括：

可视化单元，用于对所述监测结果数据进行可视化处理，进行直观的显示。

10.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述能耗监测服务器还包括：

能耗预测及诊断单元，用于建立能耗的预测模型，利用所述预测模型对建筑的能耗进行预测，分析建筑节能潜力；

建筑节能效果评估和辅助诊断单元，用于统计建筑或片区能耗的时用量、日用量和年用量，提取各能耗数据进行同、环对比分析，确立标杆值，并对各监控点的能耗情况进行能耗水平判定，对能耗改善提出一套完整的诊断流程。

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