CN108476473B - 用于延长建筑物控制系统中的无线传感器的电池寿命的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种建筑控制系统包括无线测量装置和控制器。所述无线测量装置测量环境变量的多个值，并且使用所述多个测得值来预测所述环境变量的一个或多个未来值。所述无线装置以一定传输间隔来周期性地传输消息，所述消息包括所述环境变量的当前值和所述环境变量的所述一个或多个预测值。所述控制器接收来自所述无线装置的所述消息，并且对所述消息进行解析，以提取所述环境变量的所述当前值和所述一个或多个所预测未来值。所述控制器以比所述传输间隔短的控制器更新间隔来周期性地且顺序地将所述所提取值中的每一个作为输入应用于控制算法，所述控制算法操作以控制所述环境变量。

Description

用于延长建筑物控制系统中的无线传感器的电池寿命的系统 和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2016年1月6日提交的美国专利申请号14/989,740的权益和优先权，所述美国专利申请的全部披露通过援引并入本文。
背景技术
本发明总体上涉及一种用于管理建筑物系统的方法。本发明更具体地涉及用于当向建筑物管理系统传输传感器数据时节约功率的系统和方法。
建筑物管理系统(BMS)通常是被配置用于控制、监测和管理建筑物或建筑物区域中或周围的设备的装置的系统。BMS可以包括例如HVAC系统、安全系统、照明系统，火灾报警系统、能够管理建筑物功能或装置的任何其他系统或其任何组合。如无线传感器等无线装置可以使用大部分电池寿命来传输数据。
从无线传感器传输数据的常规方法包括每次测量并且传输一个值。收集和传输间隔可以与控制器更新周期对齐，以提供响应系统。然而，电池寿命可能快速缩短。将期望提供一种用于无线传输传感器数据的方法，所述方法克服已有方法的缺点。
发明内容
本披露的一种实施方式是建筑物控制系统，所述建筑物控制系统包括无线测量装置。所述无线测量装置包括传感器，所述传感器在所述无线装置的某一位置处测量环境变量的多个值；预测器，所述预测器使用所述环境变量的所述多个测得值来预测所述环境变量的一个或多个未来值；以及第一无线电装置，所述第一无线电装置以一定传输间隔来周期性地传输消息，所述消息包括所述环境变量的当前值和所述环境变量的所述一个或多个预测值。所述建筑物控制系统还包括控制器。所述控制器包括第二无线电装置，所述第二无线电装置接收来自所述无线装置的所述消息；消息解析器，所述消息解析器对所述消息进行解析，以提取所述环境变量的所述当前值和所述一个或多个所预测未来值；以及反馈控制器，所述反馈控制器以比所述传输间隔短的控制器更新间隔来周期性地且顺序地将所述所提取值中的每一个作为输入应用于控制算法，所述控制算法操作以控制所述环境变量。
在一些实施例中，所述无线测量装置以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。在其他实施例中，所述无线测量装置将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的先前预测值进行比较，并且响应于确定所述实际测得值不同于所述先前预测值而将所述消息传输至所述控制器。
在一些实施例中，所述无线测量装置针对所述当前传输间隔内的每个控制器更新间隔来预测所述环境变量的未来值。
在其他实施例中，所述无线测量装置将所述环境变量的当前测得值与所述环境变量的先前测得值进行比较；确定所述环境变量在所述当前测得值与所述先前测得值之间的变化率；并且响应于确定所述变化率超过某一阈值而将所述消息传输至所述控制器。
在一些实施例中，所述无线测量装置将所述环境变量在特定时间的实际测得值与所述环境变量针对给定时间的先前预测值进行比较；判定所述实际测得值与所述先前预测值之间的差值是否超过某一阈值；并且响应于确定所述实际测得值与所述先前预测值之间的所述差值超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器。
在一些实施例中，所述无线测量装置将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的先前预测值和所述环境变量的先前测得值中的至少一个进行比较；并且响应于以下各项中的至少一项而重新定义由所述预测器使用的预测算法：所述环境变量的所述实际测得值与所述环境变量的所述先前预测值之间的差值超过所述阈值；以及所述环境变量的所述值的变化率超过某一阈值。
本披露的另一种实施方式是一种用于控制建筑物控制系统中的环境变量的方法。所述方法包括：使用无线测量装置的传感器来测量所述环境变量的多个值；以及基于所述多个测得值来测量所述环境变量的一个或多个未来值。所述方法还包括：以一定传输间隔来周期性地将消息从所述无线测量装置传输至控制器，所述消息包括所述环境变量的当前值和所述环境变量的所述一个或多个预测值。所述方法包括：在所述控制器处对所述消息进行解析，以提取所述环境变量的所述当前值和所述一个或多个所预测未来值；以及以比所述传输间隔短的控制器更新间隔来周期性地且顺序地将所述所提取值中的每一个作为输入应用于控制算法，所述控制算法操作以控制所述环境变量。
在一些实施例中，测量所述环境变量的所述多个值包括以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。在其他实施例中，所述方法进一步包括：将所述环境变量的当前测得值与所述环境变量的先前测得值进行比较；确定所述环境变量在所述当前测得值与所述先前测得值之间的变化率；并且响应于确定所述变化率超过某一阈值而将所述消息传输至所述控制器。
在一些实施例中，预测所述环境变量包括针对所述当前传输间隔内的每个控制器更新间隔来预测所述环境变量的未来值。在其他实施例中，所述方法进一步包括：将所述环境变量在特定时间的实际测得值与所述环境变量针对给定时间的先前预测值进行比较；判定所述实际测得值与所述先前预测值之间的差值是否超过某一阈值；并且响应于确定所述实际测得值与所述先前预测值之间的所述差值超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器。
在一些实施例中，所述方法进一步包括：将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的先前预测值进行比较；以及基于以下各项中的一项来调节所述传输间隔：所述环境变量的所述实际测得值与所述环境变量的所述先前预测值之间的差值；以及所述环境变量的所述值的变化率。
在一些实施例中，所述方法进一步包括：将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的所述先前预测值进行比较；以及基于以下各项中的一项来重新定义由所述预测器使用的预测算法：所述环境变量的所述实际测得值与所述环境变量的所述先前预测值之间的差值；以及所述环境变量的所述值的变化率。
本披露的又另一个实施方式是无线测量装置，所述无线测量装置包括传感器，所述传感器在所述无线装置的某一位置处测量环境变量的多个值。所述无线测量装置还包括预测器，所述预测器使用所述环境变量的所述多个测得值来预测所述环境变量的一个或多个未来值；以及第一无线电装置，所述第一无线电装置以一定传输间隔来周期性地传输消息，所述消息包括所述环境变量的当前值和所述环境变量的所述一个或多个预测值。
在一些实施例中，所述无线测量装置被配置用于以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。在一些实施例中，所述无线测量装置包括比较器，所述比较器将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的先前预测值进行比较，并且判定所述实际测得值与所述先前预测值之间的差值是否超过某一阈值。所述无线测量装置还包括传输计时器，所述传输计时器响应于确定所述实际测得值与所述先前预测值相差超过所述阈值的量而将所述消息传输至控制器。
在一些实施例中，所述预测器针对所述当前传输间隔内的多个控制器更新间隔中的每一个来预测所述环境变量的未来值。在一些实施例中，所述无线测量装置包括比较器，所述比较器将所述环境变量的当前测得值与所述环境变量的先前预测值进行比较，并且判定所述测得值之间的变化率是否超过某一阈值。所述无线测量装置还包括传输计时器，所述传输计时器响应于确定所述测得值之间的变化率超过所述阈值而将所述消息传输至控制器。
在一些实施例中，所述无线测量装置包括比较器，所述比较器将所述环境变量的实际测得值与所述环境变量的先前预测值进行比较。所述无线测量装置还包括传输计时器，所述传输计时器基于以下各项中的一项来调节所述传输间隔：所述环境变量的所述实际测得值与所述环境变量的所述先前预测值之间的差值；以及所述环境变量的所述值的变化率。
本领域技术人员将认识到概述仅是说明性的而不旨在以任何方式进行限制。本文中所描述的如仅由权利要求书限定的装置和/或过程的其他方面、创造性特征、以及优点将在本文中陈述并结合附图进行的具体实施方式中变得清楚。
附图说明
图1是根据示例性实施例的可以在其中实施本披露的系统和方法的配备有HVAC系统的建筑物的图示。
图2是根据示例性实施例的可以结合图1的HVAC系统使用的水侧系统的框图。
图3是根据示例性实施例的可以结合图1的HVAC系统使用的空气侧系统的框图。
图4是根据示例性实施例的可以在其中实施本披露的系统和方法的建筑物管理系统的框图。
图5A是根据示例性实施例的图4的无线装置和建筑物管理系统控制器的详细框图。
图5B是根据另一个示例性实施例的图4的无线装置和建筑物管理系统控制器的详细框图。
图6是展示了根据示例性实施例的现有无线传输计时过程的曲线图。
图7是根据示例性实施例的图6的现有无线传输计时过程的流程图。
图8是展示了根据示例性实施例的所提出的无线传输计时过程的曲线图。
图9A是根据示例性实施例的可以由图4的系统执行的新无线传输计时过程的图示。
图9B是根据示例性实施例的可以由图4的系统执行的新无线传输计时过程的流程图。
图10A是根据示例性实施例的可以由图4的系统执行的另一个新无线传输计时过程的图示。
图10B是根据示例性实施例的可以由图4的系统执行的另一个新无线传输计时过程的流程图。
具体实施方式
概述
总体上参照附图，根据各个示例性实施例示出了建筑物管理系统、反馈控制器及其部件。在最基本的层面上，反馈控制利用测量结果作出关于如何操纵系统的输入以使得受控系统实现预期或期望的行为的决策。传统上，有线传感器用在反馈控制系统中。然而，随着无线传感器和无线通信网络的可用性和能力的增强，无线传感器正逐渐成为有线传感器的可行替代。
在建筑物HVAC系统中，无线传感器可以用于监测各种建筑物状况，比如，温度、湿度、压力、气流等。例如，无线温度传感器可以用于测量建筑物区域的温度，并且将区域温度测量结果发送至反馈控制器。所述控制器随后计算确保区域温度(即，所测得变量)维持在区域温度设定值处的控制输入。
尽管无线传感器目前可获得，但是许多无线传感器电池寿命短。在反馈控制应用中使用电池供电的无线传感器的主要挑战之一是将测量结果传输至控制器所需的电池功耗可能是非常大的。然而，无线传感器在记录测量结果时可以使用的功率远远小于当向控制器传输消息时使用的功率。本披露提供预测的系统和方法，以减少传输量从而降低功耗和数据流量。
一项用于增加无线传感器的电池寿命的技术是降低从无线传感器至控制器的传输频率。然而，许多反馈控制系统要求以相对于系统主要时间常数(即，系统的主要动态行为的时间常数)的足够快的采样率将所测得变量测量(或采样)并且反馈至控制器。例如，针对区域温度控制，区域温度可以每分钟被采样(即，测量)，并且每分钟被传输至控制器。较不频繁地对所测得变量进行采样(即，增加连续测量之间的时间间隔)可能导致明显的控制性能降低。换言之，许多反馈控制器以相对短的间隔(例如，每分钟一个新样本)来要求所测得变量的新样本来实现期望的控制性能。
有利地，在此描述的系统和方法可以用于延长无线传感器(和传输测量结果的其他无线装置)的电池寿命，而不牺牲控制性能。例如，无线测量装置可以以规则的测量间隔(例如，每分钟一次测量)来记录所测得变量的测量结果。无线装置可以使用一系列测量结果来预测所测得变量的一个或多个未来值。每次无线装置传输时，可以向控制器发送单个消息中的多个值，从而减少了所需传输的数量。通过结合更高级的算法以用于准确地预测未来值，本披露所提出的系统和方法可能增加传输间隔，从而降低功耗和数据流量。
在一些实施例中，每个传输间隔发送一条消息，所述传输间隔可能显著长于测量间隔(例如，每四分钟传输一条消息)。在一些实施例中，发送至反馈控制器的消息包含所测得变量(例如，测得值)的当前值和/或所测得变量的一个或多个预测值。预测值可以基于存储在存储器中的多个测量结果和过去值。在控制器侧的消息解析器可以从消息中提取多个值，并且每次控制器更新其控制输出(即，在每个更新间隔的开始处)时为反馈控制器提供来自消息的一个值。在一些实施例中，不需要改变控制器，因为控制器可以以相同的方式使用所测得变量的实际值和预测值(即，作为控制算法的输入)，而无需控制器了解其某些输入是预测的而不是测得的。
本发明的一个优点在于预测所测得变量的未来测得值，以及向控制器发送单个消息传输中的多个预测值。这允许控制器维持相同的响应性，而不牺牲无线传感器的电池寿命。例如，建筑物管理系统可以能够通过维持每分钟的控制器更新间隔同时仅每四分钟接收一次消息来维持居住者舒适度。可以获得更好的测量分辨率，而无需在每个控制器更新间隔传输值。传输越少意味着无线装置使用的功率越少。相应地，可以通过采用本披露的系统、方法和装置来显著地延长电池寿命。
在详细讨论附图之前，应注意的是本披露中提供的示例仅是说明性的，并不限制本发明的范围。例如，一分钟采样间隔用在在此提供的若干示例中，以便简化计算和算法的演示。然而，设想的是，在不脱离本披露范围的情况下，除了在此具体描述的那些之外，可以使用各种采样间隔的任一种(例如，一秒、一分钟、三分钟、五分钟等)。
建筑物管理系统和HVAC系统
现在参照图1至图4，根据示例性实施例，示出了可以在其中实施本发明的系统和方法的示例性建筑物管理系统(BMS)和HVAC系统。具体参照图1，示出了建筑物10的透视图。建筑物10由BMS服务。BMS通常是被配置用于对建筑物或建筑物区域中或周围的设备进行控制、监测和管理的装置系统。BMS可以包括例如HVAC系统、安全系统、照明系统，火灾报警系统、能够管理建筑物功能或装置的任何其他系统或其任何组合。
服务于建筑物10的BMS包括HVAC系统100。HVAC系统100可以包括被配置用于为建筑物10提供加热、冷却、通风或其他服务的多个HVAC装置(例如，加热器、冷却器、空气处理单元、泵、风扇、热能储存设备等)。例如，HVAC系统100被示出为包括水侧系统120和空气侧系统130。水侧系统120可以向空气侧系统130的空气处理单元提供加热或冷却的流体。空气侧系统130可以使用所述加热或冷却的流体来加热或冷却提供至建筑物10的气流。参照图2和图3更加详细地描述了可以在HVAC系统100中使用的示例性水侧系统和空气侧系统。
HVAC系统100被示出为包括冷却器102、锅炉104和屋顶空气处理单元(AHU)106。水侧系统120可以使用锅炉104和冷却器102来加热或冷却工作流体(例如，水、乙二醇等)并且可以使所述工作流体循环至AHU 106。在各实施例中，水侧系统120的HVAC装置可以位于建筑物10内或周围(如图1中所示出的)或位于非现场位置(如中央设施，例如冷却器设施、蒸汽设施、热力设施等)。可以在锅炉104中加热或在冷却器102中冷却工作流体，这取决于建筑物10中是需要加热还是冷却。锅炉104可以例如通过燃烧易燃材料(例如，天然气)或使用电加热元件来向循环的流体添加热量。冷却器102可以使循环的流体与热交换器(例如，蒸发器)中的另一种流体(例如，制冷剂)处于热交换关系以从循环的流体中吸收热量。可以经由管路108将来自冷却器102和/或锅炉104的工作流体输送到AHU 106。
AHU 106可以使工作流体与穿过AHU 106的气流处于热交换关系(例如，经由一级或多级冷却盘管和/或加热盘管)。气流可以是例如室外空气、来自建筑物10内的回流空气或两者的组合。AHU 106可以在气流与工作流体之间传递热量，从而为气流提供加热或冷却。例如，AHU 106可以包括被配置用于使气流通过或穿过包含工作流体的热交换器的一个或多个风扇或鼓风机。工作流体然后可以经由管路110返回至冷却器102或锅炉104。
空气侧系统130可以经由空气供应管道112将由AHU 106供应的气流(即，供应气流)递送至建筑物10并且可以经由空气回流管道114向AHU 106提供来自建筑物10的回流空气。在一些实施例中，空气侧系统130包括多个可变空气量(VAV)单元116。例如，空气侧系统130被示出为包括建筑物10的每一个楼层或区域上的独立VAV单元116。VAV单元116可以包括气闸或可以被操作以控制提供给建筑物10的单独区域的供应气流量的其他流量控制元件。在其他实施例中，空气侧系统130将供应气流递送至建筑物10的一个或多个区域中(例如，经由供应管道112)，而不使用中间VAV单元116或其他流量控制元件。AHU 106可以包括被配置用于测量供应气流的属性的各种传感器(例如，温度传感器、压力传感器等)。AHU106可以从位于AHU 106内和/或建筑物区域内的传感器接收输入并且可以调节穿过AHU106的供应气流的流速、温度或其他属性以实现建筑物区域的设定值条件。
现在参照图2，根据示例性实施例，示出了水侧系统200的框图。在各种实施例中，水侧系统200可以在HVAC系统100中补充或替代水侧系统120，或者可以与HVAC系统100分开来实施。当在HVAC系统100中实施时，水侧系统200可以包括HVAC系统100中HVAC装置的子集(例如，锅炉104、冷却器102、泵、阀等)并且可以操作用于向AHU 106提供加热或冷却的流体。水侧系统200的HVAC装置可以位于建筑物10内(例如，作为水侧系统120的部件)或者位于非现场位置(诸如中央设施)。
在图2中，水侧系统200被示出为具有多个子设施202至212的中央设施。子设施202至212被示出为包括：加热器子设施202、热回收冷却器子设施204、冷却器子设施206、冷却塔子设施208、热热能储存(TES)子设施210和冷热能储存(TES)子设施212。子设施202至212消耗来自公共设施的资源(例如，水、天然气、电等)来服务于建筑物或校园的热能负载(例如，热水、冷水、加热、冷却等)。例如，加热器子设施202可以被配置用于在热水回路214中加热水，所述热水回路使热水在加热器子设施202与建筑物10之间循环。冷却器子设施206可以被配置用于在冷水回路216中冷却水，所述冷水回路使冷水在冷却器子设施206与建筑物10之间循环。热回收冷却器子设施204可以被配置用于将热量从冷水回路216传递至热水回路214以便提供对热水的附加加热和对冷水的附加冷却。冷凝水回路218可以从冷却器子设施206中的冷水中吸收热量并且在冷却塔子设施208中放出所述吸收到的热量或将吸收到的热量传递至热水回路214。热TES子设施210和冷TES子设施212可以分别储存热和冷热能，以供后续使用。
热水回路214和冷水回路216可以将加热的和/或冷却的水递送至位于建筑物10的屋顶上的空气处理器(例如，AHU 106)或建筑物10的单独层或区域(例如，VAV单元116)。空气处理器推送空气经过热交换器(例如，加热盘管或冷却盘管)，水流过所述热交换器以提供对空气的加热或冷却。可以将加热或冷却的空气递送至建筑物10的单独区域以服务于建筑物10的热能负载。水然后返回到子设施202至212以接收进一步加热或冷却。
尽管子设施202至212被示出且被描述为加热和冷却水以便循环至建筑物环，但是应当理解的是，替代水或除了水之外，可以使用任何其它类型的工作流体(例如，乙二醇、CO2等)以服务热能负载。在其他实施例中，子设施202至212可以直接向建筑物或校园提供加热和/或冷却，而不需要中间热传递流体。对水侧系统200的这些和其他变体在本发明的教导内。
子设施202至212中的每个子设施可以包括被配置用于促进子设施的功能的各种设备。例如，加热器子设施202被示出为包括被配置用于为热水回路214中的热水添加热量的多个加热元件220(例如，锅炉、电加热器等)。加热器子设施202还被示出为包括若干泵222和224，所述泵被配置用于使热水回路214中的热水循环并控制通过单独加热元件220的热水的流速。冷却器子设施206被示出为包括被配置用于除去来自冷水回路216中的冷水的热量的多个冷却器232。冷却器子设施206还被示出为包括若干泵234和236，所述泵被配置用于使冷水回路216中的冷水循环并控制通过单独冷却器232的冷水的流速。
热回收冷却器子设施204被示出为包括被配置用于将热量从冷水回路216传递至热水回路214的多个热回收热交换器226(例如，制冷电路)。热回收冷却器子设施204还被示出为包括若干泵228和230，所述泵被配置用于使通过热回收热交换器226的热水和/或冷水循环并控制通过单独热回收热交换器226的水的流速。冷却塔子设施208被示出为包括被配置用于除去来自冷凝水回路218中的冷凝水的热量的多个冷却塔238。冷却塔子设施208还被示出为包括若干泵240，所述泵被配置用于使冷凝水回路218中的冷凝水循环并控制通过单独冷却塔238的冷凝水的流速。
热TES子设施210被示出为包括被配置用于储存热水以供稍后使用的热TES罐242。热TES子设施210还可以包括被配置用于控制流入或流出热TES罐242的热水的流速的一个或多个泵或阀。冷TES子设施212被示出为包括被配置用于储存冷水以供稍后使用的冷TES罐244。冷TES子设施212还可以包括被配置用于控制流入或流出冷TES罐244的冷水的流速的一个或多个泵或阀。
在一些实施例中，水侧系统200中的一个或多个泵(例如，泵222、224、228、230、234、236和/或240)或水侧系统200中的管道包括与其相关联的隔离阀。隔离阀可以与泵集成或定位在泵的上游或下游以控制水侧系统200中的流体流动。在各实施例中，水侧系统200可以基于水侧系统200的特定配置和水侧系统200所服务的负载的类型而包括更多、更少或不同类型的装置和/或子设施。
现在参照图3，根据示例性实施例，示出了空气侧系统300的框图。在各实施例中，空气侧系统300可以补充或替代HVAC系统100中的空气侧系统130或者可以与HVAC系统100分开来实施。当在HVAC系统100中实施时，空气侧系统300可以包括HVAC系统100中的HVAC装置的子集(例如，AHU 106、VAV单元116、管道112至114、风扇、气闸等)并且可以位于建筑物10中或周围。空气侧系统300可以操作以使用由水侧系统200提供的加热或冷却的流体来加热或冷却提供给建筑物10的气流。
在图3中，空气侧系统300被示出为包括节能装置类型的空气处理单元(AHU)302。节能装置类型的AHU改变空气处理单元用于加热或冷却的外部空气和回流空气的量。例如，AHU 302可以经由回流空气管道308从建筑物区域306处接收回流空气304并且可以经由供应空气管道312将供应空气310递送至建筑物区域306。在一些实施例中，AHU 302是位于建筑物10的屋顶上(例如，图1中所示出的AHU 106)或者以其他方式被定位用于接收回流空气304和外部空气314两者的屋顶单元。AHU 302可以被配置用于操作排气闸316、混合气闸318和外部空气闸320，以便控制组合形成供应空气310的外部空气314和回流空气304的量。未通过混合气闸318的任何回流空气304可以通过排气闸316从AHU 302排出为废气322。
气闸316至320中的每一个可以由致动器操作。例如，排气闸316可以由致动器324操作，混合气闸318可以由致动器326操作，并且外部空气闸320可以由致动器328操作。致动器324至328可以经由通信链路332与AHU控制器330通信。致动器324至328可以从AHU控制器330接收控制信号并且可以向AHU控制器330提供反馈信号。反馈信号可以包括例如对当前致动器或气闸位置的指示、致动器施加的转矩或力的量、诊断信息(例如，由致动器324至328执行的诊断测试的结果)、状态信息、调试信息、配置设置、校准数据和/或可以由致动器324至328收集、存储或使用的其他类型的信息或数据。AHU控制器330可以是被配置用于使用一个或多个控制算法(例如，基于状态的算法、极值搜索控制(ESC)算法、比例积分(PI)控制算法、比例-积分-微分(PID)控制算法、模型预测控制(MPC)算法、反馈控制算法等)来控制致动器324至328的节能装置控制器。
仍然参照图3，AHU 302被示出为包括冷却盘管334、加热盘管336和位于供应空气管道312内的风扇338。风扇338可以被配置用于推动供应空气310通过冷却盘管334和/或加热盘管336并且向建筑物区域306提供供应空气310。AHU控制器330可以经由通信链路340与风扇338通信以便控制供应空气310的流速。在一些实施例中，AHU控制器330通过调节风扇338的速度来控制施加到供应空气310的加热量或冷却量。
冷却盘管334可以经由管路342从水侧系统200(例如，从冷水回路216)接收冷却的流体并且可以经由管路344将冷却的流体返回至水侧系统200。可以沿着管路342或管路344定位阀346以便控制通过冷却盘管334的冷却流体的流速。在一些实施例中，冷却盘管334包括可以被独立地激活和去激活(例如，由AHU控制器330、由BMS控制器366等)以调节施加到供应空气310的冷却量的多级冷却盘管。
加热盘管336可以经由管路348从水侧系统200(例如，从热水回路214)接收加热的流体并且可以经由管路350将加热的流体返回至水侧系统200。可以沿着管路348或管路350定位阀352以便控制通过加热盘管336的加热的流体的流速。在一些实施例中，加热盘管336包括可以被独立地激活和去激活(例如，由AHU控制器330、由BMS控制器366等)以调节施加到供应空气310的加热量的多级加热盘管。
阀346和352中的每一个可以由致动器控制。例如，阀346可以由致动器354控制，并且阀352可以由致动器356控制。致动器354至356可以经由通信链路358至360与AHU控制器330通信。致动器354至356可以从AHU控制器330接收控制信号并且可以向控制器330提供反馈信号。在一些实施例中，AHU控制器330从定位在供应空气管道312(例如，冷却盘管334和/或加热盘管336的下游)中的温度传感器362接收供应空气温度的测量结果。AHU控制器330还可以从位于建筑物区域306中的温度传感器364接收建筑物区域306的温度测量结果。
在一些实施例中，AHU控制器330经由致动器354至356操作阀346和352以调节提供给供应空气310的加热量或冷却量(例如，从而达到供应空气310的设定值温度或者将供应空气310的温度维持在设定值温度范围内)。阀346和352的位置影响由冷却盘管334或加热盘管336提供给供应空气310的加热量或冷却量并且可以与消耗以达到期望的供应空气温度的能源量相关。AHU控制器330可以通过对盘管334至336进行激活或去激活、调整风扇338的速度或两者的组合来控制供应空气310和/或建筑物区域306的温度。
仍然参照图3，空气侧系统300被示出为包括建筑物管理系统(BMS)控制器366和客户端装置368。BMS控制器366可以包括一个或多个计算机系统(例如，服务器、监督控制器、子系统控制器等)，所述计算机系统充当空气侧系统300、水侧系统200、HVAC系统100和/或服务于建筑物10的其他可控系统的系统级控制器、应用或数据服务器、头结点或主控制器。BMS控制器366可以根据相似或不同协议(例如，LON、BACnet等)经由通信链路370与多个下游建筑物系统或子系统(例如，HVAC系统100、安全系统、照明系统、水侧系统200等)通信。在各实施例中，AHU控制器330和BMS控制器366可以是分离的(如图3中所示出的)或集成的。在集成的实施方式中，AHU控制器330可以是被配置用于由BMS控制器366的处理器执行的软件模块。
在一些实施例中，AHU控制器330从BMS控制器366接收信息(例如，命令、设定值、操作边界等)并且向BMS控制器366提供信息(例如，温度测量结果、阀或致动器位置、操作状态、诊断等)。例如，AHU控制器330可以向BMS控制器366提供来自温度传感器362至364的温度测量结果、设备开/关状态、设备运行能力和/或可以由BMS控制器366用来监测和控制建筑物区域306内的可变状态或情况的任何其他信息。
客户端装置368可以包括用于对HVAC系统100、其子系统和/或装置进行控制、查看或以其他方式交互的一个或多个人机接口或客户端接口(例如，图形用户界面、报告接口、基于文本的计算机接口、面向客户端的web服务、向web客户端提供页面的web服务器等)。客户端装置368可以是计算机工作站、客户终端、远程或本地接口或任何其他类型的用户界面装置。客户端装置368可以是固定终端或移动装置。例如，客户端装置368可以是台式计算机、具有用户界面的计算机服务器、膝上型计算机、平板计算机、智能电话、PDA或任何其他类型的移动或非移动装置。客户端装置368可以经由通信链路372与BMS控制器366和/或AHU控制器330通信。
现在参照图4，根据示例性实施例，示出了建筑物管理系统(BMS)400的框图。可以在建筑物10中实施BMS 400以自动地监测和控制各种建筑物功能。BMS 400被示出为包括BMS控制器366和多个建筑物子系统420。建筑物子系统420被示出为包括防火安全子系统422、电梯/电动扶梯子系统424、建筑物电气子系统426、信息通信技术(ICT)子系统428、安全子系统430、HVAC子系统432和照明子系统434。在各实施例中，建筑物子系统420可以包括更少的、附加的或替代的子系统。例如，建筑物子系统420还可以包括或可替代地包括制冷子系统、广告或引导标示子系统、烹饪子系统、售货子系统、打印机或拷贝服务子系统或者使用可控的设备和/或传感器来监测或控制建筑物10的任何其他类型的建筑物子系统。在一些实施例中，如参照图2至图3描述的，建筑物子系统420包括水侧系统200和/或空气侧系统300。
建筑物子系统420中的每一个建筑物子系统可以包括用于完成其单独功能和控制活动的任何数量的装置、控制器和连接。如参照图1至图3所描述的，HVAC子系统432可以包括许多与HVAC系统100相同的部件。例如，HVAC子系统432可以包括冷却器、锅炉、任何数量的空气处理单元、节能装置、现场控制器、监控控制器、致动器、温度传感器以及用于控制建筑物10内的温度、湿度、气流或其他可变条件的其他装置。照明子系统434可以包括任何数量的灯具、镇流器、照明传感器、调光器或被配置用于可控制地调节提供给建筑物空间的光量的其他装置。安全子系统430可以包括占用传感器、视频监控摄像机、数字视频录像机、视频处理服务器、入侵检测装置、访问控制装置和服务器或其他与安全相关的装置。
仍然参照图4，BMS控制器366被示出为包括通信接口404和BMS接口402。接口404可以促进BMS控制器366与外部应用(例如，监测和报告应用、企业控制应用、远程系统和应用、驻留在客户端装置上的应用等)之间的通信，以允许用户对BMS控制器366和/或子系统420进行控制、监测和调节。接口404还可以促进BMS控制器366与客户端装置之间的通信。BMS接口402可以促进BMS控制器366与建筑物子系统420(例如，HVAC、照明安全、电梯、配电、业务等)之间的通信。
接口402和404可以是或包括用于与建筑物子系统420或其他外部系统或装置进行数据通信的有线或无线通信接口(例如，插座、天线、发射器、接收器、收发器、电线端子等)。在各实施例中，经由接口402和404进行的通信可以是直接的(例如，本地有线或无线通信)或经由通信网络(例如，WAN、互联网、蜂窝网等)。例如，接口402和404可以包括用于经由基于以太网的通信链路或网络发送和接收数据的以太网卡和端口。在另一个示例中，接口402和404可以包括用于经由无线通信网络进行通信的WiFi收发器。在另一个示例中，接口402和404中的一者或两者可以包括蜂窝或移动电话通信收发器。在一个实施例中，通信接口404为电力线通信接口并且BMS接口402为以太网接口。在其他实施例中，通信接口404和BMS接口402都为以太网接口或为同一个以太网接口。
BMS控制器366可以与无线装置408进行通信。在一些实施例中，装置408包括无线传感器。例如，装置408可以包括无线通信能力，并且可以能够将所测得和/或所预测数据值传输至BMS控制器366。装置408可以是无线独立传感器，所述无线独立传感器不是另一个装置的一部分。例如，装置408可以是隐藏在墙中、附接至灯具等无线传感器，并且可以是电池操作的。在一些实施例中，装置408与建筑物子系统420的子系统集成。例如，装置408可以是安装在HVAC子系统432的管道中的传感器。装置408可以包含用于监测建筑物10的各种传感器(例如，温度、压力传感器等)中的一个或多个传感器。
在一些实施例中，装置408可以是智能电话或平板计算机。在其他实施例中，装置408可以是膝上型计算机或台式计算机，并且可以不是无线的。无线装置408可以是能够通过通信接口404与BMS控制器366进行通信的任何装置，并且不限于明确枚举的装置。设想无线装置408可以直接与建筑物子系统420进行通信。BMS控制器366可以向装置408传输建筑物数据，以供处理或分析。建筑物数据可以包括从建筑物内的部件获得的或与建筑物的一部分或子系统有关的任何相关数据。例如，建筑物数据可以是来自传感器的数据、来自装置的状态控制信号和反馈信号、计算度量、设定值、配置参数等。在一些实施方式中，建筑物数据是从所收集的数据中导出的。
在一些实施例中，无线装置408可以向BMS控制器366传输控制数据。控制数据可以是影响BMS操作的任何数据。在一些实施例中，控制数据可以通过BMS控制器366控制建筑物子系统420。例如，无线装置408可以发送具有命令的信号以启用安全子系统430的入侵检测装置。无线装置408可以通过通信接口404从BMS控制器366处接收建筑物数据。
仍然参照图4，BMS 400可以包括数据库406。数据库406可以包括在BMS 400中测量或计算的时间序列值的历史。例如，数据库406可以包括一个或多个所测得的或所计算的温度(例如，制冷剂温度、冷水供应温度、热水供应温度、供应空气温度、区域温度等)、压力(例如，蒸发器压力、冷凝器压力、供应空气压力等)、流速(例如，冷水流速、热水流速、制冷剂流速、供应空气流速等)、阀位置、资源消耗(例如，功率消耗、水消耗、电力消耗等)、控制设定值、模型参数(例如，回归模型系数)，或提供有关BMS 400或其部件的性能的信息的任何其他时间序列值。
在一些实施例中，数据库406中的时间序列值由BMS 400的各种传感器测量。例如，BMS 400可以包括一个或多个温度传感器、湿度传感器、焓值传感器、压力传感器、照明传感器、流速传感器、电压传感器、阀位置传感器、负载传感器、资源消耗传感器，和/或能够测量BMS 400中的兴趣变量的任何其他类型的传感器。BMS 400可以使用传感器来测量一个或多个时间序列变量(例如，环境变量、控制变量等)或由BMS 400监测的参数的值。在一些实施例中，传感器可以是装置408的一部分。BMS 400和/或无线装置408可以使用时间序列值来计算多个时间中的每一时间的值。值的历史可以存储在数据库406中。在一些实施例中，数据库406中的值是由传感器和/或BMS 400的装置408所观察到的测得值。在其他实施例中，数据库406中的值由外部数据源(例如，来自公共设施供应商的数据)提供。
BMS控制器366被示出为包括处理电路410，所述处理电路包括处理器412和存储器414。处理电路410可以可通信地连接至BMS接口402和/或通信接口404，从而使得处理电路410及其各个部件可以经由接口402和404发送和接收数据。处理器412可以被实施为通用处理器、应用专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一组处理部件或其他合适的电子处理部件。
存储器414(例如，存储器、存储器单元、存储装置等)可以包括用于存储数据和/或计算机代码的一个或多个装置(例如、RAM、ROM、闪存器、硬盘存储装置等)，所述数据和/或计算机代码用于完成或促进本申请中所描述的各种过程、层和模块。存储器414可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器414可以包括数据库组件、对象代码组件、脚本组件或用于支持本申请中所描述的各种活动和信息结构的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施例，存储器414经由处理电路410可通信地连接至处理器412并且包括用于(例如，由处理电路410和/或处理器412)执行本文中所描述的一个或多个过程的计算机代码。
在一些实施例中，在单个计算机(例如，一个服务器、一个外壳等)内实施BMS控制器366。在各个其他实施例中，BMS控制器366可以跨多个服务器或计算机(例如，其可以存在于分布式位置中)分布。例如，BMS控制器366可以被实施为如由江森自控有限公司(JohnsonControls,Inc.)售卖的
Figure BDA0001734277360000131
品牌建筑物自动化系统的一部分。在其他实施例中，BMS控制器366可以是远程计算系统或基于云的计算系统的部件，所述基于云的计算系统被配置用于接收和处理来自一个或多个建筑物管理系统的数据。例如，BMS控制器366可以被实施为如由江森自控有限公司(Johnson Controls,Inc.)售卖的
Figure BDA0001734277360000132
品牌建筑物效率平台的一部分。在其他实施例中，BMS控制器366可以是子系统级控制器(例如，HVAC控制器)、子设施控制器、装置控制器(例如，AHU控制器330、冷却器控制器等)、现场控制器、计算机工作站、客户端装置、或接收和处理数据的任何其他系统或装置的部件。
仍然参照图4，存储器414被示出为包括消息解析器416和反馈控制器418。模块416和418可以被配置用于从建筑物子系统420、无线装置408和其他数据源处接收输入、基于所述输入确定建筑物子系统420的最佳控制动作、基于所述最佳控制动作生成控制信号并且将所生成的控制信号提供给建筑物子系统420。以下段落描述了由BMS 400中的模块416和418中的每个模块执行的通用功能中的一些通用功能。
消息解析器416可以被配置用于对由BMS控制器366接收的数据进行解析。例如，包含多个数据值(例如，测得值和/或预测值)的消息可以由BMS控制器366接收。消息解析器416可以被配置用于对消息进行解析，并且提取多个数据值。消息解析器416一次可以向反馈控制器418提供一个值。消息解析器416还可以或可替代地被配置用于将值标记为所测得的或所预测的。在又其它实施例中，消息解析器416可以仅向反馈控制器418提供某一类型的值。例如，消息解析器416可以仅向反馈控制器418提供测得值。在一些实施例中，消息解析器416可以基于与值相关联的值或标记来组织或整理数据。例如，消息解析器416可以对由BMS控制器366接收的消息进行重新排列，使得测得值在预测值之前出现，或者反之亦然。在一些实施例中，消息解析器416可以与反馈控制器418一起工作以基于在接口404和/或BMS接口402处接收到的输入来优化建筑物性能(例如，效率、能量使用、舒适度或安全性)。
反馈控制器418可以被配置用于利用测量结果来作出关于如何操纵BMS 400的操作使得BMS 400实现预期的或期望的行为的决定。例如，反馈控制器418可以能够从消息解析器416接收测得值和预测值的输入。在一些实施例中，反馈控制器418不需要知道值是否被测量或被预测。例如，通过以规则的间隔接收测得值和预测值两者而不被通知每个值的类型，现有系统可以能够与无线装置408交互而不会被显著改变或完全改变。反馈控制器418可以使用测得值和/或预测值作为向控制算法的输入，就像所有值都被测量了一样。这可以通过减少所需重新配置和重新安装的量来为消费者提供节省。
无线装置传输计时
电池寿命是关键的竞争考虑因素，并且有必要探索用于延长无线装置的有效电池寿命的方法。必须以某合理的置信度水平来了解无线装置的所估计电池寿命，以便销售团队吸引客户、对无线产品供应进行报价、并恰当地估计电池更换间隔。无线装置可以包括用于通信的无线电装置，所述无线电装置可以将测量结果传送至控制器。在许多情况下，无线电传输在操作期间消耗大部分功率。一些无线电装置具有两年或者更短的电池寿命，这对于一些消费者来说通常是不足够的时间量。延长电池寿命可能为期望更长电池寿命的消费者带来更具竞争力的产品。
现有设计涉及无线装置的无线电每一分钟或两分钟发射一条消息。在一些实施例中，使用的无线通信协议是ZigBee。在其他实施例中，通信协议可以包括WiFi、蓝牙、NFC等。这种频繁的传输可能在两年内消耗完无线装置的电池。之前提出的策略需要改变控制器算法，并且可能降低控制器的完整性。在一些实施例中，所测得变量可以是区域温度；如果传输之间的时间延长太多，则由控制器控制的区域的居住者的舒适度可能会受到影响。例如，如果传输之间的时间增加至五分钟，则在系统确认改变温度之前房间的居住者可能被迫忍受不舒适的条件五分钟。在其他实施例中，所测得变量与受控变量相同。在一些实施例中，受控变量可以是温度、湿度等。所测得变量和受控变量不限于那些特别枚举的。
本披露描述了使用测量结果和过去数据来准确预测下一个测量结果的系统和方法。无线装置的无线电可以传输包含当前测量结果和一个或多个所预测测量结果的消息。控制器可以接收并且使用测量结果，而无需改变其算法。例如，控制器可以包括消息解析器，所述消息解析器从单个消息中提取多个值，并且在一段时间内将所提取的值作为输入提供至控制算法(例如，在每个控制器更新间隔的开始处的一个值)。在一些实施例中，当进行与之前所预测的测量结果不一致的测量(例如，与之前预测的测量结果相差超过某一阈值的量、以超过某一阈值的速率进行变化等)时，无线装置向控制器发送新的消息。
许多现有方法需要改变控制算法。在一些实施例中，在此描述的系统和方法允许控制器在最小但可接受的控制完整性损失的情况下使用相同的算法以相同的方式运行。控制完整性的可接受损失可以是预定义的误差幅度。传感器侧或者系统包含传感器的部分可以执行多次测量(其通常不消耗与多次传输一样多的功率)，并且基于测量结果和过去数据来发送一条包含高度准确的预测的消息。在一些实施例中，控制器以与在先前方法中使用的那些间隔一致的规则间隔来接收测得值，并且由控制器使用的控制算法可能不变化。传输越少可能导致无线装置使用的功率越少。预期可以通过采用本披露的系统、方法和装置来显著地延长电池寿命。
传输系统架构
现在参照图5A和5B，根据两个示例性实施例，示出了用于无线传输所测得变量的数据值的系统500和550。所传输的数据值可以包括测得值、预测值、或其任何组合。系统500和550被示出为包括无线装置408和BMS控制器366。无线装置408被示出为包括传感器502、低功率微控制器504和无线电芯片514。
传感器502可以测量兴趣变量，并且将所测量数据值提供至低功率微控制器504。传感器502可以是温度传感器、湿度传感器、焓值传感器、压力传感器、照明传感器、流速传感器、电压传感器、阀位置传感器、负载传感器、资源消耗传感器，和/或能够测量BMS 400中兴趣变量的任何其他类型的传感器。在一些实施例中，传感器502包括多个传感器，并且无线装置408可以生成多条消息或者生成一条消息，每条消息包含多个所测得变量的(所测得的和所预测的两者)测量结果。在一些实施例中，传感器502是单个传感器，并且无线装置408可以生成包含多个(所测得的和所预测的)测量结果的单个消息，所述测量结果包含针对单个所测得变量的数据。
传感器502可以是任何电池操作的传感器，使得传感器502不需要外部电源。在一些实施例中，传感器502接收来自无线装置408内的电池的功率。在其他实施例中，传感器502可以使用任何电源，比如，化学电池、太阳能电池、生物电池等。在一些实施例中，传感器502可以利用外部电源，并且可以经由有线连接被连接至电源。在其他实施例中，传感器502可以利用如无线充电等技术。
传感器502可以以规则的间隔不断地收集数据值。例如，传感器502可以每分钟收集建筑物的特定区域的温度数据。在一些实施例中，传感器502可以同时或以不同频率收集多个变量的多个值。例如，传感器502可以是组合传感器，并且可以每分钟收集空气温度数据，并且每五分钟收集局部湿度。由传感器502进行的数据收集之间的时间长度在此被称为测量周期和/或测量间隔。
低功率微控制器504可以生成包含所测得变量的一个或多个值的、并且在一些实施例中包含所测得变量的一个或多个预测值的消息。低功率微控制器504可以是能够处理数据的任何控制器部件。例如，微控制器504可以包括包含能够接收、处理和输出数据的处理器的处理电路。在一些实施例中，微控制器504可以包含能够存储数据的存储器。在其他实施例中，微控制器504可以不包括存储器。以下更详细描述了低功率微控制器504的各实施例。低功率微控制器504将消息提供至无线电芯片514，所述无线电芯片将消息无线传输至BMS控制器366。
BMS控制器366被示出为包括无线电芯片516、消息解析器526、和反馈控制器418。无线电芯片516从无线传感器408的无线电芯片514处接收消息，并且将所述消息提供至消息解析器416。消息解析器416从消息中提取单独数据值，并且将所述数据值提供至反馈控制器418。反馈控制器418使用数据值作为控制算法的输入，以便生成控制输出(例如，用于建筑设备的控制信号，其操作以影响所测得变量)。在一些实施例中，BMS控制器366包括参照图3至图4所描述的部分或所有特征。在一些实施例中，系统500和550可以包括相比于那些在图5A至图5B中具体示出的部件更多、更少和/或不同的部件。
现在具体地参照图5A，根据示例性实施例，示出了系统500。在系统500中，所测得变量的一个或多个未来值由无线装置408预测，将其与所测得变量的当前值一起组合成单个消息，并将所述单个消息无线地传输到BMS控制器366。在一些实施例中，所述消息包括所测得变量的当前(例如，所测得的)值和一个或多个预测值。在其他实施例中，所述消息不包括当前(例如，所测得的)值。例如，在一些实施例中，所述消息可以仅包括预测值。在系统500中，低功率微控制器504被示出为包括未来值预测器506、传输计时器508、值比较器510、和消息生成器512。以下更加详细地描述这些部件的功能。
未来值预测器506可以是微控制器504的模块。在一些实施例中，未来值预测器506可以是存储器模块，所述存储器模块包含将由微控制器504的处理器执行的指令。未来值预测器506可以使用由传感器502获得的测得值来预测所测得变量的未来值。在一些实施例中，未来值预测器506可以在硬件中被实施为电路。在其他实施例中，未来值预测器506可以在软件中被实施为计算机可执行代码。未来值预测器506可以被实施为硬件和软件的任何组合。本披露中的任何模块可以被实施为仅软件、仅硬件或硬件和软件的组合。
未来值预测器506可以在预测范围(模型预测多远的未来)内或预定长度的预测周期内使用预测模型来准确地预测所测得变量的一个或多个未来值。在一些实施例中，所选模型可以被开发用于在小范围内预测，以便确保反馈控制器418的数据值的频繁输入。所选模型可以是低阶的，以便降低计算复杂度，并且因此减少处理时间和功率消耗。在一些实施例中，所选模型可以适用于处理各种启动条件和情况。例如，模型可以被设计用于处理具有不同空气量的建筑物区域。
未来值预测器506可以使用所选模型来开发低计算复杂度的基于模型的预测算法。在一些实施例中，所述算法可以过滤掉所接收数据中的噪声。预测算法可以由低功率微控制器504来执行以便预测反馈控制器418的输入的未来值。在一些实施例中，未来值预测器506执行预测算法。在一些实施例中，所述算法可以被设计成用于具有低计算复杂度，以便确保使用可以具有有限计算和存储器资源的低功率微控制器504进行实时执行。在图9A和10A的讨论中更详细地描述示例性模型和算法。
仍然参照图5A，传输计时器508可以是低功率微控制器504的模块，所述传输计时器被配置用于监测和控制来自装置408的无线传输的计时。在一些实施例中，传输计时器508监测和控制至BMS控制器366的无线传输的计时。传输计时器508可以被配置用于基于由反馈控制器418使用的原始传输间隔来识别或确定无线装置408的传输周期和/或传输间隔。如在此定义的，传输间隔可以是来自无线装置408的传输之间经过的时间。在一些实施例中，传输间隔长于由反馈控制器418使用的控制器更新间隔。例如，如果由反馈控制器418使用的控制器更新间隔为一分钟，则传输间隔可以是四分钟。控制器更新间隔可以是由反馈控制器418使用的控制算法的迭代之间的时间段。在每个控制器更新间隔的开始处，反馈控制器418可以被提供更新的输入值。在其他实施例中，传输间隔等于由反馈控制器418使用的控制器更新。
传输间隔可以由无线装置408确定，以便提供功率节省与由装置408的预测值输出的准确度之间的折衷。在一些实施例中，传输间隔可以由传输计时器508确定，并且预测值由未来值预测器506确定。传输计时器508可以基于来自值比较器510的指令来调节无线装置408的传输间隔。例如，如果值比较器510确定给定时间的预测值显著不同于所述给定时间的实际测得值，和/或如果所述测得值已经以超过预定阈值的速率改变，则可以缩短规则的传输间隔。
控制器更新间隔可能比传输间隔短，使得在单个传输间隔内产生多个控制器更新间隔。在其他实施例中，控制器更新间隔可能与传输间隔相同。在一些实施例中，控制器更新间隔可能不长于受控系统的时间常数的十分之一。在其他实施例中，控制器更新间隔可能是受控系统的任何时间长度(例如，时间常数的二分之一、三分之二、两倍等)。受控空间的时间常数可以表征系统的频率响应。例如，系统的时间常数可以是20分钟；控制器更新间隔可以是时间常数的二十分之一、或者一分钟。在一些实施例中，更新间隔是基于用户或居住者偏好来确定的。例如，用户可能偏好控制器更新间隔较短，以便跟上不断变化的条件并且维持居住者舒适度。用户可以将控制器更新间隔设置为较长，以便节省无线装置408的电池寿命，所述无线装置在较短的更新间隔的情况下需要更频繁地传输。
仍然参照图5A，低功率微控制器504被示出为包括值比较器510。值比较器510可以是微控制器504的模块，所述值比较器被配置用于比较所测得变量的值。在一些实施例中，值比较器510可以将特定时间的先前预测值与此时的实际测得值进行比较，并且基于比较结果来作出操作决策。例如，值比较器510可以将先前预测值与实际测得值进行比较，以便确定预测值与测得值之间的差值。在一些实施例中，值比较器510比较不同时间的多个测得值以确定变化率。差值和/或变化率可用于作出操作决策。例如，如果差值和/或变化率大于预定阈值，则无线装置408可以在下一次传输间隔开始之前向BMS控制器366发送新的测得值。
在一些实施例中，值比较器510可以与传输计时器508进行通信，以基于所计算的变化率来在下一次传输间隔开始之前向BMS控制器366传输测得值。例如，如果值比较器510确定区域温度的变化率大于预定阈值，则值比较器510可以与传输计时器508进行通信，以在下一次传输间隔开始之前发送测得值。在一些实施例中，无线装置408可以基于某一时间的预测值与此时其测得值之间的差值来作出控制决策。例如，值比较器510可以计算流速的预测值与测得值之间的差值，并且在确定所述差值大于预定阈值时，值比较器可以与传输计时器508进行通信，以在下一次传输间隔开始之前向BMS控制器366发送测得值。在一些实施例中，仅当值的变化发生时，才发送新的传输。例如，值比较器510可以将变量的当前(例如，所测得的或所预测的)值与先前传输中包括的值进行比较。如果所述值尚未改变，则传输计时器508可以延迟发送下一次传输。下一次传输可以被延迟，直到比较器510确定已经发生了相对于先前传输值的变量值的变化。在一些实施例中，传输计时器508使得心搏传输被周期性地发送，以便指示无线装置408仍在工作。
仍然参照图5A，低功率微控制器504被示出为包括消息生成器512。消息生成器512可以是微控制器504的模块，所述消息生成器被配置用于生成用于从装置408传输的消息。在一些实施例中，消息生成器512可以生成包含一个或多个测得值和所测得变量的一个或多个预测值的消息，所述消息用于从装置408传输至BMS控制器366。在一些实施例中，消息包括表明值是测得值或预测值的指示符。例如，消息生成器512可以生成包括一个测得值和三个预测值的消息。所述预测值可以由标记或属性进行标记，以便向BMS控制器366指示所述值为预测值。在其他实施例中，消息生成器512可能不会标记不同的值，并且可能不会通知BMS控制器366值是否为测得的或预测的。
在一些实施例中，消息生成器512生成具有仅测得值、仅预测值、或测得值和预测值的组合的消息。消息生成器512可以生成消息，从而使得所包括的值是顺序的。在一些实施例中，消息生成器512可以生成具有针对值应该被读取的顺序的指示符的消息。例如，消息可以是包含一个测得值和多个预测值的数据包，每个值具有指示其状态(测得的或预测的)头部或其暂时顺序。在其他实施例中，消息生成器512可以生成消息，其具有按照每个值将被读取和/或被应用作为反馈控制器418的输入的顺序的值。
消息生成器512可以生成消息，使得BMS控制器366的控制算法不需要进行改变，以便接收消息。在一些实施例中，消息生成器512可以生成消息，使得BMS控制器366的控制算法需要进行很小的改变，以便接收消息。消息生成器512可以生成具有用于传输至BMS控制器366的命令或控制数据的消息。
仍然参照图5A，无线装置408和BMS控制器366被示出为包括无线电芯片514和516。在一些实施例中，使用的无线通信协议是ZigBee。其他通信协议包括WiFi、蓝牙、NFC等。在一些实施例中，可以包括其他通信接口和部件，比如，有线连接。无线电芯片514和516可以包含能够经由天线发射和接收数据的收发器。无线电芯片514和516可以是不同的芯片，并且当使用相同的无线通信协议时可以使用不同的硬件。无线电芯片514和516可以使用任何频率接口(比如，RF)来进行操作。芯片514和516可以使用超过RF范围的频率，并且可能不是无线电芯片。在一些实施例中，芯片514和516可以使用其他频率范围(比如，IR)来进行通信。芯片514和516可以利用任何通信接口，并且不限于那些特别枚举的。
仍然参照图5A，BMS控制器366被示出为包括消息解析器416和反馈控制器418。这些部件可以与如之前参照图4所描述的部件相同或类似。例如，消息解析器416可以对由消息生成器512生成的且由BMS控制器366接收的消息进行解析。在一些实施例中，消息直接由消息解析器416接收。消息解析器416可以与反馈控制器418进行通信。在一些实施例中，消息解析器416对消息进行解析、从消息中提取多个数据值、并且以规则的间隔将数据值提供至反馈控制器418。
消息解析器416可以以传输间隔接收消息，所述传输间隔可能长于控制器更新间隔。消息解析器416可以对消息进行解析，以提取针对传输间隔内的每个控制器更新间隔的数据值。例如，消息解析器416可以接收具有六个值(一个测得值和五个预测值)的消息。消息解析器416可以从消息中提取六个值，并且在每个控制器更新间隔开始时将所述值之一提供至反馈控制器418。反馈控制器418可以从消息解析器416接收输入，以便为BMS控制器366作出控制决策。在一些实施例中，反馈控制器418生成控制数据，并且(例如，直接或经由BMS接口404)提供控制数据BMS子系统420。
现在参照图5B，根据示例性实施例，示出了系统550。系统500被示出为包括许多与图5A的系统500相同的部件。重复使用的附图标记数字指示类似的部件。在系统550中，所测得变量的未来值由BMS控制器366来预测，并且因此未来值预测器506可以被包括在BMS控制器366中而不是无线装置408中。在图5B的示例性实施例中，无线装置408被示出为包括传输计时器508和消息生成器512。消息生成器512可以生成包括所测得变量的一个或多个值的消息。在一些实施例中，消息包括所测得变量的单个值。在其他实施例中，消息包括所测得变量的多个值。无线电芯片514可以以传输间隔将消息传输至BMS控制器366。
BMS控制器366被示出为包括消息解析器416、未来值预测器506、和反馈控制器418。在一些实施例中，消息解析器416从无线装置408处接收消息，并且将消息解析为值，以输入至反馈控制器418。所述值在被输入至反馈控制器418之前可以通过未来值预测器506。未来值预测器506可以使用由消息解析器416解析出的值来预测值，以使所测得变量传递到反馈控制器418。
在一些实施例中，由消息解析器416接收的消息包含被传递至未来值预测器506的多个测得值(即，所测得变量的过去值)，并且未来值预测器506可以使用多个测得值来预测未来的值。在其他实施例中，由消息解析器416接收的消息包含被传递至未来值预测器506的一个测得值，并且未来值预测器506可以使用单个测得值来预测未来的值。未来值预测器506可以每次预测一个值以输入至反馈控制器418。在一些实施例中，未来值预测器506可以在预定持续时间的范围内的每个控制间隔预测值。在一些实施例中，预测范围开始于当前时间，并且结束于在新传输被调度以被接收之前的控制间隔。例如，如果传输间隔是每四分钟，则预测范围可以是三分钟。这允许未来值预测器506预测未从无线装置408接收到所测得变量的值的每个控制间隔的未来值。
用于预测未来测量结果的过程
无线装置中的无线电芯片可以在从低功率微控制器处接收数据时使用比在将消息发射至反馈控制器时少得多的功率。每次无线装置传输时，可以向控制器发送单个消息中的多个值，从而减少了所需传输的数量。通过结合更高级的算法以用于准确地预测未来值，本披露所提出的系统和方法可能增加传输间隔并且节省功率。
在一些实施例中，向反馈控制器发送的消息可以包含所测得变量的当前测得值和多个预测值。预测值可以基于存储在存储器中的多个测量结果和过去值。在一些实施例中，每个传输间隔发送一条消息。如果值发生了变化，则其可能触发具有更新值的新消息被发送至控制器。在一些实施方式中，控制器更新间隔和无线装置传输间隔可能不相等。相反，在控制器侧的消息解析器可以在每个更新间隔向反馈控制器提供来自消息的一个值。在一些实施例中，不需要改变控制器的实施方式或算法——实际值和预测值可以一样地被格式化并且被处理，两者之间没有指示的差异。
所提出方法的一个优点在于为反馈控制器提供未来值。系统能够维持相同的响应性，而不牺牲电池寿命。例如，建筑物管理系统可以能够通过维持每分钟的控制器更新间隔同时仅每四分钟接收一次消息来维持居住者舒适度。可以获得更好的测量分辨率，而无需在每个控制器更新间隔传输值。对于传输间隔的长度，存在两个限制因素：算法的准确度，其确定了预测范围；以及无线装置在进行测量和运行算法时消耗的功率。传输越少意味着无线装置使用的功率越少。预期可以通过采用本披露的系统、方法和装置来显著地延长电池寿命。
现在参照图6，根据示例性实施例，示出了现有无线传输技术的曲线图600。X轴602被示出为时间。在一些实施例中，单位为分钟，并且传输606被示出为每分钟发生。Y轴604被示出为所测得变量的值。包含在每次传输中的数据可以是所测得变量的测得值608。曲线图600示出了无线装置可以向控制器传输消息的间隔。在一些实施例中，每次传输接收一个测得值，并且传输间隔与控制器更新间隔相同(即，每分钟一个测量结果和传输)。许多现有方法使用传输和测得值的一对一比率，从而在传输中消耗了大量功率。
现在参照图7，根据示例性实施例，示出了展示图6的现有无线传输技术的过程700。过程700开始于步骤702，在所述步骤中，测量所选建筑物变量、或所测得变量。步骤702可以由可包含传感器的无线装置来执行。在一些实施例中，传感器可以是无线的或者其需要有线连接。过程继续到步骤704，在所述步骤中，生成了包含建筑物变量的单个测量结果的消息。所述消息可以由无线装置生成，并且在一些实施例中，可以由微控制器或无线装置中的微控制器的模块生成。
然后，在步骤706中，可以传输所述消息。在一些实施例中，所述消息被无线传输至控制器。控制器可以在步骤708中接收所述消息。在一些实施例中，控制器可以包括微控制器，所述微控制器在步骤710中对消息进行解析，以获得可以被输入至控制器的值。控制器可以包括反馈控制器，所述反馈控制器基于从无线装置处接收到的输入来作出控制决策。过程700继续到步骤712，在所述步骤中，在步骤710中获得的值被输入至反馈控制器。在许多现有方法中，通过返回至步骤702来重复过程700。传输通常使用一个值来进行，每个控制器更新间隔需要一次传输。
现在参照图8，根据示例性实施例，示出了展示新的无线传输技术的曲线图800。X轴802被示出为时间。在一些实施例中，单位为分钟，并且传输806被示出为以四分钟的规则间隔发生。在其他实施例中，传输806可以以任何规则的间隔发生，比如，每两分钟、每七分钟、每十五分钟等。传输之间经过的时间在此被称为传输间隔808。在一些实施例中，传输806可以以不规则的间隔发生。
仍然参照图8，Y轴804被示出为所测得变量的值。包含在每次传输中的数据可以包括所测得变量的一个或多个测得值810、和一个或多个预测值812。预测值812中的每一个被示出为包括可以指示每个值的置信区间或不确定性的条。置信度水平可以由用户选择，或者可以基于用户输入和对系统中的变化的反应性的偏好来由系统自动选择。例如，针对控制建筑物的未被占用区域的温度的系统，用户可以期望80％的低置信度水平，而针对控制实验室环境的湿度的系统，他可以选择95％的置信度水平。置信度水平可以影响用于预测预测值812的所选算法的计算复杂度，并且可以基于递送这种置信度水平所需的功率量或计算时间来由用户或系统作出关于置信度水平的决策。
在一些实施例中，条可以表示可接受的误差幅度。在其他实施例中，条可以表示值的上阈值和下阈值。例如，如果确定在预测的未来值812时的稍后测得值810在阈值之一之外，则可以激活警报。如果在预测的未来值812时的稍后测得值810在阈值之一之外，则测得值810可以在下一次传输间隔开始之前被发送至反馈控制器。
仍然参照图8，在此示例实施例中，曲线图800示出了发生在时间1和时间5处的传输806。曲线图800示出了在时间1和时间5处的测得值810，和在时间2至4与时间6至7之间的预测值812。传输间隔已经被从图6所示的一分钟间隔延长至四分钟(例如，每四分钟一次传输)。在时间1处，可以发送包含实际测得值810和三个所预测的未来值812的消息。在时间2、3和4处的值可以被估计，并且可以能够容忍与实际值的少许偏离，所述少许偏离由指示置信度区间的条来指示。
传感器可以在每个测量间隔的开始(例如，每分钟一次)测量所测得变量并运行预测算法。然后，每传输间隔(例如，每四分钟)可以发送一次消息。每条消息可以包括兴趣变量的测得值和一个或多个预测值。例如，在时间1处生成的消息可以包括在时间1处测量的实际值，以及时间2至4的预测值。在时间5处生成的消息可以包括在时间5处测量的实际值，以及时间6至8的预测值。测得值与最远的预测值之间的间隔被示出为预测间隔。换言之，预测间隔限定了提前多久进行预测。例如，曲线图800被示出为包括从时间1延伸到时间4的三分钟的预测间隔。
在每个传输间隔的开始处可以生成并且发送新的消息。然而，设想的是如果检测到值的变化，则还可以生成并且发送新的消息。值的变化可以包括，例如，给定时间的测得值与预测值之间的实质差值(例如，超过某一阈值的差值)、位于预测值的阈值之外的测得值、超过某一阈值的变化率，或者相对于先前预测值或先前测得值的测得值的其他变化。
在本披露中描述了一种用于反馈控制的基于模型的预测感测算法。在一些实施例中，不对反馈控制器的控制器更新间隔进行改变。可以执行反馈控制器，就像其在可接受控制性能所需的每个时间步长处接收测量结果一样。无线装置与控制器之间的传输间隔可以增加至控制器的控制器更新率的倍数(例如，控制器的每四个控制器更新间隔传输一次)。为了向反馈控制器提供传输之间的测得值，无线装置还可以向反馈控制器发送未来测量结果的预测值。
现在参照图9A和图9B，根据示例性实施例，示出了用于可以由图4的系统执行的所提出的无线传输计时方法的系统900和过程950。系统900和过程950可以包括步骤902，在所述步骤中，测量建筑物变量的一个或多个值。在一些实施例中，步骤902可以由无线装置408执行。参照图5A、图9A和图9B，步骤902可以由传感器502执行。在一些实施例中，步骤902由无线装置408的可能未示出的另一个部件来执行。测量间隔(即，连续测量之间的时间)可以短于传输间隔(即，连续传输之间的时间)或等于传输间隔。例如，可以每分钟获得所测得变量的样本，而可以每四分钟发生一次传输。
系统900和过程950可以继续到步骤904，在所述步骤中，预测建筑物变量(或所测得变量)的未来值。在一些实施例中，步骤904由无线装置408执行。步骤904可以由低功率微控制器504或低功率微控制器504的部件来执行。在一些实施例中，步骤904由无线装置408的未来值预测器506来执行。用于预测未来值的算法可以使用任何预测方法。在一些实施例中，滤波器(如卡尔曼滤波器)可用于预测所测得变量的未来值。在其他实施例中，使用确定性和随机性模型。自回归模型可用于预测所测得变量的未来值。本披露稍后描述示例性模型和算法。然而，应理解的是除了在此具体描述的这些之外，还可以使用其他类型的预测。
在步骤906中，无线装置408可以判定是否生成消息。在一些实施例中，当值发生变化时(例如，当同一时间的预测值和稍后测得值的之间的误差超过某一阈值时，当测得值的变化率超过某一阈值时等)，无线装置408决定生成新消息。在一些实施例中，新消息的生成导致新消息的传输。新消息的传输可以开始新的传输间隔。例如，传输间隔可以是四分钟长，并且可以跨越时间1到时间5。如果在时间3处检测到值的变化，则新的传输间隔可以在时间3处开始，并且跨越时间3到时间7。在一些实施例中，如果用户对系统进行改变，则可以生成新的消息。例如，如果用户改变了系统的设定值或设置，则可以生成新的消息以传输至反馈控制器。
系统的时间常数可能会发生变化，从而导致预测不准确。例如，由于特定区域的占用率的变化，温度控制系统的频率响应可能会发生变化。在一些实施例中，如果错误正常地发生或者如果错误发生得太频繁(例如，以超过预定限制或阈值的速率)，则系统重新调整和/或重新定义预测算法。在其他实施例中，如果太频繁地发送新消息或需要太频繁地进行校正，则系统重新调整和/或重新定义预测算法。例如，如果在二十个控制器更新间隔中发送两次新消息，则系统可以重新调整预测算法。重新调整可以周期性地且自动地发生。例如，可以每五个(或任意数量个)控制器更新间隔发生算法的重新调整。在一些实施例中，基于如误差频率等条件发生重新调整。例如，如果在十个控制器更新间隔中三次检测到误差，则可以发生预测算法的重新调整。
系统900和过程950可以包括步骤908，在所述步骤中，生成消息。参照图5A、图9A和图9B，可以生成包含(多个)测得值912和(多个)预测值914的消息910。在各种实施例中，测得值912可以包括单个测得值(如图9A中所示的)或多个测得值。预测值914可以是单个值或多个预测值。在一些实施例中，消息910可以仅包含测得值912，并且不包含预测值914。在其他实施例中，消息910仅包含预测值914。消息910可以包含测得值912和预测值914的任何组合。
可以生成消息910，使得可以使用现有控制器，而不对控制算法进行改变。例如，消息910可以采用可由消息解析器416读取的格式。在一些实施例中，生成消息910，使得需要对控制算法进行改变。消息910可以不能直接输入到控制器的格式生成。在一些实施例中，控制器是BMS控制器366。在其他实施例中，控制器是BMS控制器366的部件，比如，反馈控制器418。消息910可以由消息解析器416来解析，使得已处理的值可以直接输入到反馈控制器418。
仍然参照9A和图9B，系统900和过程950可以包括步骤916，在所述步骤中，消息910被传输至控制器。在一些实施例中，控制器是BMS控制器366或反馈控制器418。通过使用图5A的无线电芯片514和516，可以发生步骤916。在一些实施例中，传输步骤916通过诸如ZigBee、WiFi、蓝牙、NFC等无线通信协议无线地发生。在其他实施例中，传输步骤916可能需要物理连接或有线连接。
系统900和过程950可以进一步包括步骤918，在所述步骤中，消息910在控制器处被接收。在一些实施例中，消息910从无线装置408发射并且由BMS控制器366接收。消息910可以通过无线电芯片514传输并且由无线电芯片516接收。在一些实施例中，消息910可以由BMS控制器366的部件接收。
系统900和过程950可以进一步包括步骤920，在所述步骤中，消息910被解析以获得值。在一些实施例中，步骤920由BMS控制器366执行。在其他实施例中，步骤920由BMS控制器366的部件执行，比如，消息解析器416。消息解析器416可以对消息910进行解析，以便分离每个值以顺序输入到反馈控制器418。例如，消息解析器416可以分离测得值912以输入到BMS控制器366，然后将预测值914中的每一个分离。在一些实施例中，消息910包含用于将值输入到反馈控制器418的顺序的指示符。在其他实施例中，消息解析器416可以以值在消息910被安排的顺序将值输入到反馈控制器418。
仍然参照9A和图9B，系统900和过程950可以包括步骤922，在所述步骤中，在步骤920中解析的值可以被周期性地且顺序地输入到反馈控制器。在一些实施例中，反馈控制器是反馈控制器418。值可以是测得值912和/或预测值914。在一些实施例中，这些值由表明每个值是否被测量或被预测的指示符标记。例如，由反馈控制器418接收的值可以被标记为预测值，并且可以在控制算法中引出附加处理。在其他实施例中，值可以由指示符标记，并且反馈控制器418可能不知道哪些值是测量的以及哪些值是预测的。反馈控制器418可以不被配置用于处理预测值，并且在一些实施例中，可以不被配置用于识别不是控制算法需要的值的额外数据。
现在参照图9B，过程950被示出为包括步骤952和954，其可以是图9A的步骤906的实施例。重复的附图数字指示类似的项或步骤。过程950可以从步骤904进行至步骤952。在步骤952中，无线装置408可以判定是否已经经过了传输间隔。在一些实施例中，如果到下一次传输的时间已经过去，则过程950可以继续到步骤908。如果到下一次传输的时间尚未过去，则无线装置408可以判定是否发生了值的变化。在一些实施例中，如果已经发生了值的变化，则过程950可以继续到步骤908。如果尚未发生值的变化，则过程950可以继续对步骤902中的所测得变量或建筑物变量进行进一步测量。
在一些实施例中，步骤952和954对调。在其他实施例中，步骤952和954并行执行。过程950可以将步骤952和954的结果评估为OR陈述，并且在一些实施例中，可以使用逻辑门来判定是否继续。在一些实施例中，步骤952和954可以由BMS控制器366的部件执行。例如，步骤952可以由传输计时器508来执行，在所述步骤中，关于到下一次传输的时间是否已经过去进行判定。步骤954可以由值比较器510来执行，在所述步骤中，关于是否已经发生了值的变化进行判定。在一些实施例中，低功率微控制器504的单独处理器或模块可以执行步骤952和954。在其他实施例中，无线装置408的单独部件可以执行步骤952和954。
仍然参照9A和图9B，现在可以呈现示例性实施例。以下示例旨在展示本披露的系统和方法，并且不旨在为限制性的。令Ts,控制表示反馈控制器的执行速率(例如，采样时间)，并且Ts,通信是传感器发送当前测量结果以及N预测≥0预测未来测量结果的传输间隔，其中：
Figure BDA0001734277360000241
在常规有线反馈控制回路中，或者在无线反馈控制回路的理想采样下，Ts,控制＝Ts,通信＝:Ts，其中，Ts取决于常规控制性能需求。在一些实施例中，在Ts,控制＝Ts,通信的情况中，无论是否是利用有线或无线的传感器的反馈控制回路，在下文中将被称为理想采样。Ts,控制可以根据常规控制性能需求来选择(例如，Ts,控制可以是时间常数的十分之一)，并且Ts,通信(或N预测)可能受限于预测的准确度。
给定系统在当前的测量结果，模型的目的可能是预测闭环系统的下一个N预测未来测得变量值。在示例性实施例中，区域温度被控制，并且给定当前温度测量结果，预测模型可以用于计算未来时间步长处的闭环温度测量结果的预测。在一些实施例中，识别用作预测模型的模型不同于传统的系统识别。目标可以是识别可用于预测闭环测量结果的模型，这与识别能够预测输出对给定输入的响应的模型(即，开环模型识别)的目标相反。关于模型需求，模型应该能够以充分高的准确度在较短的预测范围内预测未来所测得变量值。在一些实施例中，用户可能期望完成预测所需的计算必须相对较小。范围的长度和计算复杂度可以由用户选择，或者可以由系统自动选择或计算。
一阶离散时间模型可以被选择作为预测模型。预测模型可以是以下形式的单参数模型：
其中，指数k表示第k时间步长，
Figure BDA0001734277360000243
是时间步长k处的预测测量结果，a表示模型参数，并且b是模型的偏置项。取决于无线传感器装置与反馈控制器之间的可用通信，偏置项可以被认为是附加参数，这将在下面进一步讨论。所选模型可以被认为是一阶自回归(AR)模型。高阶自回归模型还可以被认为可能改进预测。
在理想的采样条件下(Ts,控制＝Ts,通信)，可以使用与闭环测量数据拟合的普通最小二乘法参数来拟合模型参数。在一些实施例中，可以考虑两种模型拟合过程。第一种方法可以使用基于数据的方法来拟合模型参数a，并且可以使用拟合参数连同控制回路设定值来拟合偏置项。第二种方法可以使用基于数据的方法来拟合模型参数a和偏置项b两者。在两种情况下，基于数据的参数拟合可以使用普通最小二乘法来完成(即，求解标准方程)。尽管如此，递归方法还可以被认为拟合这些参数。
以下段落描述了使用向量和矩阵计算的两个示例性模型更新方法。然而，应当注意的是，提供这些更新过程仅用于说明目的，并不旨在限制本披露的范围。
示例性模型更新过程I
在理想采样下温度测量结果的同步采样数据可以在N数据时间步长的时间范围内被收集。测量数据向量和训练数据可以被定义如下：
Y测量＝[y测量(k-N数据),y测量(k-N数据+1),…,y测量(k)]T
其中，N数据是总测量结果的总数。令
Figure BDA0001734277360000251
为Y测量的第一个N数据-1元素，并且令为Y测量的最后一个N数据-1元素。令
Figure BDA0001734277360000253
Figure BDA0001734277360000254
其中，ysp表示控制回路的设定值(假设其可用于无线传感器装置)。模型参数a可以通过求解以下最小二乘法问题来拟合：
Figure BDA0001734277360000255
其具有由以下方程给出的分析解决方案：
Figure BDA0001734277360000256
当
Figure BDA0001734277360000257
很小(即，大致为零)时，当在所测得变量维持在设定值附近时在对训练数据进行采样时发生，不更新模型参数。相反，参数的先前值可以用于防止较小数的数值区划。实际上，随着模型参数a捕捉动态行为，这可以对算法加以某些限制。因此，利用在系统处于稳定状态时所采样的数据更新此参数可能不合适。
继续预测算法的示例性实施例，偏置项可以从a和ysp计算如下：
b＝(1-a)ysp。
使用上述方程来更新偏置项确保ysp是模型的稳态值，并且可以防止稳态平面模型失配。
示例性模型更新过程II
在设定值不可用于无线传感器装置(例如，设定值被设置在控制器中，并且不能被传送至无线传感器装置)的情况下，或对于可能优选地使用基于数据的方法来更新偏置项的情况，可以容易地修改算法以使用数据计算偏置项。令
Figure BDA0001734277360000258
其中，是具有N数据-1元素的一个向量。经修改的最小二乘法问题可被给出为：
其中，解被给出为：
Figure BDA00017342773600002511
可以直接地示出2×2矩阵ATA(理论上)是可逆的且正定的，当针对任何标量c是
Figure BDA00017342773600002512
时。如前所述，当针对某一标量c是时，在系统/设施处于稳定状态时，可能已对数据进行了采样。模型更新可能被拒绝，并且先前模型参数可以保留。在一些实施例中，由于最小和最大设定值的可供使用性，偏置项可以针对最小和最大设定值进行验证。
当使用训练数据来更新偏置项时，每次更新设定值时可能需要更新偏置项，否则，模型可将偏置的预测提供至控制器。这可导致系统响应的偏移或较差的闭环性能。另外，使用上述方法来更新偏置项可能需要每次改变设定值时控制回路在理想采样下操作。因此，对于设定值频繁变化的应用可能不期望这种方法。
模型参数a被计算之后，可以执行验证步骤。针对a∈(-1,0)，训练数据展现出关于设定值的高频振荡，其振荡周期约等于控制器的采样时间。虽然这种情况可能在实践中发生，但这可能代表具有不良调谐的控制器的控制回路(增益太大导致控制器计算激进的控制动作或采样时间过长)。针对a＝±1的所计算参数，模型可能无法预测测量输出到设定值的衰减，并且，针对a＝0，模型可以预测等于偏置项的恒定值。因此，参数a的期望范围可以是开区间(0,1)，并且如果a在所述区间之外，则a可以被手动设置在所述范围中，或者可以收集新的训练数据以重新计算模型参数。在一些实施例中，由于预测可以用于计算控制器的控制动作的事实，因此可以通过减小模型参数a使模型更加保守，这确保了相对于使用计算的a，更小的误差将被提供给控制器。
在一些实施例中，预测算法的主要部件包括无线装置和控制器。控制器366可以向无线装置408发送唤醒信号，并且传感器502可以测量输出。模拟数字转换可以将传感器502的模拟信号转换为数字信号。数字测量信号可以被发送至卡尔曼滤波器/预测器以对测量结果进行滤波，这利用在前面部分中所描述的预测模式。预测算法的其后步骤可以取决于无线装置408的操作模式。
继续图9A和图9B的系统和方法的示例性实施例，无线装置408可以具有两种操作模式：训练模式和预测模式。在训练模式中，无线装置408可以在理想采样下向控制器366提供测量结果(即，通信以速率Ts,控制的发生)。经滤波的测量结果可以被发送至控制器366，并且可以存储在无线装置408的存储器中。在训练模式结束时，可以使用所存储的数据作为训练数据来触发模型更新。
在预测模式中，来自卡尔曼滤波器的经滤波测量结果可以用于初始化多步卡尔曼预测器。利用预测模型的卡尔曼预测器可以在下一个N预测时间步长处计算未来值的预测。当前时间得经滤波测量结果和预测值可以被发送至控制器。在下一个N预测时间步长处，没有唤醒信号可以被发送到无线装置408。相反，控制器366可以基于预测值来计算控制输入。在控制器366的每个执行步骤处，可能需要(但不要求)无线装置408接收测量结果以更新卡尔曼滤波器。
详细描述卡尔曼滤波器和多步预测器。在示例性实施例中，系统的状态-空间实现可以是如下：
x(k+1)＝ax(k)+w(k)
y(k)＝x(k)+v(k)
其中，x(k)表示时间步长k处的状态，w(k)是过程噪声，并且y(k)是输出测量结果，所述输出测量结果可能由被表示为v(k)的一些测量噪声破坏。出于卡尔曼滤波器的目的，w(k)和v(k)可以假设为具有零均值的白噪声。过程噪声和测量噪声的方差可以分别被表示为q和r。因为针对这种情况方差可能需要被估计，所以方差可以根据在训练模式期间获得的训练来估计。
卡尔曼滤波器可以被给出为：
Figure BDA0001734277360000271
其中，给定在时间步长k处的测量结果(即，测量结果y(k))，符号
Figure BDA0001734277360000272
表示在时间步长j处的预测或估计状态。过滤器增益L(k)可以根据以下方程来更新：
Figure BDA0001734277360000273
P(k|k)＝P(k|k-1)(1-L(k)),
P(k+1|k)＝a2P(k|k)+q。
多步卡尔曼预测器可以被给出为
Figure BDA0001734277360000274
其中，j＝1,…,N预测，其利用
Figure BDA0001734277360000275
(即，卡尔曼滤波器的输出)进行初始化。在通信更新期间，以下数据阵列可以被发送至控制器366。
Figure BDA0001734277360000276
其中，所述阵列的第一元素可以对应于当前时间的经滤波测量结果，并且最后元素是在将来N预测时间步长的预测值。
在训练模式下，可以收集控制回路的测量数据和设定值，如果可用的话。训练模式的输出可以是用于预测模式的模型参数和噪声统计。预测模式的输入可以是输出测量结果(理想地，每Ts,控制时间步长供应的以更新滤波器)，并且输出可以是每Ts,通信时间步长传输至控制器的数据阵列。
仍然参照9A和图9B，其他预测模型和算法可以用于预测建筑物变量或所测得变量的未来值。例如，可以使用确定性和随机性模型。可以使用自回归模型。这种预测模型的示例可以在于2015年5月20日提交的标题为“用于预报建筑物变量的时间序列值的筑物管理系统”的美国专利申请号14/717593中找到。
现在参照图10A和图10B，根据另一个示例性实施例，示出了用于另一个新的无线传输计时方法的系统1000和过程1050。图10A和图10B中示出的系统和方法可以由图4的系统执行。在此实施例中，预测是在系统的控制器侧进行的。在一些实施例中，无线装置408继续以正常采样速率来进行测量，将预定长度的历史传输至控制器366，并且允许控制器366进行预测。系统1000和过程1050可以包括步骤1002，在所述步骤中，测量建筑物变量的值。在一些实施例中，步骤1002可以由无线装置408执行。参照图5B、图10A和图10B，步骤1002可以由传感器502执行。在一些实施例中，步骤1002由无线装置408的可能未示出的另一个部件来执行。系统1000和过程1050可以不包括进行比传输更多的测量。例如，如果每六分钟发送一次传输，则可能没有必要比每六分钟更频繁地测量一个值。在其他实施例中，系统1000和过程1050包括进行比发送传输更频繁的测量。例如，如果每十五分钟发送一次传输，则可以每分钟进行一次测量。
在步骤1004中，无线装置408可以判定是否生成消息。在一些实施例中，无线装置408决定在值发生变化时，当同一时间的预测值和稍后的测得值之间的误差幅度太大、误差或测量结果的变化率超过预定的阈值等时生成新的消息。在一些实施例中，新消息的生成导致新消息的传输。新消息的传输可以开始新的传输间隔。例如，传输间隔可以是四分钟长，并且可以跨越时间1到时间5。如果在时间3处检测到值的变化，则新的传输间隔可以跨越时间3到时间7。在一些实施例中，如果用户对系统进行改变，则可以生成新的消息。例如，如果用户改变了系统的设定值或设置，则可以生成新的消息以传输至反馈控制器。
系统的时间常数可能会发生变化，从而导致预测不准确。例如，由于特定区域的占用率的变化，温度控制系统的频率响应可能会发生变化。在一些实施例中，如果错误正常地发生或者如果错误发生得太频繁，则系统重新调整和/或重新定义预测算法。在其他实施例中，如果太频繁地发送新消息或太频繁地进行校正，则系统重新调整和/或重新定义预测算法。例如，如果在二十个控制器更新周期中发送两次新消息，则系统可以重新调整预测算法。重新调整可以周期性地且自动地发生。例如，每五个控制器更新周期可以发生算法的重新调整。在一些实施例中，基于如误差频率等条件发生重新调整。例如，如果在十个控制器更新周期中三次检测到误差，则可以发生预测算法的重新调整。
系统1000和过程1050可以包括步骤1006，在所述步骤中，生成消息。参照图5B、图10A和图10B，可以生成包含测得值1010的消息1008。在一些实施例中，测得值1010可以是单个值。可以生成消息1008，使得可以使用现有控制器，而不对控制算法进行改变。例如，消息1008可以采用可由消息解析器416读取的格式。在一些实施例中，可以生成消息1008，使得需要对控制算法进行改变。消息1008可以以不能直接输入到控制器的格式生成。在一些实施例中，控制器是BMS控制器366，并且可以是BMS控制器366的部件，比如，反馈控制器418。消息1008可以由消息解析器416来解析，使得已处理的值可以直接输入到反馈控制器418。
仍然参照图10A和图10B，系统1000和过程1050可以包括步骤1012，在所述步骤中，消息1008被传输至控制器。在一些实施例中，控制器是BMS控制器366。在其他实施例中，控制器是BMS控制器366的部件，比如，反馈控制器418。通过使用图5B的无线电芯片514和516，可以发生步骤1012。在一些实施例中，传输步骤1012通过诸如ZigBee、WiFi、蓝牙、NFC等无线通信协议无线地发生。在其他实施例中，传输步骤1012可能需要物理连接或有线连接。
系统1000和过程1050可以进一步包括步骤1014，在所述步骤中，接收消息1008。在一些实施例中，消息1008从无线装置408传输并且由BMS控制器366接收。消息1008可以通过无线电芯片514传输并且由无线电芯片516接收。在一些实施例中，消息1008可以由BMS控制器366的部件接收。
系统1000和过程1050可以进一步包括步骤1016，在所述步骤中，消息1008被解析以获得值。在一些实施例中，步骤1016由BMS控制器366执行。在其他实施例中，步骤1016由BMS控制器366的部件执行，比如，消息解析器416。消息解析器416可以对消息1008进行解析，以便分离每个值从而顺序输入到反馈控制器418。例如，消息解析器416可以分离测得值1010以输入到BMS控制器366。在一些实施例中，消息1008包含用于将值输入到反馈控制器418的顺序指示符。在其他实施例中，消息解析器416可以以值在消息1008被安排的顺序将值输入到反馈控制器418。
系统1000和过程1050可以继续到步骤1018，在所述步骤中，预测建筑物变量(或所测得变量)的未来值。在一些实施例中，步骤1018可以由无线装置408执行。步骤1018可以由低功率微控制器504或低功率微控制器504的部件来执行。在一些实施例中，步骤1018由无线装置408的未来值预测器506来执行。用于预测未来值的算法可以使用任何预测方法。在一些实施例中，滤波器(如卡尔曼滤波器)可用于预测所测得变量的未来值。在其他实施例中，使用确定性和随机性模型。可以使用自回归模型。针对图9A和图9B描述的示例性模型和算法同样适用于图10A和图10B的系统和方法。
仍然参照图10A和图10B，系统1000和过程1050可以包括步骤1020，在所述步骤中，来自步骤1018和1016的预测值和解析值分别可以被周期性地且顺序地输入到反馈控制器。在一些实施例中，反馈控制器是反馈控制器418。值可以是测得值1010和/或预测值。在一些实施例中，这些值由表明每个值是否被测量或被预测的指示符标记。例如，由反馈控制器418接收的值可以被标记为预测值，并且可以在控制算法中引出附加处理。在其他实施例中，值可以由指示符标记，并且反馈控制器418可能不知道哪些值是测量的以及哪些值是预测的。反馈控制器418可以不被配置用于处理预测值，并且在一些实施例中，可以不被配置用于识别不是控制算法需要的值的额外数据。在一些实施例中，多个测得值1010由BMS控制器366接收，并且用于对预定长度的范围进行预测。在其他实施例中，单个测得值1010由BMS控制器接收，并且用于对相同的范围进行预测。可以针对更短或更长的范围进行预测，并且范围的长度可以由用户确定，或者由系统自动确定。
现在参照图10B，过程1050被示出为包括步骤1052，其可以是图10A的步骤1004的实施例。重复的附图数字指示类似的项或步骤。过程1050可以从步骤1002进行至步骤1052。在步骤1052中，无线装置408可以判定是否已经经过了传输间隔。在一些实施例中，如果到下一次传输的时间已经过去，则过程1050可以继续到步骤1006。如果到下一次传输的时间尚未过去，则过程1050可以继续对步骤1002中的所测得变量或建筑物变量进行另外的测量。在一些实施例中，步骤1052可以由BMS控制器366的部件执行。例如，步骤1052可以由传输计时器508来执行，在所述步骤中，关于到下一次传输的时间是否已经过去进行判定。在一些实施例中，低功率微控制器504的单独处理器或模块执行步骤1052。在其他实施例中，无线装置408的单独部件可以执行步骤1052。
示例性实施例的配置
如各示例性实施例中所示出的系统和方法的构造和安排仅是说明性的。尽管本披露中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装安排、材料的使用、颜色、取向等变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其他方式变化，并且离散元件的性质或数量或位置可以更改或变化。因此，所有这类修改旨在被包括在本披露的范围之内。可以根据替代实施例对任何过程或方法步骤的顺序或序列进行改变或重新排序。在不脱离本披露范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和安排方面作出其他替代、修改、改变、和省略。
本披露假设了用于完成各操作的方法、系统和任何机器可读介质上的程序产品。可以使用现有计算机处理器或由结合用于此目的或另一目的的适当系统的专用计算机处理器或由硬接线系统来实施本披露的实施例。本披露范围内的实施例包括程序产品，所述程序产品包括用于携带或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。举例来讲，这类计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储装置等，或者可以用来以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所期望的程序代码并且可以由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何其他介质。上述内容的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使得通用计算机、专用计算机或专用处理机执行特定功能或功能组的指令和数据。
尽管附图示出了指定顺序的方法步骤，但是步骤的顺序可以不同于所描绘的。还可以同时或部分同时地执行两个或更多个步骤。这种变型将取决于所选软件和硬件系统以及设计者的选择。所有此类变型都在本披露的范围内。同样地，可以用具有基于规则的逻辑和用以实现各连接步骤、处理步骤、比较步骤和判定步骤的其他逻辑的标准编程技术来实现软件实施方式。

Claims (17)

1.一种建筑物控制系统，包括：
无线测量装置，所述无线测量装置包括：
传感器，所述传感器在所述无线测量装置的位置处测量环境变量的多个测得值；
预测器，所述预测器使用所述环境变量的所述多个测得值来预测所述环境变量的一个或多个预测值；以及
第一无线电装置，所述第一无线电装置以传输间隔来周期性地传输消息，所述消息包括所述环境变量的所述多个测得值和所述环境变量的所述一个或多个预测值；
其中，所述无线测量装置将特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较，并且响应于确定所述特定时间的所述环境变量的测得值不同于先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值而将所述消息传输至控制器，以及
控制器，所述控制器包括：
第二无线电装置，所述第二无线电装置接收来自所述无线测量装置的所述消息；
消息解析器，所述消息解析器对所述消息进行解析，以提取所述环境变量的所述多个测得值和所述环境变量的所述一个或多个预测值；以及
反馈控制器，所述反馈控制器以比所述传输间隔短的控制器更新间隔来周期性地且顺序地将所述多个测得值和所述一个或多个预测值中的每一个作为输入应用于控制算法，所述控制算法运行以控制所述环境变量。
2.如权利要求1所述的建筑物控制系统，其中，所述无线测量装置以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。
3.如权利要求1所述的建筑物控制系统，其中，所述无线测量装置针对所述传输间隔内的每个控制器更新间隔来预测所述环境变量的预测值。
4.如权利要求1所述的建筑物控制系统，其中，所述无线测量装置：
将当前的所述环境变量的测得值与先前的所述环境变量的测得值进行比较；
确定所述环境变量在当前的测得值与先前的测得值之间的变化率；并且
响应于确定所述变化率超过阈值而将所述消息传输至所述控制器。
5.如权利要求1所述的建筑物控制系统，其中，所述无线测量装置：
将在特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较；
判定在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值是否超过阈值；并且
响应于确定在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的所述差值超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器。
6.如权利要求1所述的建筑物控制系统，其中，所述无线测量装置：
将在特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值和先前的所述环境变量的测得值中的至少一个进行比较；并且
响应于以下各项中的至少一项而重新定义由所述预测器使用的预测算法：
在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值超过阈值；以及
所述环境变量的变化率超过阈值。
7.一种用于控制建筑控制系统中的环境变量的方法，所述方法包括：
使用无线测量装置的传感器来测量所述环境变量的多个测得值；
基于所述多个测得值来由所述无线测量装置预测所述环境变量的一个或多个预测值；
以传输间隔来周期性地将消息从所述无线测量装置传输至控制器，所述消息包括所述环境变量的所述多个测得值和所述环境变量的所述一个或多个预测值；
将在特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较；
判定在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值是否超过阈值；
响应于确定在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的所述差值超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器；
在所述控制器处对所述消息进行解析，以提取所述环境变量的所述多个测得值和所述环境变量的所述一个或多个预测值；以及
以比所述传输间隔短的控制器更新间隔来周期性地且顺序地将所述多个测得值和所述一个或多个预测值中的每一个作为输入应用于控制算法，所述控制算法运行以控制所述环境变量。
8.如权利要求7所述的方法，其中，测量所述环境变量的所述多个测得值包括以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。
9.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括：
将当前的所述环境变量的测得值与先前的所述环境变量的测得值进行比较；
确定所述环境变量在当前的测得值与先前的测得值之间的变化率；以及
响应于确定所述变化率超过阈值而将所述消息传输至所述控制器。
10.如权利要求7所述的方法，其中，预测所述环境变量包括针对所述传输间隔内的每个控制器更新间隔来预测所述环境变量的预测值。
11.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括：
将在特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较；以及
基于以下各项中的一项来调节所述传输间隔：
在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值；以及
所述环境变量的变化率。
12.如权利要求7所述的方法，所述方法进一步包括：
将在特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较；以及
基于以下各项中的一项来重新定义由所述无线测量装置使用的预测算法：
在所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值；以及
所述环境变量的变化率。
13.一种无线测量装置，包括：
传感器，所述传感器在所述无线测量装置的位置处测量环境变量的多个测得值；
预测器，所述预测器使用所述环境变量的所述多个测得值来预测所述环境变量的一个或多个预测值；
第一无线电装置，所述第一无线电装置以传输间隔来周期性地将消息传输至控制器，所述消息包括所述环境变量的所述多个测得值和所述环境变量的所述一个或多个预测值；
传输计时器，所述传输计时器控制所述传输间隔，
其中，所述控制器被配置成使用所述消息和控制算法来控制所述环境变量；以及
比较器，所述比较器将特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值进行比较，并且判定所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值是否超过阈值，
其中，响应于确定所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值相差的量超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器。
14.如权利要求13所述的无线测量装置，所述无线测量装置被配置成以比所述传输间隔短的测量间隔来周期性地测量所述环境变量。
15.如权利要求13所述的无线测量装置，其中，所述预测器针对所述传输间隔内的多个控制器更新间隔中的每一个来预测所述环境变量的预测值。
16.如权利要求13所述的无线测量装置，其中，所述比较器将当前的所述环境变量的测得值与先前的所述环境变量的测得值进行比较，并且判定当前的所述环境变量的测得值与先前的所述环境变量的测得值之间的变化率是否超过阈值，
其中，响应于确定所述变化率超过所述阈值而将所述消息传输至所述控制器。
17.如权利要求13所述的无线测量装置，
其中，所述传输计时器基于以下各项中的一项来调节所述传输间隔：
所述特定时间的所述环境变量的测得值与先前针对所述特定时间的所述环境变量的预测值之间的差值；以及
所述环境变量的变化率。
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