CN108954691A - 智能建筑通风节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了智能建筑通风节能控制系统，该系统包括：开启度可调节的电动外窗，其设置于建筑物的外立面；监测装置，被配置为采集环境数据，所述环境数据包括所监测位置的自然风的风速及风向信号；自动控制装置，与监测装置通信连接，被配置为对监测装置采集的风速及风向信号进行分析处理，并根据分析处理结果产生控制信号输出到电动外窗的控制端，以控制电动外窗的开启度，进而使进入室内的自然通风风量可受调节与控制。

Description

智能建筑通风节能控制系统

技术领域

本发明涉及环境调节技术领域，具体涉及智能建筑通风节能控制系统。

背景技术

现有技术中，由于大多建筑物都采用不可控的自然通风结构，自然通风条件下，室内通风状态无规则、不受控制，造成室内利用自然风的效果较差。因此，在目前很多的建筑设计中，依靠自然通风的结构使用会受到一定限制。如何令自然通风和建筑设计能更好地结合起来，就是本发明创造要解决的主要问题。

为此，需要设计一种建筑物的通风方法及装置，使建筑物具有接收风速和风向信号，根据信号变化改变建筑物的通风状态，从而控制自然风通风量。

无线传感器网络是近年来信息科学研究的一个热点，在军事、环境监测、农业、医疗、城市安全方面有着广泛的应用，引起了各国学术界和工业界的广泛重视。无线传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。无线传感器网络节点的体系结构设计一般应包括电源及电源管理模块、传感器、微处理器和无线收发器四个部分。

发明内容

针对上述问题，本发明提供智能建筑通风节能控制系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了智能建筑通风节能控制系统，该系统包括：

开启度可调节的电动外窗，其设置于建筑物的外立面；

监测装置，被配置为采集环境数据，所述环境数据包括所监测位置的自然风的风速及风向信号；

自动控制装置，与监测装置通信连接，被配置为对监测装置采集的风速及风向信号进行分析处理，并根据分析处理结果产生控制信号输出到电动外窗的控制端，以控制电动外窗的开启度，进而使进入室内的自然通风风量可受调节与控制。

优选地，所述自动控制装置包括数据库、分析处理模块；所述的数据库存储有自然风风向、风速与各个电动外窗的开启度的数量关系数据；所述分析处理模块根据所述数量关系数据对所述监测装置采集的风速及风向信号进行分析处理，得到相应的电动外窗的开启度，并生成相应的控制信号。

进一步地，所述的环境数据还包括室外温度信号、湿度信号、太阳辐射强度信号。

进一步地，所述系统还包括与监测装置连接的显示装置，所述显示装置被配置为显示监测装置采集的各种环境数据。

本发明的有益效果为：根据环境数据调节电动外窗的开启度，能够解决现有技术存在的室内通风状态无规则、不受控制、造成室内利用自然风的效果较差的问题，具有控制方便、结构简单、保证室内自然通风的合理，使自然通风可控，保证自然通风的有效性等突出的有益效果。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的智能建筑通风节能控制系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的自动控制装置的结构示意框图。

附图标记：

电动外窗1、监测装置2、自动控制装置3、显示装置4、数据库10、分析处理模块20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了本发明一个示例性实施例的智能建筑通风节能控制系统的结构示意框图。如图1所示，本发明实施例提供了智能建筑通风节能控制系统，该系统包括：

开启度可调节的电动外窗1，其设置于建筑物的外立面；

监测装置2，被配置为采集环境数据，所述环境数据包括所监测位置的自然风的风速及风向信号；

自动控制装置3，与监测装置2通信连接，被配置为对监测装置2采集的风速及风向信号进行分析处理，并根据分析处理结果产生控制信号输出到电动外窗1的控制端，以控制电动外窗1的开启度，进而使进入室内的自然通风风量可受调节与控制。

在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述自动控制装置3包括数据库10、分析处理模块20；所述的数据库10存储有自然风风向、风速与各个电动外窗1的开启度的数量关系数据；所述分析处理模块20根据所述数量关系数据对所述监测装置2采集的风速及风向信号进行分析处理，得到相应的电动外窗1的开启度，并生成相应的控制信号。

进一步地，所述的环境数据还包括室外温度信号、湿度信号、太阳辐射强度信号。

进一步地，所述系统还包括与监测装置2连接的显示装置4，所述显示装置4被配置为显示监测装置2采集的各种环境数据。

本发明上述实施例根据环境数据调节电动外窗1的开启度，能够解决现有技术存在的室内通风状态无规则、不受控制、造成室内利用自然风的效果较差的问题，具有数据采集便捷、控制方便、结构简单、保证室内自然通风的合理，使自然通风可控，保证自然通风的有效性等突出的有益效果。

在一种能够实现的方式中，所述的监测装置1包括汇聚节点和多个无线传感器节点，在网络拓扑构建阶段，无线传感器节点通过节点竞选选出簇首节点，并根据簇首节点进行分簇，每个簇首节点收集所在簇内无线传感器节点采集环境数据后，将收集的环境数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点将环境数据发送至自动控制装置3和显示装置4；进行节点竞选时，包括：

(1)汇聚节点收集各无线传感器节点的节点度和能量信息，根据收集的信息确定用于簇首节点选举的相关信息并广播至各无线传感器节点；

(2)在每轮中的节点竞选阶段，每个无线传感器节点根据所述相关信息计算其当选阈值，并产生一个介于0到1之间的随机数，如果无线传感器节点产生的随机数小于该当选阈值，则该无线传感器节点当选为簇首节点，否则为普通节点。

其中，无线传感器节点按照下列公式计算其当选阈值：

Q_i＝0时，H_i＝0；Q_i＝1时，

式中，H_i为无线传感器节点i的当选阈值，s为簇首节点选举轮数，Q_i＝1表示无线传感器节点i在过去的轮中没有成功当选过簇首节点，Q_i＝0表示无线传感器节点i在过去的轮中有成功当选过簇首节点；f_i为无线传感器节点i当选为簇首节点的概率；

其中，所述相关信息包括网络中无线传感器节点的最大节点度R_max、节点度总和Δ_R、各无线传感器节点的初始能量、网络的初始能量均值无线传感器节点当选为簇首节点的概率按照下列公式计算：

式中，f_i为无线传感器节点i当选为簇首节点的概率，f₀为预设的簇首节点比例，Y_i0为无线传感器节点i的初始能量，Y_i为无线传感器节点i的当前剩余能量，为在第s轮中网络的平均能量，R_i为无线传感器节点i的节点度，u为网络中的无线传感器节点个数；d₁、d₂为设定的权重系数。

在一种能够实现的方式中，每个未当选为簇首节点的无线传感器节点选择距离最近的簇首节点加入簇。

现有的LEACH路由协议算法中的簇首节点选举不具有合理性，仅通过非常简单的公式设定簇首节点选举的阈值，不利于提高无线传感器网络能量的利用率。该现有的LEACH协议并没有考虑到无线传感器节点的能量和节点度情况。

在上一实施例中，本发明申请对现有的LEACH协议进行改进，并基于改进的LEACH协议进行无线传感器节点的簇首节点选举，其中创新性地设定了无线传感器节点当选为簇首节点的概率的计算公式，该计算公式使得无线传感器节点竞选簇首节点的概率能够根据其能量、节点度情况动态地变化，节点度较大、能量更为充足的无线传感器节点具有更大的概率成为簇首节点。

上一实施例由于同时考虑了无线传感器节点的初始能量、剩余能量和节点度情况，使得节点竞选方式相对于现有的LEACH协议具有更强的适应能力，有利于均衡网络无线传感器节点能量，且将节点度考虑到概率公式中，有利于降低簇首节点数目，最终在整体上有益于延长无线传感器网络的生命周期，为实现可靠的环境数据采集奠定良好的基础。

计算网络中的平均能量需要获得关于网络总能量的全局信息，对于一个无线传感器节点而言，获取全局信息的难度很大。因此，在一种能够实现的方式中，无线传感器节点i根据下列公式确定在第s轮中网络的平均能量

式中，为所述初始能量均值，s为所述簇首节点选举轮数，R_i(b)为无线传感器节点i在第b轮次的能量消耗，min_121,…,s-1R_i(b)表示无线传感器节点i在过去所有轮次的能量消耗中的最小能量消耗，max_{b＝1,…,s-1}R_i(b)表示无线传感器节点i在过去所有轮次的能量消耗中的最大能量消耗。

本实施例创新性地设定了网络的平均能量的估计公式。

由于利用已有的全局信息，并选取无线传感器节点的历史最小能量消耗和历史最大能量消耗作为该轮次的网络平均能量消耗，该估计公式能够简单便捷地计算网络的平均能量，且具备一定的精度。

本实施例利用该估计公式计算网络的平均能量，相对于直接获取关于网络总能量的全局信息的方式，能够有效地提高簇首节点选举的效率，节省无谓的数据计算带来的能量损耗，进而节省环境数据采集的整体成本。

在一种能够实现的方式中，对簇首节点比例f₀的具体取值设定为：

式中，R_min为网络中无线传感器节点的最小节点度。

当节点度为R_min的无线传感器节点成为簇首节点时，其簇规模为R_min+1，假设所有簇首节点的簇规模皆为R_min+1，则簇首节点数量为相应的簇首节点比例应为当节点度为R_max的无线传感器节点成为簇首节点时，其簇规模为R_max+1，假设所有簇首节点的簇规模皆为R_max+1，则簇首节点数量为相应的簇首节点比例应为

基于上述的分析结果，本实施例结合上述两种簇首节点比例的极端情况，对簇首节点比例f₀的具体取值进行设定。本实施例能够使得簇首节点比例f₀的设定更加贴近实际情况，相对于主观上随机取值的方式，本实施例的取值方式能够根据网络中无线传感器节点的部署情况合理地限制簇首节点数目范围，提高簇首节点选举方式的科学性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.智能建筑通风节能控制系统，其特征是，包括：

开启度可调节的电动外窗，其设置于建筑物的外立面；

监测装置，被配置为采集环境数据，所述环境数据包括所监测位置的自然风的风速及风向信号；

自动控制装置，与监测装置通信连接，被配置为对监测装置采集的风速及风向信号进行分析处理，并根据分析处理结果产生控制信号输出到电动外窗的控制端，以控制电动外窗的开启度，进而使进入室内的自然通风风量可受调节与控制。

2.根据权利要求1所述的智能建筑通风节能控制系统，其特征是，所述自动控制装置包括数据库、分析处理模块；所述的数据库存储有自然风风向、风速与各个电动外窗的开启度的数量关系数据；所述分析处理模块根据所述数量关系数据对所述监测装置采集的风速及风向信号进行分析处理，得到相应的电动外窗的开启度，并生成相应的控制信号。

3.根据权利要求1所述的智能建筑通风节能控制系统，其特征是，所述的环境数据还包括室外温度信号、湿度信号、太阳辐射强度信号。

4.根据权利要求3所述的智能建筑通风节能控制系统，其特征是，还包括与监测装置连接的显示装置，所述显示装置被配置为显示监测装置采集的各种环境数据。

5.根据权利要求1所述的智能建筑通风节能控制系统，其特征是，所述的监测装置包括汇聚节点和多个无线传感器节点，在网络拓扑构建阶段，无线传感器节点通过节点竞选选出簇首节点，并根据簇首节点进行分簇，每个簇首节点收集所在簇内无线传感器节点采集环境数据后，将收集的环境数据发送至汇聚节点，进而由汇聚节点将环境数据发送至自动控制装置和显示装置；进行节点竞选时，包括：

(1)汇聚节点收集各无线传感器节点的节点度和能量信息，根据收集的信息确定用于簇首节点选举的相关信息并广播至各无线传感器节点；

(2)在每轮中的节点竞选阶段，每个无线传感器节点根据所述相关信息计算其当选阈值，并产生一个介于0到1之间的随机数，如果无线传感器节点产生的随机数小于该当选阈值，则该无线传感器节点当选为簇首节点，否则为普通节点。

6.根据权利要求5所述的智能建筑通风节能控制系统，其特征是，无线传感器节点按照下列公式计算其当选阈值：

Q_i＝0时，H_i＝0；Q_i＝1时，

式中，H_i为无线传感器节点i的当选阈值，s为簇首节点选举轮数，Q_i＝1表示无线传感器节点i在过去的轮中没有成功当选过簇首节点，Q_i＝0表示无线传感器节点i在过去的轮中有成功当选过簇首节点；f_i为无线传感器节点i当选为簇首节点的概率；

其中，所述相关信息包括网络中无线传感器节点的最大节点度R_max、节点度总和Δ_R、各无线传感器节点的初始能量、网络的初始能量均值无线传感器节点当选为簇首节点的概率按照下列公式计算：

式中，f_i为无线传感器节点i当选为簇首节点的概率，f₀为预设的簇首节点比例，Y_i0为无线传感器节点i的初始能量，Y_i为无线传感器节点i的当前剩余能量，为在第S轮中网络的平均能量，R_i为无线传感器节点i的节点度，u为网络中的无线传感器节点个数；d₁、d₂为设定的权重系数。