CN202050545U - 基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统 - Google Patents

Abstract

基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统，包括安装于楼宇中的无线传感器网络，所有的无线传感器网络包括采集大楼内能耗、温度或湿度信息的网络节点，和将网络节点采集的信息传输至服务器的网关；网络节点包括采集楼内信息的传感器，为传感器供电的电池，将传感器采集的信息向外发送或接收来自其他传感器的信息的收发电路，和设置信息收发时间、确定信息发送的目标地址的处理电路；网络节点通过协议栈进行自组网以实现信息传输。本实用新型具有能够实时采集建筑能耗，运行成本低，提高节能效果的优点。

Description

基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统。

技术背景

我国建筑节能工作起步比较晚，所以我们在建筑方面的能源消耗浪费巨大。因此，我国的建筑节能潜力巨大，如果达到了建筑节能的标准，节约下来的能源是非常可观的。当前，国内外都高度重视建筑节能。尽管众多的公司已经致力于建筑节能方面的产品开发，但目前在这方面的信息管理系统还是没有跟上需求。现有的有关能耗分析的软件仅限于建筑能耗的模拟和分析，这些软件已经得到广泛应用，但这些软件基本只是一个模拟软件，并没有利用现代化手段进行信息获取，并在线动态分析。

如何采用有效的信息采集手段进行节能检测是目前国内外研究的一个热点。早期的信息采集工具是一些手提式信息采集器，人工完成建筑能耗信息的采集。这些工具的优点是一台仪器就可以完成多个信息的采集。但其明显的不足是不能进行在线检测与诊断。检测的结果有时不能反映系统的动态特性，而仅仅是一种静态的点信息。显然，这种信息采集方式不能提供建筑能耗统计和诊断所需要的大量动态信息。

随着网络技术的发展，基于互联网络的分布式信息采集成为一种新的信息采集方式。但是这种有线形式带来综合布线的困扰，尤其是受到不能破坏已有建筑状态的限制。因此，利用无线方式来采集信息的思想越来越受到人们的关注。目前国外大多采用的是WLAN、CDMA/GSM等网络，但其组网受限制、运行成本相当高。随着无线传感网技术的发展，应用该技术进行建筑能耗信息采集及分析成为新的课题。

实用新型内容

为克服现有技术的上述缺点，本实用新型提供了能够实时采集建筑能耗，运行成本低，提高节能效果的基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统。

基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统，包括安装于楼宇中的无线传感器网络，所有的无线传感器网络包括采集大楼内能耗、温度或湿度信息的网络节点，和将网络节点采集的信息传输至服务器的网关；所述的网络节点包括采集楼内信息的传感器，为传感器供电的电池，将传感器采集的信息向外发送或接收来自其他传感器的信息的收发电路，和设置信息收发时间、确定信息发送的目标地址的处理电路；所述的网络节点通过协议栈进行自组网以实现信息传输。

本实用新型的技术构思是：本实用新型根据建筑能耗检测等应用的特点，研究开发具有自主知识产权的无线传感网传输方式。基于性能优越的短距无线自组网技术和当代成熟的GPRS/CDMA移动通信技术、网络通信技术，充分利用先进的电子标签及其识别技术、传感器技术及压敏取电的无源技术等，公司已开始着手研发用于铁路部门的、具有车号自动识别、数据自动采集、运行状态实时监测等功能的自动化管理系统，充分发挥铁路的运输能力，保证铁路的安全运行，提升铁路部门的自动化管理水平。

通过无线传感器实时采集到的智能楼宇内的数据，所有的无线传感器组成的无线传感器传输网络，在监控室内就可以掌握整个楼宇内所有设备的运行情况。可以有效地克服传统有线楼宇能耗监测系统的布线成本高、组网不灵活、线缆老化引起的数据传输可靠性差、楼宇环境受破坏等缺点，满足大规模网络、低功耗、低成本、短距离、多跳路由的网络类型、低网络维护开销、低速率、非实时和非同步通信、低机动性、特别的安全性、网络规模可扩展等要求。

无线传感网网关，用以面向现场应用需求的检测节点多种通信模式配置机制，实现传感网与多种通信主干网的融合。

网关主要由无线传感网主节点(包含一个无线传感网节点的所有硬件和软件结构)、微控制器、各种主干网接入模块组成。网关是一个独立工作的嵌入式设备，具有无线传感网和主干网相关的配置设置功能。能够方便地实现一个无线传感网系统接入到主干网。无线传感网的数据通过网络作透明处理传输到后台软件系统。

基于Web GIS计算模式的无线传感网建筑能耗检测分析系统，用于实现空间信息和属性信息的一体化管理。

项目组采用数据库、应用服务器(ArcIMS和WebServer)和客户端三层Web GIS计算模式。根据Web应用的特点和网络的状况，采用混合模式来实现GIS功能在客户端和服务器端的空间处理功能分配；在客户端实现技术方面，采用基于Object Web规范的Web GIS客户端实现技术，可有效避免CGI形成的瓶颈，允许客户机直接调用服务器上的方法，从而可以动态平衡客户端请求的负载；Web GIS发布方案方面，采用基于XML矢量图形文件SVG的地图发布方式，利用文本指令定义图形的显示方式，图像的大小只与图形复杂度有关，而与图形的具体尺寸无关。在客户获取图形结果请求中，服务器将原始用文本格式描述的矢量图形数据传送到客户端，由客户端解释程序生成矢量图形，从而在支持无级缩放的同时可大大减少网络传输的数据量。

基于大量传感数据的建筑能耗分析模型，用以实现三维立体呈现方法，支持建筑的能源优化配置。

由于采用无线传感网端机分布在每个房间和大楼其他需要采集信息的位置，因此可以实时和全面采集每个房间的温度、湿度、电量等实时数据，利用这些信息，后台软件可以统计和分析出建筑大楼的末端用能是否合理，软件分析的方式是我们根据实际使用的需要完全自主创新的。大量接点的传感数据使建筑大楼能耗精确诊断和实时分析成为可能，三维立体呈现方式，可以全面动态展示大楼能耗变化的特点，后台计算机可以开发针对大楼各个侧面和各个楼面的能耗变化分析功能，使大楼能耗诊断和分析非常方便和直观。

通过传感器获得大楼中各个时间段的能耗信息，可以绘制出大楼的能耗图，有利于分析大楼在不同时间段或不同季节、或是在不同楼层的能耗差异，能及时发现大楼的非正常能耗并作出调整，有利于提出大楼的节能改造优化方案。

本实用新型具有能够实时采集建筑能耗，运行成本低，提高节能效果的优点。

附图说明

图1是协议栈框架示意图。

图2是系统结构示意图。

图3是无线传感网与通信主干网融合的体系架构图。

图4是网关架构示意图。

图5是基于Web GIS计算模式的无线传感网建筑能耗检测分析系统原理。

图6是建筑整体运行能耗分析模型。

图7是选择簇头节点的流程图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本实用新型：

基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统，包括安装于楼宇中的无线传感器网络，所有的无线传感器网络包括采集大楼内能耗、温度或湿度信息的网络节点，和将网络节点采集的信息传输至服务器的网关；所述的网络节点包括采集楼内信息的传感器，为传感器供电的电池，将传感器采集的信息向外发送或接收来自其他传感器的信息的收发电路，和设置信息收发时间、确定信息发送的目标地址的处理电路；所述的网络节点通过协议栈进行自组网以实现信息传输。

所述的协议栈传输包括以下步骤：

1)、初始状态下，随机选择多个网络节点作为簇头节点，簇头节点以外的网络节点为普通节点；

2)、将与簇头节点的通信半径小于预设半径的普通节点与该簇头节点形成一个簇网区域；簇网区域内，普通节点采集的信息均传输至簇头节点，簇头节点将信息发送至另一个簇头节点或网关；

3)、经过一个预设间隔时间后，获取所有节点的电池剩余能量，计算获得所有节点的平均剩余能量，将电池剩余能量高于平均剩余能量的节点作为候选簇头；

4)、定义第k个候选节点v_k对已产生的第i个簇网区域S_i的拟物力函数为：

其中d_ik表示候选节点和簇网区域的簇头节点之间的距离，R²充当簇网区域的质量，N为已选出来簇头个数，

表示只有未被当前簇网区域覆盖的候选节点才能对簇网区域产生引力；

对簇头选择阈值T(n)引入拟物力进行约束：

$T\′\′\left(n\right)=\frac{p}{1-p\·\left[r\mathrm{mod}(1/p)\right]}\·\exp (-R^2/{\mathrm{dik}}^2)$

离本轮簇网区域的簇头节点越远，候选节点的拟物力越小而阈值越大，该候选节点成为新一轮的簇头节点的可能性越高；

5)、重复执行步骤2)-4)。

本实用新型的技术构思是：本实用新型根据建筑能耗检测等应用的特点，研究开发具有自主知识产权的无线传感网传输方式。基于性能优越的短距无线自组网技术和当代成熟的GPRS/CDMA移动通信技术、网络通信技术，充分利用先进的电子标签及其识别技术、传感器技术及压敏取电的无源技术等，公司已开始着手研发用于铁路部门的、具有车号自动识别、数据自动采集、运行状态实时监测等功能的自动化管理系统，充分发挥铁路的运输能力，保证铁路的安全运行，提升铁路部门的自动化管理水平。

通过无线传感器实时采集到的智能楼宇内的数据，所有的无线传感器组成的无线传感器传输网络，在监控室内就可以掌握整个楼宇内所有设备的运行情况。可以有效地克服传统有线楼宇能耗监测系统的布线成本高、组网不灵活、线缆老化引起的数据传输可靠性差、楼宇环境受破坏等缺点，满足大规模网络、低功耗、低成本、短距离、多跳路由的网络类型、低网络维护开销、低速率、非实时和非同步通信、低机动性、特别的安全性、网络规模可扩展等要求。

无线传感网网关，用以面向现场应用需求的检测节点多种通信模式配置机制，实现传感网与多种通信主干网的融合。

网关主要由无线传感网主节点(包含一个无线传感网节点的所有硬件和软件结构)、微控制器、各种主干网接入模块组成。网关是一个独立工作的嵌入式设备，具有无线传感网和主干网相关的配置设置功能。能够方便地实现一个无线传感网系统接入到主干网。无线传感网的数据通过网络作透明处理传输到后台软件系统。

基于Web GIS计算模式的无线传感网建筑能耗检测分析系统，用于实现空间信息和属性信息的一体化管理。

项目组采用数据库、应用服务器(ArcIMS和WebServer)和客户端三层Web GIS计算模式。根据Web应用的特点和网络的状况，采用混合模式来实现GIS功能在客户端和服务器端的空间处理功能分配；在客户端实现技术方面，采用基于Object Web规范的Web GIS客户端实现技术，可有效避免CGI形成的瓶颈，允许客户机直接调用服务器上的方法，从而可以动态平衡客户端请求的负载；Web GIS发布方案方面，采用基于XML矢量图形文件SVG的地图发布方式，利用文本指令定义图形的显示方式，图像的大小只与图形复杂度有关，而与图形的具体尺寸无关。在客户获取图形结果请求中，服务器将原始用文本格式描述的矢量图形数据传送到客户端，由客户端解释程序生成矢量图形，从而在支持无级缩放的同时可大大减少网络传输的数据量。

基于大量传感数据的建筑能耗分析模型，用以实现三维立体呈现方法，支持建筑的能源优化配置。

由于采用无线传感网端机分布在每个房间和大楼其他需要采集信息的位置，因此可以实时和全面采集每个房间的温度、湿度、电量等实时数据，利用这些信息，后台软件可以统计和分析出建筑大楼的末端用能是否合理，软件分析的方式是我们根据实际使用的需要完全自主创新的。大量接点的传感数据使建筑大楼能耗精确诊断和实时分析成为可能，三维立体呈现方式，可以全面动态展示大楼能耗变化的特点，后台计算机可以开发针对大楼各个侧面和各个楼面的能耗变化分析功能，使大楼能耗诊断和分析非常方便和直观。

通过传感器获得大楼中各个时间段的能耗信息，可以绘制出大楼的能耗图，有利于分析大楼在不同时间段或不同季节、或是在不同楼层的能耗差异，能及时发现大楼的非正常能耗并作出调整，有利于提出大楼的节能改造优化方案。

参照图1、图2，基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统，协议栈框架包括应用层、网络层、MAC层以及兼容多种通信机制物理层组成。基于大量传感数据的建筑能耗分析系统包括房间内无线传感端机(子机)、无线传感端机(主机)、GPS、Internet、485通讯接口。

本实用新型根据建筑能耗检测等应用的特点，采用无线自组网技术，通过改进Zigbee的协议自身缺乏可扩展性，无法满足大规模传感节点的应用要求，研究开发具有自主知识产权的无线传感网传输协议，如图1所示。

所述的协议栈设计主要包括了应用层、网络层、MAC层以及兼容多种通信机制的物理层。

1)应用层：包括传感器接口管理模块、应用配置模块、应用支持子层。

传感接口管理模块通过传感器服务接口与传感器设备进行交互，主要进行传感器状态、参数控制等操作，传感数据接口主要接收传感器设备的传感数据。

应用配置模块根据网络应用类型和特性，来配置是否动态加载应用支持子层，以及配置子层的功能参数。

应用支持子层主要包括信息数据库、时间同步模块、安全策略等模块，主要跟传感器接口管理模块进行交互。对传感器而来的传感数据添加应用层协议帧头，发送至网络层数据服务实体。

2)网络层：主要由网络层安全管理、路由管理、拓扑管理、信息库组成。

拓扑管理模块作为主导功能模块，通过网络层管理实体接口接收网络初始化命令，开始驱动自组分簇网络拓扑形成，以及在网络生存过程中，维护网络拓扑、节点移动性管理等。网络层信息库主要管理节点的网络属性，如节点的标识、簇标识、邻居节点等。路由管理模块主要负责建立和维护从本节点到中心节点的路由，并在有数据产生或转发其他节点数据时，根据路由表信息，正确发送至下一跳节点。

网络层通过网络层数据接口与应用支持子层相连，通过MAC层数据接口与MAC层相连。如果由MAC层数据接口上传的数据为本节点，则上传至应用支持子层，若本节点为路由数据的中间路由节点，则根据路由表，选择最优路径，重新设置路由帧，下发至MAC层。

网络层的设计包含网络结构和路由两方面。虽然无线传感网是一个自组织的无中心网络，但是为了解决可扩展性的问题，还是需要设计一个在低占空比媒体接入层基础上的合适的网络结构。低通信占空比、无中心自组织的要求决定无线传感网需要设计特殊的路由算法和模型。

3)媒体接入层(MAC层)：由MAC层安全管理、媒体接入控制模块、休眠管理模块、信息库组成。

MAC层信息库主要管理节点用于节点功率级别参数、帧参数、休眠比例尺、通信时隙长度等参数，在网络布设前可由用户根据应用需求统一配置。

MAC层通过MAC层数据接口与网络层实体相连，通过物理层数据接口与物理层相连。当MAC层接收到物理层上发的帧，对帧类型进行判别后，决定上传给网络层，或丢弃该帧、或应答该帧。当MAC层接收到网络层下发的帧，根据目前信道状态和媒体接入控制模块的策略，决定是否传送至物理层。

根据无线传感网的设计要求，媒体接入层的设计有两个难点。一个是要平衡一个矛盾。为了降低设备功耗，工作状态和待机状态的功耗都必须最小化，同时，由于工作状态的功耗远大于待机状态的功耗，必须最大限度降低通信占空比，可是对于一个异步多跳的网络来说，过低的占空比会使无线设备之间的互相发现和同步变得非常困难，这二者之间的矛盾需要折衷；另一个难点是低成本的硬件存在时基稳定性差的问题，传统时分机制并不特别适合于无线传感器网络。

4)物理层：物理层的设计可根据不同需求对无线传感网无线信道的要求，选择采用合适的方案。要能够提供由MAC层定义的功能和接口标准。如采用直接序列扩频方案的话(DSSS)，则通过物理层数据接口接收到来自MAC层下发的帧后，进行信道编码、加帧头、扩频、调制、功率控制，然后经射频天线发送至无线信道，其中扩频码字来自于MAC层信息库。物理层经射频天线接收到高于接收门限值的信号后，进行解调，并根据本时段MAC层使用的扩频码字进行同步捕获和跟踪，如相关峰高于设定门限值，则表示接收到该码字信道的帧，然后依次进行去帧头、信道解码的操作，然后将数据通过物理层数据接口上发至MAC层。

所述的无线传感网与多种通讯网实现融合的网关，与主干网融合的无线传感网的体系架构如图3所示。网关可实现第一的主干网接入或根据需要可配置需要的接入方式。网关的主要类型有：以太网、WLAN、Internet、GSM、GPRS、CDMA1X、EDGE、RS485、CAN网关等。网关的架构如图4所示。

网关的电源设计采用有源电即可，没有必要使用电池供电，因为网关的功耗相对无线传感网节点的功耗高，一定要工作在有有源电的地方。网关的数量很少，一个无线传感网系统一般情况下只配备一个网关即可。

网关软件的设计是另外一个重要的设计内容。由于网关的功能复杂，需要一个好的实时操作系统比如嵌入式LINUX的支持。软件的形式可以是运行与计算机上的一个独立安装的用户界面程序，也可以是嵌入到网关设备中的嵌入式WEB服务器软件的形式。用户只要连接好网络与计算机，登录一个网络地址就可以完成网关的各种配置功能。

所述的基于Web GIS计算模式的无线传感网建筑能耗检测分析系统，系统结构原理如图5所示。项目以自主研发的无线传感网(WSN)平台为核心，通过对建筑中所有房间的温度、湿度、面积、耗能情况等信息进行采集和处理，并进行能耗检测诊断，提出高效的建筑节能改造方案，实现建筑能耗检测分析系统。并采用基于Web GIS实现空间信息、属性信息一体化管理和三维立体呈现，并依据建筑物各个侧面、各个楼面的能耗变化，通过三维成型、诊断和分析建筑物各区域用能是否合理、设备性能、运行效率和改进的方案。

项目采用数据库、应用服务器(Arc IMS和Web Server)和客户端三层Web GIS计算模式，并设计了能耗分析模型，如图6所述。项目利用实时和全面采集到的每个房间的温度、湿度、电量等实时数据，后台软件可以统计和分析出建筑大楼的末端用能是否合理，提高节能效益。

拟物算法是解决某些NP问题的一条高效率途径，它最早由黄文奇提出并加以应用，是一种从大自然和人类社会经验中寻找智能的启发式优化算法。所谓拟物即是找到与原始数学问题等价的物理世界，观察这个世界中物质运动的生动形象，然后从中受到启发以求解数学问题。针对无线传感器网络分簇路由优化模型的特点，在拟物算法的基础上，引出了拟物力模型。

在拟物力模型中，假设在每一轮簇建立过程中，把已产生的簇头节点看作通信半径为R的“簇头圆盘”。设参与簇头选择并未被“簇头圆盘”覆盖的候选节点对其邻近的“簇头圆盘”具有吸引力，而已经被“簇头圆盘”覆盖的候选节点受“屏蔽效应”的影响对“簇头圆盘”不具有吸引力。仿照万有引力的形式同时引入“屏蔽效应”。定义参与簇头选择的第k个候选节点v_k对已产生的第i个“簇头圆盘”S_i的拟物力函数如下：

其中d_ik表示候选节点和“簇头圆盘”圆心之间的距离，R²充当“簇头圆盘”的质量，N为已选出来簇头个数，

表示只有未被覆盖的候选节点才能对“簇头圆盘”产生引力。为了解决簇头个数不稳定问题，在参考拟物力模型下，对簇头选择阈值T(n)引入拟物力进行约束。改进后的阈值计算公式为：

$T\′\′\left(n\right)=\frac{p}{1-p\·\left[r\mathrm{mod}(1/p)\right]}\·\exp (-R^2/{\mathrm{dik}}^2)$

由公式(3-7)可知，exp(-R²/dik²)恒小于1，从而保证了阈值T″(n)的有效性。且阈值T″(n)是d_ik的增函数。离邻近簇头越远的候选簇头拟物力越小，阈值越大，成为簇头的可能性也就越高，从而保证簇头个数的均匀分布。

单纯地以节点剩余能量作为簇头竞争条件并不能保证簇算法在所有情况下都能有效地延长网络寿命。本文通过候选簇头竞争机制，产生了一定比例的候选簇头，同时这些候选簇头在拟物力作用下，通过竞争产生本轮正式簇头，而其他节点处于休眠状态直至本轮簇头选择结束。图7为选择簇头节点的流程图。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.基于无线传感技术的楼宇能耗监测分析系统，包括安装于楼宇中的无线传感器网络，所有的无线传感器网络包括采集大楼内能耗、温度或湿度信息的网络节点，和将网络节点采集的信息传输至服务器的网关；所述的网络节点包括采集楼内信息的传感器，为传感器供电的电池，将传感器采集的信息向外发送或接收来自其他传感器的信息的收发电路，和设置信息收发时间、确定信息发送的目标地址的处理电路；所述的网络节点通过协议栈进行自组网以实现信息传输。

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