智能楼宇能耗管理系统的设计与应用分析

　　摘要：绿色智能楼宇建设日益引发人们的关注，面对当前智能楼宇能耗较高的现状，要充分引入新兴的低功耗广域物联网技术，将其与智能楼宇能耗管理系统相链接，进行低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统的架构设计和软硬件设计，实现智能楼宇能源数据的实时采集、传输和处理，避免传统有线能耗管理系统的缺陷。

　　关键词：低功耗； 广域物联网； 智能楼宇； 能耗管理系统；

　　随着智能楼宇数量的不断增多，楼宇的能耗占比逐渐增大，要高度重视智能楼宇建筑的节能管理，要引入先进的你功耗广域物联网技术，将其与智能楼宇建设相链接和融合，形成绿色高效的智能楼宇能耗管理系统，为智能楼宇能耗管理开启新的思路。

　　一、低功耗广域物联网技术概述

　　低功耗广域物联网技术体现出低功耗、远距离、低速率、免授权频谱的优势，常用的无线通信技术有：（1）WiFi.这种短距离无线通信技术的传输速率为11-54MB/s,工作频率为2.4GHz,通信距离约为100米。（2）蓝牙。这种近距离无线通信技术的传输速率为1MB/s,工作频率为2.4GHz,通信距离约为10米。（3）Zigbee技术。这种短距离的双向无线通信技术的传输速率为250kB/s,工作频率相对灵活，通信距离可以达到134米。（4）射频识别。这种条形码标签技术的工作频率有低频、高频、超高频等不同频段，通信传输的速度偏低。（5）近场通信。这种短距离无线连接技术采用双向识别和连接的方式进行传输，工作频率为13.56MHz,通信距离为20cm.

　　二、智能楼宇能耗管理系统的设计与应用分析

　　（一）总体方案设计

　　（1）组网方案。该系统采用树形结构的组网方案，基于集中控制的前提进行分级，由若干个星型网络拓扑组合形成多跳网络，网络中的协调节点是根节点，路由节点是中继，体现出节点易于扩展、路径搜索便捷的优势。

　　（2）总体设计。该系统采用无线传输的方式，无须复杂的布线设置，由低功耗广域物联网、网关和服务器构成，采用自组织的灵活组网方式进行蜂窝式的布网，采用多个中继进行终端能耗数据的转发，体现出长距离、低功耗、穿透性强的优势，能够实现智能楼宇能耗数据的稳定性传输[1].

　　（二）硬件设计

　　（1）能耗数据采集节点电路设计。选用STM32L0C8T6超低功耗单片机和CC1125无线射频模块，通过SPI接口实现无线射频模块和单片机的通信，实现对智能楼宇各种能耗数据的实时采集。电源模块采用大容量锂电池供电方式进行供电，并选用柳川485智能电表，将其与采集节点相链接，精准采集智能楼宇电能消耗数据，完成抄表、预付费和控制电表的通断。选用泰安485智能水表，将其与采集节点相链接，进行智能楼宇水能消耗的数据采集，完成抄表、预付费和控制水表的通断。

　　（2）能耗数据采集网关电路设计。系统采用标准的DC12V电源供电，进行整个能耗管理系统的数据传输和转换，通过串口实现无线通信模块与网关处理器间的通信。（1）电源电路设计。网关输入电源为直流12V,网关处理器通常采用3.3V的工作电压，并选用SY8089AAAC低压差线性稳压芯片，通过内部软启动的方式限制浪涌电流。选取SY8003ADFC高频同步降压型DC-DC稳压器，输入电压范围在2.7V-5.5V之间，并提供高达3A的输出电流。并选用TLV70233DBVR作为射频模块和GPS模块的电源芯片，将5V电源转换为3.3V电源，并通过SOT23-5封装的方式节省PCB空间，能够在-40℃至+125℃的温度条件下工作。（2）MCU电路设计。MCU最小系统选用STM32F207VGT6芯片作为网关核心控制器，其工作频率为120MHz,运行处理能力为150DMIPS,无须外部存储器扩展即可实现网关开发和设计。同时，还设计有智能楼宇能耗管理系统网关的复位电路，选用TPS3823-33DBVR芯片作为复位和监视模块，通过SOT23-5封装实现网关模块的小型化设计，使之在-40℃至+85℃的温度条件下正常工作，确保系统网关运行的稳定可靠性。另外，网关处理器、RTC的时钟电路分别采用外接3225封装大小的25MHz无源晶振和3215封装大小的32.768KHz无源晶振，并分别搭配选用2个0603封装大小的22pF电容和18pF电容。启动配置电路的引脚则分别串联10KΩ电阻。选用M95040作为EEPROM外扩电路，通过SPI接口与网关核心处理器进行链接通信，工作电压为2.5V-5.5V,温度条件为-40℃至+85℃。（3）网口电路设计。采用DP83848CVVX芯片的RMII接口进行数据收发处理，通过以太网变压器进行信号整形、网络隔离并滤除噪声，较好地保证系统的稳定可靠性。（4）GPRS电路设计。采用SIM800C模块进行GPRS电路设计，完成数据远距离传输，工作频段为GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900MHz,体现出良好的数据传输能力和扩展性能。（5）射频模块电路设计。该模块通过UART3与网关核心处理器相连接，并外联一个л形阻抗匹配电路，使之成为整个低功耗广域物联网的智能楼宇能耗数据聚拢点。（6）GPS电路设计。选用MAX-7Q-0-000模块作为GPS模块，工作秒脉冲为30ns,在低功耗模式下的功耗为52.5mW,工作温度为-40℃至+85℃，采用串口方式与网关核心处理器STM32F207相连，支持可配置的波特率。（7）RS485接口电路设计。选用SN75HVD12D作为RS485接口电路的芯片，工作电源为3.3V,是基于485总线通信的远距离数据传输部分，考虑到网关工作环境的复杂多变性，可以将瞬态抑制二极管SM712添加到485通信接口处，增强RS485通信的抗干扰性能。（8）RTC电路设计。选用工业级时钟芯片PCF8563T作为RTC电路的时钟芯片，工作电压为1V-5.5V,内置32.768KHz无源晶振、电阻和电容，并外接备用纽扣电池，通过I2C接口实现网关处理器与RTC电路的通信。（9）串口电路设计。选用CP2102作为串口电路的芯片，内置时钟电路，无须设计外部时钟电路，使电路设计更加简洁合理，较好地提高芯片运行的稳定可靠性[2].

　　（三）软件设计

　　（1）通信协议设计。低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统采用P-ALOHA协议，该协议的运行环境为无线信道或总线式网络，由各站自由发送数据帧，引入信道竞争系统，对发送失败的信道采用随机退避和重发机制，直至重传成功为止。基于该协议的智能楼宇能耗管理流程包括两大部分：（1）能耗采集节点接入流程。终端向周边接入点请求数据通信，处于空闲状态的周边接入节点则对能耗数据进行传输，终端会选取信号强度最优的接入点并加以存储，以该接入节点的MAC地址作为能耗数据上传的上级节点。（2）能耗采集节点数据发送流程。基于P-ALOHA协议进行能耗采集节点数据的发送，通过直接竞争信道的方式直接发送数据包，如果接入点没有回复则表明信道存在冲突，能耗采集节点要进行信道判断，对于超时没有接收到响应的情形则要重新选择接入点。

　　（2）网关软件设计。选择FreeRTOS嵌入式操作系统进行移植，实现优先级调度、消息队列、时间和内存管理。系统网关主要进行TCP/IP协议的转换和传输，进行智能楼宇能耗数据的汇集和转发，具有对终端、中继、协调器的管理性能，有极其宽泛的接入能力，适用于不同的无线环境。主要包括有以下模块：广域网协议转换模块、鉴权与安全模块、网络管理与节点维护模块、互联网接入模块、核心处理与数据缓存模块[3].

　　（3）服务器设计。系统网关到服务器间的通信协议主要采用UDP的无连接、不可靠传输协议，无须进行数据包的分组、排序和组装，就可完成数据包的发送工作。并选取Mysql作为智能楼宇能耗管理系统的数据库，支持多处理器的完全多线程机制，其服务端程序运行于Linux操作系统之中，通过多任务、多线程的操作方式，进行智能楼宇能耗数据的链接、接收和处理，体现出良好的稳定性和可用性。

　　三、小结

　　综上所述，低功耗广域物联网下的智能楼宇能耗管理系统体现出成本低、远距离、定制度高等优势特点，能够基于低功耗广域物联网协议进行网关程序和服务器程序的开发和设计，通过无线传输的方式进行智能楼宇能耗数据的汇集、重组打包、发送。后续还要开发PC软件或手持终端等无线入网配置系统，添加智能楼宇中的气量、热量等数据的采集节点设计，并增强低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统的抗干扰和自愈能力，满足系统的稳定可靠性、低功耗性的需求。

　　参考文献
　　[1]王得官。智能楼宇用电自动需求响应系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2019.
　　[2]张鹏。智能楼宇能效管理分析系统的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2016.
　　[3]肖鹏。智能楼宇节能系统的设计与实现[D].南京：南京邮电大学，2018.