能耗监测系统范文

导语：如何才能写好一篇能耗监测系统，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：公共建筑；能耗监测系统；分项计量；电气设计；智能建筑设计 文献标识码：A

中图分类号：TU111 文章编号：1009-2374（2016）34-0116-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.34.057

1 概述

随着公共建筑数量的迅速增加，公共建筑使用过程中运行和管理不当，造成了巨大的能源浪费。为实现可持续发展，住房和城乡建设部早在2007年便颁布了近10项有关建立国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系的指导性文件。通过对建筑能耗数据的采集，掌握用能情况，分析用能特征，不仅能够有针对性地对既有建筑进行节能改造，更有利于国家从宏观层面上制定能源政策与节能措施。为指导和规范西安市公共建筑能耗监测系统建设、运行及管理工作，为西安市各类公共建筑能耗统计、能源审计、建筑节能管理和节能改造提供科学可靠的技术支持，西安市于2015年了陕西省工程建设标准《西安市公共建筑能耗监测系统技术规范》。该技术规范用于西安市各类新建、改建、扩建和既有公共建筑能耗监测系统的设计、施工、验收、运行和维护。本文以西安市某高校实训大楼为例，地下1层，地上12层。总建筑面积26517m2，建筑物高度48.8m。本工程属于二类高层办公楼。结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构。本工程是新建建筑物，能耗监测系统的设计由建筑设计院随电气施工图同步考虑。对建筑的机电系统安装分类、分项的能耗计量仪表，由此得到建筑物总能源消耗与不同能源种类、不同功能系统的分项能耗，实现建筑能耗的分类计量和电能耗的分项计量。

2 本工程能耗分项计量与数据设置

2.1 本工程能耗分类与分项计量

分类能耗是根据公共建筑消耗的主要能源种类划分的能耗数据，如电、燃气、水、集中供热、集中供冷、其他能源（集中热水供应量、煤、油、可再生能源）等。分项能耗是根据公共建筑消耗的电力的主要用途划分的能耗数据。分类能耗中，电量应分为4项分项，包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。电量的4项分项是必分项，各分项可根据建筑用能系统的实际情况灵活细分为一级子项和二级子项，是选分项。其他分类能耗不应分项。本项目建筑能耗分类、分项计量如图1所示：

2.2 能耗数据采集点的确定

由于水、燃气、热的能耗计量相对简单，电气专业只需做好相应的通信线路设计，故本文重点探讨用电分项能耗监测的施工图设计方法。在设计电气系统干线图和照明/动力配电系统图的基础上，确定各用电回路的名称及供电范围、负荷性质等，才能确定能耗数据采集点。

本项目共确定能耗数据采集点68个，其中用电分项计量采集点56个，其他分类能耗计量采集点12个。电能耗分项计量采集点分别为：10kV高压柜4个；变压器低压出线柜6个；低压柜电力线载波1个；实训楼第一层～第十二层照明插座配电箱12个；第一层～第十二层公共及应急照明配电箱12个；屋顶动力配电箱8个；地下一层（车库和设备房）照明插座配电箱2个，应急照明配电箱2个，动力配电箱2个，热幕配电箱1个；南/北厂房照明插座配电箱2个，动力配电箱2个，热幕配电箱2个。其他分类能耗计量采集点分别为：实验楼远传冷水表/远传热水表/远传总燃气表/远传总暖表各1个；南/北厂房远传冷水表/远传热水表/远传总燃气表/远传总暖表各1个。

2.3 能耗数据采集点编号与数据编码

能耗数据编码规则为细则层次代码结构，主要按7类细则进行编码，包括行政区划代码编码、建筑类别编码、建筑识别编码、分类能耗指编码、分项能耗编码、分项能耗一级子项编码、分项能耗二级子项编码。编码后能耗数据由15位符号组成。若某一项目无须使用某编码时，则用相应位数的“0”代替。根据技术规范，制定能耗数据编码和能耗数据采集点识别编码，如表1所示：

3 能耗监测系统设计

3.1 能耗监测系统结构设计

本项目能耗监测系统由用户管理层、网络通信层、现场设备层三部分组成，完成能耗数据的采集、传输、管理等功能，见图2。现场设置的电能表采用屏蔽双纹线连接至各分区数据采集器，各分区数据采集器将数据分类处理后，上传到网络交换机，再通过网线上传至能耗监测系统主机实现能耗监测管理功能。

3.2 10kV高压配电系统能耗监测

三相多功能电能仪表DSSD25用于10kV开关柜能耗的计量和监测。用于分时计量正、反向有功/无功电能，计量有功/无功总电能，分相有功/无功电能，分时计量正、反向有功，正、反向无功的最大需量及发生时间等。

3.3 变压器0.4/0.23kV系统能耗监测

3.3.1 三项电能监测。三相多功能电能仪表DD521用于0.4kV/10kV开关柜能耗的计量和监测。用于测量单回路的三相电压、三相电流、功率因数、频率及视在功率，记录分相/总有功功率/无功功率/有功电量/无功电量。

根据配电柜的出线数量可选用三相多回路电能监测仪表DD504（4回路），DD505（5回路），DD507（7回路），DD509（9回路）用于0.4kV配电柜能耗的计量和监测。能够测量每回路的三相电压、三相电流、功率因数、频率及视在功率，记录分相/总有功功率/无功功率/有功电量/无功电量。

3.3.2 电力能耗终端采集器。三相载波智能采集终端DDJ03对建筑能耗监测末端有载波型计量和监测仪表进行采集。安装在低压0.4kV进线柜。终端通过电力载波接口可以实现对电能表的召测、抄收及暂存电能表数据，并用以太网通讯的方式将储存的数据按主台的命令发向主台。

电力能耗采集器DDJ01是对建筑能耗监测末端的监测仪表计进行采集，安装在每个低压0.4kV出线柜，主要用于采集各种类型的能耗仪表的数据。实现对电能表的召测、抄收及暂存电能表数据，并将储存的数据向上一级的采集器。

3.4 能耗数据采集

电力能耗采集器DDJ02对电力能耗终端采集器的数据进行采集，安装于开关柜。通过RS485接口对电力能耗采集器的数据进行采集或直接采集电能仪表的数据，抄收并暂存电能表数据，并将储存的数据向监控主机发送。

水、气型智能采集器DDJ04用于对供暖、冷水、热水、燃气等能耗终端的数据进行采集，对数据进行预处理，并将数据发送到监控主机。通过RS485接口可以实现对各类能耗监测表的召测、抄收及暂存能耗监测表数据，并将储存的数据向上一级的采集器。能耗数据采集系统图（部分）如图3所示：

4 结语

本文以西安市某高校实训大楼为工程实例，根据国家和地方相关技术导则和技术规范，确定该建筑能耗分类和分项计量的设置范围。能耗监测系统的设计随电气施工图同步考虑，完成了能耗监测系统的电气设计。

参考文献

[1] 住房和城乡建设部.关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见（建科[2007]245号）[S].

[2] 陕西省住房和城乡建设厅.西安市公共建筑能耗监测系统技术规范（DBJ61/T97-2015）[S].2015.

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关键词：电气 ； 系统 ；大型公建 ；节能

在当今世界能源日益紧缺的前提下，人类社会在更努力地开发新能源，尽可能地节约能源，降低能源的消耗。《公共机构节能条例》中明确指出：公共机构应当实行能源消费计量制度，区分用能种类、用能系统实行能源消费分户、分类、分项计量，并对能源消耗状况实行监测，及时发现、纠正用能浪费现象。

能耗监测系统是通过对建筑安装分类和分项能耗计量装置，采用远程传输等手段及时采集能耗数据，实现建筑能耗的实时监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称。

该系统由数据采集系统、数据传输系统、数据中心三部分组成。监测数据主要包含两个方面的内容：分类能耗和分项能耗。其中，分类能耗是指根据建筑消耗的主要能源种类划分进行采集和整理的能耗数据。分项能耗是指根据建筑消耗的各类能源的主要用途划分进行采集和整理的能耗数据。

1.分类能耗

2.用电量

3.用水量

4.燃气量

5.集中供热耗热量

6.集中供冷耗冷量

其他能源

其中分析用电量可以得到以下分项能耗：

1.照明插座用电

2.空调用电

3.动力用电

4.特殊用电

实例应用：

某商场基本信息

建筑面积(m2)：22000

建筑层数：地下1层；地上4层

变压器：3台 1000KVA

功率因数: 0.93/0.94/1.00

以下是供电局采集的数据:

2009年：用电量7699210(kWh)，单位建筑面积用电量350(kWh/(m2·a))

2010年：用电量7452783(kWh)，单位建筑面积用电量339(kWh/(m2·a))

2009~2010年逐月用电量

根据分项能耗的要求，我们对3台低压柜的28条低压出线回路进行了监测。

共设了内置多功能表3台(可计量无功，谐波)，三相电能表28台。

冷量表1台(本工程不涉及热量表)，数据通讯网关1台。

将电能表箱直接设于变配电房内，方便监测及走线。当采集后的用能数据通过RJ-485双绞线传输到数据通讯网关，数据通讯网关再通过网络端口将能耗数据传输到远程能耗监测数据中心的服务器，由服务器实现能耗数据的分类存储，并能将能耗数据到互联网，用能单位及上级单位可以通过远程WEB访问实时了解建筑用能情况。

照明插座用电：

该建筑插座用电设备主要包括台式电脑、复印机、打印机、传真机、饮水机及其他临时插座用电设备，上班时间由使用人员自行开启。

商场区域照明主要采用T5荧光灯和双U型节能筒灯两种灯具形式，T5荧光灯单管功率为14W，节能筒灯单盏功率为13W。超市区域照明采用T5荧光灯，单管功率为28W。商场内办公室照明采用T8荧光灯，单管功率为40W。

室外照明采用射灯，室外照明总安装功率为19.2kW。

照明控制方式：商场及超市区域照明为手动控制，一般早上上班由工作人员自主开启，晚上下班手动关闭；办公室照明及插座用电设备一般早上上班时由员工自主开启，下午下班时手动关闭。室外景观照明为定时控制，不同季节根据天气情况设定开启时间。

空调用电：

空调冷源系统设置在地下一层，共3台螺杆式4机头冷水机组，单台机组总制冷量为1305 kW，总装机容量为3915 kW，每台输入功率为4×90kW；冷冻水泵共4台，单台功率45kW；冷却水泵共4台，单台功率45kW；冷却塔置于屋顶，共六组，风机电机功率为7.5kW/台。

空调冷冻水系统为一次泵系统，冷冻水供回水温度为7/12℃，冷冻水供应商场以及超市两个区域。系统采用两管制，水平管路同程。冷水机组和水泵分别并列后通过管道相连。

空调风系统为一次回风全空气系统，每层均设置四台空气处理机组。其中三台额定制冷量为458.7kW，电机输入功率为11kW；另外一台额定制冷量为394.8kW，电机输入功率为11kW。四层设有新风机，新风由新风机引入，送至各楼层空调机房与回风混合，经空气处理机组热湿处理后送至空调区域。全年没有根据季节调节新风比和新风量。

动力用电：

(1)该商场配有货梯2台，扶梯6台，平板梯1台。货梯功率为11kW/台；扶梯功率为11kW/台；平板梯功率为11W/台。所有电梯均未设变频控制装置。

(2)该商场设有一台生活水泵供应商场日常用水，水泵功率为5.5kW。

从监测结果以及供电局提供的资料分析，

该建筑为商场类建筑，建筑内空调系统主要3~11月运行(其他时段根据需要开启)而照明和电梯设备全年运行。从2009~2010年逐月用电量统计结果，可以看出，6~10月份用电量较高，因为这段期间空调系统运行时间较长，且负荷率较高。此外，1月份用电量也很高，这主要是源于节假日(圣诞、元旦、春节)商场客流量的增加带来的用电量的增加。2~4月和11月用电量较低，因这段期间属于非空调季，室内外气温比较舒适，且节假日较少，空调系统开启时间较短。

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关键词：机关办公建筑 公共建筑 能耗监测

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0109-01

1 概述

目前全国在广泛推进节能减排工作，随着社会的发展全社会对能耗需求越来越高，节能的意识也从国家贯彻到各级政府及每个公民。社会生产生活需要有能耗，如何在全面保障社会生产生活的前提下降低能耗，让能耗更加合理，这就是当下要做的事情。

天津市的所有公共建筑需要进行能耗的监控与监测。如果要做好能耗的管理与控制，就需要对这些建筑的耗能情况进行采集与分析。随着公共建筑的不断出现，能耗的监控与检测越来越重要，未来的发展趋势将是对所有公共建筑及设施进行能耗的监控与管理。

2 建设目标

运用计算机控制、通讯网络、数据库、智能计量和采集等计算机技术，以服务于天津机关办公建筑和大型公共建筑能耗采集和分析为主要目的，通过对各类能耗数据的采集，建立一个分布于天津市行政区域内所有机关办公建筑和大型公共建筑的能耗采集网络，为公建能耗的分析和节能趋势分析提供服务的，具有先进水平的建筑能耗监控分析系统。

系统主要实现以下目标：（1）设计、建立能耗监控数据库；（2）建设各类数掘传输系统；完成信息中心与各监控点的网络连接；（3）搭建建筑能耗采集的基础设施建设、运行状况监控系统；（4）搭建建筑能耗采集设备的预警及报警系统及应用平台；（5）输出工作所需的文字报告和数据报告；（6）实现对建筑所属单位开放的能耗查询系统；（7）对现有系统历史数据进行保留，并转化到新系统中；（8）最大限度的保证原有投资。

3 设计、开发原则

（1）实用性与先进性的统一；（2）紧密围绕能耗监测管理的业务；（3）注重系统易操作与标准化的特点；（4）保证系统具有开放性、可扩充性和较长的使用期；（5）遵循安全性、保密性和共享性的原则；（6）继承性原则：系统在设计过程中要充分考虑继承不卧利用己有的硬件设备和开发完；（7）成的软件系统，在原有基础上进行整合，在整合的基础上提高；（8）系统设计需要遵循可持续、可操作的原则，系统采用分级结构逐级上传数据，并由各中心及区县二级平台汇总后上传到数据中心。

4 编制依据

（1）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据采集技术导则》；（2）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统分项能耗数据传输技术导则》；（3）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统楼宇分项计量设计安装技术导则》；（4）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统数据中心建设与维护技术导则》；（5）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设、验收与运行管理规范》；（6）《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统软件开发指导说明书》。

5 业务需求

（1）监控系统软件提供建筑能耗信息、查询实时监控情况、历史监测数据、监测点信息。（2）采用基于B/S架构的设计和开发，客户端使用浏览器完成全部操作。（3）支持预警和报警，报警方式包括短信报警、邮件报警，报警范围和对象可自由设定。（4）具备独立的能耗数据采集平台，数据采集的内容及格式符合国家要求及天津市关于建筑能耗的有关规定。（5）以动态图形方式实现公共建筑能耗状况。（6）支持与GIS系统的接口，将建筑能耗信息传输到GIS系统中。

6 系统体系构架

（1）硬件及网络系统技术架构。虽然从能耗监测系统总体结构上看，全系统分为现场数据采集系统、区县级数据中心、市级数据中心，但考虑到区县级数据中心与市级数据中心之间数据传输网络以及相关的数据传输技术简单，因此硬件及网络系统技术主要考虑的目标集中于现场数据采集系统、区县级数据中心层面。（2）软件体系构架。能耗监测应用软件系统采用成熟、标准的J2EE企业平台架构搭建，具有高扩展性、可用性、安全性、可伸缩性、可靠性及跨平台运行等优点。为了适应应用环境复杂、业务规则变化、系统扩展的需要，采用多层次松耦合结构、组件复用技术、一体化的安全模型以及统一的数据引擎，使得系统具备良好的适应性及弹性。应用软件系统自底向上可分为数据层、服务层、业务层、表现层四个层次，各个层次间通过标准化的程序接口、服务接口实现，达到系统松耦合及模块复用的目的。系统总体技术架构参见“图1能耗监测系统总体技术架构图”。

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关键词：电能特征参数；模式识别；智能控制；节能

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）08-0070-03

0 引 言

随着物联网技术和控制技术的快速发展，以及人们对物质生活享受的要求不断提高，智能家居成为物联网产业发展的必然结果。传统的智能家居仍是独立运行的，各种电器的用电存在着非常不合理的浪费，缺少节能的功能。即便有的用户具有良好的节能意识，却往往没有很有效的节能措施。然而，当我们的节能意识和用户的体验度相矛盾时，往往会放弃节能措施，致使家用电器存在着大量电能浪费[1]。同时，在家居电器的使用中，处于待机状态的家用电器产生了大量的待机功耗，这些都造成了电能的大量浪费。

目前，家庭能耗管理系统的研究主要分为两个方向：家庭能耗管理策略的研究和家庭能耗管理系统总体构架的研究[2]。在能耗管理策略上，本文提出电能的多种特征参数，并提出一种智能预测算法。在系统总体构架上，本文采用ZigBee组网，S3C2440作为主控器，采用Web页面对系统进行管理。

1 系统概述

系统由采集节点，ZigBee局域网，主控器和Web网页控制页面组成。系统框架如图1所示。

图1中采集节点负责智能插座上的电能参数采集，采集到的参数包括电器的电流、电压、功率、功率因数及能耗总量，并由电流的采样值得到电流的相关系数和电流的波动系数。

家庭内部的无线组网采用ZigBee的星型网络，网络节点包括终端节点和协调器节点，终端节点负责接收来自采集节点的数据和传送协调器发送的控制命令，协调器节点负责接收来自采集节点的电能参数和转发主控器的控制命令。ZigBee与采集节点和主控器间的通信都采用的是串口协议。

主控器的设计采用的的三星公司的S3C2440芯片，Linux操作系统，主控器主要负责命令的发送，数据的分析，以及预测算法的计算，是整个系统的核心部分。

数据的呈现采用的是Web网页形式，由CGI脚本语言来执行网页的请求，并从嵌入式数据库SQLite中读取数据，作出处理后把结果以网页形式返回。系统做到了实时的监测电器的电能参数，并能够作出分析，给出用户用电建议。

2 系统设计与实现

2.1 家用电器的多特征参数提取

一个家庭的家用电器有十几种。大致有照明设备、电视、空调、洗衣机、冰箱、微波炉、电饭煲、洗浴电器以及各种充电设备[3]。通过对以上电器的电能参数特性分析，可以提取以下四种特征参数：电流互相关系数R（xi，yi）、有功功率P，功率因数cosφ（其中φ为功率因数角）以及电流波形的波动系数BD。相关系数是衡量两个变量间相关程度的统计量[4]，其定义公式为：

2.2 家用电器的模式识别

家用电器的模式识别分为电器的状态识别和电器的类型识别。其中状态识别包括电器的开关状态和多种工作模式；而电器的类型识别要求根据电器的特征参数识别出电器的具体类型[6]。

2.2.1 电器的状态识别

本系统能主要是识别电启动的开关状态，对于电器的多状态识别方法可以类比。对于开关状态的识别首先要对电器的稳态和暂态区域做出识别。给出几种电器的电流包络图像，具体如图2、图3所示。

由图2可以观察到，电器的电流分为稳态区和暂态区。电器启动的过程中电流的波动比较大，位于暂态区，因此应该首先识别出采集数据的稳态区。本文通过对多种电器的暂态区域和稳态区域的电流波形的分析可知：电器的暂态区域一般不超过90个采样点，并且稳态区域的电流波动一般不超过0.05A。因此，本文在状态识别过程中，为了保守起见选取120个采样点的数据进行分析。首先，求出第i+1个采样电流值与第i个采样电流值之差：

如果此时的电流波动值大于0.05，则本次采样的电流处于暂态区，进行重新采样，否则电器处于稳态区。然后，求出稳态区电流的最小值和电器的平均功率，如果电器的电流的最小值小于0.1 A，并且平均功率小于5 W则电器处于关断状态，否则处于运行状态。在这里，通过电器的特征参数的观察电器的待机功耗一般小于5 W，而大于5 W的待机功耗我们等价为一个节能灯设备。

2.2.2 电器类型的识别

电器类型的识别包括不同类型的电器识别和不同品牌的电器识别[7]。本文家用电器的类型识别是依据本文提出的电器的多特征参数，在进行类型辨别之前建立起家用电器的样本库，通过计算与样本库最相似的电器类型作为本次识别的结果。由于各种电器间的多特征参数存在着很大的相似性，所以本文采用参数的交叉赋值法来进行识别。

2.3 智能预测算法设计

为了达到节能的目的，系统采用了智能预测算法，能够提前预知电器的预测值，进而提前给出开关动作。

2.4 系统硬件设计

本系统的硬件设计分为以下几个部分：数据采集模块和控制模块，无线收发模块，主控器部分。其中无线收发模块和主控器部分是系统研究重点，这里给予详细说明。

2.4.1 无线收发模块设计

本文中的无线收发模块采用的是ZigBee无线传输协议，芯片选择的是TI公司的CC2530。ZigBee是一种低功耗、短距离、可自组网的无线通信技术。其网络模型分为星型网络、树状网络、网状网络，本系统采用了星型网络，该网络模型具有维护简单、重新配置灵活、故障隔离和检测容易等优点。

2.4.2 主控器模块设计

主控器采用的是ARM+Linux的架构，其中ARM芯片选择的是三星公司的S3C2440芯片。该芯片的外设支持丰富，工作频率最高可达533 MHz，可以满足算法的需要。网络接口芯片采用的是DM9000网卡芯片，该芯片支持10/100M网络传输，与S3C2440采用16为总线通信。主控器与ZigBee无线模块采用串口通信，通信频率在9 600 b/s的波特率。有SD卡电路，用于保存数据库的信息。

2.5 系统软件设计

本系统的软件设计包括电器状态识别、电器类型识别、电器的智能预测以及电器的数据存储与呈现。系统主程序流程图如图4所示。

系统初始化之后，检测到有新设备加入时会进入中断1。中断1的主要工作是进行电器状态和电器类型的识别，并把结果存入数据库。

系统有命令发送时，进入中断2。中断2的主要工作是将命令通过串口传给协调器，然后协调器下发至终端节点，并控制继电器做出相应动作。

3 实验与分析

3.1 电器开关状态识别

电器开关状态识别主要步骤为：首先，对电器的电能参数进行采样，读取120个采样点的数据，然后按下式进行计算：

3.2 电器类型识别

电器类型识别的主要步骤为：首先，判断电器是否进入稳态区。如果进入稳态区，则进行类型识别。然后，计算特征参数，与模型库进行对比计算，得出识别参数：d_r[i]，d_p[i]，d_pf[i]，d_fc[i]，并据此得出电器类型识别矩阵d_num[i][j]，然后按权值矩阵：

4 结 语

随着人类生活水平的提高和智能家居的普及，家居电器的模式识别和节能控制是我们必须面对的问题[10]。本文提出的一种基于电器多特征参数的模式识别能够辨识种类繁多的电器，这将对于家居电器类大数据的分析提供丰富的数据来源，对于家电公司具有十分现实的经济价值。节能控制系统能够智能的管理家居电器，减少能耗，具有一定的发展前景。

参 考 文 献

[1]彭金华，舒少龙，林峰. 家庭能耗管理系统研究综述[J]. 电力需求侧管理，2011（1）：35-38.

[2]杨毅，苗升伍. 能源管理系统在智能建筑中的应用研究[J]. 智能建筑与城市信息，2012（1）：70-74.

[3]王晓曼. 智能家居无线监控与节能管理系统研究[D].西安：西安建筑科技大学，2011.

[4]侍必胜. 家庭能耗管理系统的设计与实现[D].南京：南京信息工程大学，2012.

[5]刘志敏. 智能住宅中电器的节能控制算法的研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[6]雷冬梅. 非侵入式电路故障诊断及家用电器用电状况在线监测算法研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[7] ZHOU Suyang， WU Zhi， LI Jianing . Real-time Energy Control Approach for Smart Home Energy Management System [J]. Electric Power Components and Systems，2014，5341 5344.

[8]崔茭. 基于ARM和ZIGBEE的物联网智能家居系统的设计[D].上海：东华大学，2013.

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关键词:建筑节能 监管 监测 分类分项 节能措施

中图分类号:F206 文献标识码:A

文章编号:1004-4914(2010)05-062-01

一、前言

随着人口危机、能源危机、环境危机日趋严重,人们越来越注重环境保护和能源节约,节能环保成为21世纪社会的主题。世界各国越来越重视节能减排工作的开展,并在世界范围内展开协作,共同应对能源危机、全球变暖等人类共同面临的课题。

二、节能减排的现实意义

20世纪我国经济增长快速,各项建设取得巨大成就,但同时也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,环境污染问题严重。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增长方式,将导致资源支撑不住,环境容纳不下,社会承受不起,经济发展也必然难以为继。

节能减排意义深远,是关乎子孙后代的一项政策措施。节能减排就是减少能源消耗,降低废气排放。节能减排和环境保护紧密相关,相互统一相互促进。

只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展,才能实现经济快速可持续发展。同时,温室气体排放引起全球气候变暖,加强节能减排工作,也是应对全球气候变化的迫切需要,是我们应该承担的国际社会责任。

三、节能减排目标实现的保证

我国“十一五”规划纲要提出,“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%。这是贯彻落实科学发展观,构建社会主义和谐社会的重大举措,是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择,是推进经济结构调整,转变增长方式的必由之路,是维护中华民族长远利益的必然要求。

要实现节能减排目标,笔者认为,可从以下几个方面采取措施:一是调整优化结构,控制高能耗、高污染行业增长,淘汰落后生产能力;二是鼓励创新模式,发展循环型经济,推进资源综合利用,全面发展清洁生产;三是发展科技,加快节能技术研发和推广,建立节能技术服务体系,加强合作交流;四是完善节能减排政策,建立完善监测考核体系及制度;五是健全法制,加强宣传,完善节能环保标准,提高全民节约意识。

四、建筑节能监管系统建设

开展建筑楼宇节能降耗行动,提高建筑能源利用率是减少能源消耗、保护环境的有效途径之一,也是我国走绿色建筑,低能耗建筑道路的重要内容。这对于提高能源利用效率,缓解社会经济发展面临的能源和环境约束,完成“十一五”规划目标有着十分重要的意义。

建筑节能监管监测系统就是依据《中华人民共和国节约能源法》、《公共机构节能条例》、《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑分项能耗数据传输技术导则》、《国家机关办公建筑和大型公共建筑楼宇分项计量设计安装技术导则》等政策文件提出的需求而研发出的。

1.节能监管监测系统的作用。节能监管监测系统,针对建筑能源消耗特点,通过采集能耗实时数据,即时监测及记录每栋建筑用能状况;通过数据挖掘分析,降低待机能耗,提高系统设备效率,达到管理节能目标;同时监测和统计每个部门能耗实际用量,作为各单位部门考核指标,约束各单位部门行为节能;另外,又能为评价改造前后用能效果,提供可靠详实的数据。节能监管监测系统对于节能降耗的国家战略具有极其重要的意义。

节能监管监测系统改变过去能源使用的粗放型管理模式,能够实时监测建筑用电、用气、用油、用水等各种参数,包括三相电压、三相电流、三相有功电度、功率因素、水量、油量等,这将使能源使用的时间、环境和使用量清晰地展现在人们的面前,帮助人们能够及时发现能源使用过程中出现的问题,在此基础上实现良好的节能效果。

节能监管监测系统的使用将使节能改造工程能够得到准确的效果验证,通过对改造前后用能量的测量和对比分析,可以准确地计算出节能量,使物业提高能源利用效率,提升竞争力。

2.节能监管监测系统的组成。节能监管监测系统按功能划分为:数据采集、数据存储、系统应用。(1)数据采集层。各计量点仪表,通过RS485总线方式组网,将实时数据发送至能源管理工作站。(2)数据存储层。采集到的能耗数据存储在能源管理工作站,再经过预处理程序,按照分类能耗、分项能耗、分户能耗等实际需要的数据格式永久保存在数据库中。(3)系统应用层。应用软件层,可实现能耗数据实时巡检、能源消耗监视、能源消耗图形显示、记录打印、报警、趋势分析等功能,通过账号和权限管理,能够按责任分成不同的领域。经过授权通过互联网络,实现异地浏览功能,可以对数据远程调用、存储、并进行显示。

3.节能监管监测系统的主要功能模块。节能监管监测系统平台软件为决策层、管理层和操作层分别提供了不同的功能做到能源的逐级管理(如下图),使不同职位职责明晰,分工明确,可以有效监测节能目标。

监管平台可实现如下功能:实时采集监测、分类、分项、分户能耗分析,待机能耗分析、趋势分析、能源诊断、节能潜力挖掘、能耗报警、运行日志管理、登录权限管理。

对于节能管理监测信息中心,还要实现以下功能:能源审计功能、能耗监测功能、能耗公示功能、制度建设功能。

五、节能监管平台监测指导下的节能措施

通过节能监管监测系统的建设,可随时监测到建筑的用能异常、用能超标以及节能效果,监管系统通过横向纵向的对比,全面细致地分析、挖掘节能空间,给出节能方向。

针对“跑、冒、滴、漏”造成的能源消耗,可以及时告知值班人员处理;对于因为人员使用造成的能耗超标,可以采取行政措施,定时限电,按量供水,以及通过奖惩制度进行引导;采用节能新产品,如更换高效节能灯管、采用高效流体泵等;采用系统化的新技术,如冰蓄冷技术、太阳能供电、太阳能热水系统等;通过技术创新,进行系统节能改造,如循环水泵的变频控制改造、中央空调机组系统智能模糊控制等;通过以上行政手段和诸多技术手段的综合运用,来实现节能监管监测平台给出的节能潜力挖掘。

六、结语

节能监管监测系统是在节能减排的国际大形势下应运而生,其功能也会在综合应用中得到不断发展和完善,结合不断发展的节能新技术运用,必将在节能环保大业中作出应有的贡献。

参考文献:

1.金振星.大型公共建筑节能监管制度设计研究.暖通空调,2007(8)

2.马秀力.公共建筑节能监管体系探讨.门窗,2009(11)

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1 模拟目标项目概况

实际模拟的高校属于我国重点高校，随着建设规模的不断增大能源消耗量非常大，主要表现在以下几个方面：首先该校园处于建设发展时期，因此每年用能量均处在不断增长中。例如，不断改善校园环境以及办公、科研、后勤软硬件等，均导致耗能的增加。另外，学校不但从事正常的教学工作，而且在服务社会以及科技创新方面的投入不断增加致使能源消耗增加。当前学校年用电量超过2300万kWh，其中生活用电占40%，科研用电将近48%，其余为教学用电；其次，学校拥有多个校区且多数小区年代已久很多设备性能老化，一方面增加了管理难度，另一方面耗能量较为严重。

模拟高校建筑分类参照已经公布的大型公共建筑分类方法，结合校园特点进行修订。即在大型公共建筑的关于建筑分类的“学校建筑”编码后增设子项编码，以对应校园建筑的不同使用功能和用途。子项编码分为以下14类。

a.行政办公建筑

b.教学楼建筑

c.实验实训楼建筑

d.学术报告厅建筑

e.综合楼建筑

f.信息中心楼建筑

g.校企合作科研实验室、工厂

h.体育场馆类建筑

i.食堂餐厅

j.学生活中心

k.学生宿舍

l.学生创业园

m.医疗中心

n.其他

2 节能监测实训系统设计目标

通过合理的规划和设计主要实现以下目标：利用数字电表采集用电数据信息，并经过智能电表网关传送到能耗管理中心，管理人员借助相关软件对用电信息进行处理和分析，进而为校园各用电部门提供参考。另外，设计时为了减少投资成本，要求以“因校制宜，简约可靠”为原则，充分利用已有资源。

3 节能监测实训系统架构

节能监管系统主要适用于对校园建筑设施能耗的计量、数据分析、数据统计、节能分析及节能指标管理，区别与一般以对建筑设备系统进行自动控制为主要目的的建筑智能控制系统（BA系统）和以收费管理为主要目的的水电气表远程集抄系统。但鼓励共享建筑智能控制系统的相关数据。

校园建筑节能监管系统由计量表具、数据采集及转换装置（本导则简称网关设备）、数据传输网络、数据中转站、数据服务器、管理软件组成。

系统应基于互联网技术、采用BS软件构架。

系统应具备能耗数据实时采集和通讯、远程传输、自动分类统计、数据分析、指标比对、图表显示、报表管理、数据储存、数据上传等功能；满足校园节能监管内容及要求。

3.1 计量类型

为了满足国家相关部门制定的节能监测系统建设要求，前端计量装置应进行分类、分区、分户的电能统计。因此，应将校园用电划分为不同的类型，并根据不同类型配备专门电能计量设备。该校园用电类型主要分为照明、空调、动力以及特殊用电四种类型，其中照明用电包括各建筑物以及照明区域中的用电；空调用电指为校园各建筑物提供采暖、空调服务的设备用电，例如锅炉、冷冻机组等；动力用电指生活用水、自来水加压、电梯等能够提供动力服务的用电；特殊用电指校园常规用电之外的用电，例如洗衣房、信息中心、实验设备等。

3.2 划分计量单元

根据该校园建筑分布特点，在参考不同的计量分类的基础上划分不同的计量单元。

首先，为了实现对用电负荷运行情况的实时监测，为电能的计量和管理提供方便，学校后勤应结合教学区楼群分布和楼层的实际情况，划分合理的计量单元；其次，将办公区、院系楼、学科等部门划分不同的计量单元。该校办公区大部分为单相用户，因此应根据不同的房间划分计量单元，尤其应注重细节方面的设计。例如在不同的办公室安装剩余电流保护装置，并在不同楼层集中安装数字电表，而在群楼安装三相数字电表，进而能够评估和掌握不同单元耗能情况。该校实验室安装有动力配电箱，从而能够为室内的动力装置和空调提供电能，为此需要对该部分电路进行一定的改造，即将室内的插座和照明负荷均接入动力配电箱中，并将三相和单相数字电表集中安装在不同楼层中，将三相数字电表设置在楼群中。针对实验室公共部分的用电应进行分开计量；最后，划分学生宿舍、服务实体、教学生活辅助用房计量单元。其中考虑到学生宿舍不同房间已安装计量装置，设计时为实现对原有设施用电情况的计量，应安装三相数字电表进而能够将用电数据传输到用电管理中心；餐厅、礼堂、图书馆服务实体以及生活辅助用房，均应在楼群中按照三相数字电表。

4 监测实训系统硬件设计

4.1 监测系统硬件结构

为了保证监测系统硬件设计的合理性，应对其整体结构进行全面的把握。该校园节能监测准备利用集散控制系统，该系统由管理中心、通信网络、采集设备三部分构成。其中管理中心在遵守TCP/IP协议的基础上连接在校园网络中，其较为重要的部分为计费系统。计费系统主要负责用电信息的统计和用电费用的结算，另外，还能对网损、线损以及电量平衡等进行考核；为实现自动化通信，数字电表的接口方式为异步半双工RS485接口，在该接口下每个智能电表网关可接入256×128台数字电报，并按照Modbus-RTU协议要求进行通信，距离可达一千米。通信网络架设主要利用较为经济的双绞线结构；现场电能信息的采集是整个监测系统的基础由数字电表和断路器组成，其中数字电表分布在不同房间和楼层、楼中，设置在配电柜中并通过电表网关连接在校园上。

4.2 监测系统硬件评估

首先，经过全面的分析，设计时系统硬件结构符合国家规范关于建设节约型校园的要求；其次，智能电表网关通信方式多种多样，不管用电信息的采集还是传输优势较为明显。另外数据信息传输主要以有线和无线结合方式进行，因此保证了用电信息传输的可靠性；再次，智能电表网拥有较高的数据采集速度，能够接入不同计量设备的接入。而且数字电表和位于网关中的数字采集器连接形式为星形，该结构不但工作性能稳定，而且当有大量数字电表接入时，能够有效解决可变波特率、冲突、寻址等问题；最后，通常情况下，不同类型的数字电表采用的通信协议和串口参数不同，而智能电表网关可以接入不同类型的数字电表，并且不同端口之间的工作互不影响。

5 监测实训系统软件设计

5.1 监测系统软件体系

节能监测系统中管理系统采用面向对象的软件进行管理，能够根据不同的应用功能将服务对象划分不同的类型。设计时最为重要的部分为将服务数据基础框架搭建完成，接着在其中加载各种服务对象。另外，在节能技术不断发展的基础上，管理平台可对框架中的数据进行更新，以满足节能的各项要求。

5.2 监测系统应用软件组成

监测系统应用软件能够提供数据采集通信、数据采集数据解析、数据采集数据处理、分项能耗结算服务。其中数据采集通信服务接收和存储智能电表网的数据包，主要通过Socket协议实现（软件流程如图1所示）；数据解析服务主要任务在于读取智能电网卡数据包，并将其解析成结构化的记录，并将解析后的数据信息存储在对应的数据库中；数据处理主要负责三个方面工作：首先，读取出解析后的结构化数据；其次，对结构化数据的准确性和合理性进行检查；最后，将用电设备的日结算记录以及各项能耗用量计算出来；分项能耗结算服务负责分项能耗用量的读取以及能耗日志记录的计算工作。

6 预测节能目标

根据模拟建筑可能的不同用电运行模式，通过制定节能工作计划，应用节能监测系统并结合使用加强供电设备维护，不断优化低成本控制措施等方法，对该系统节能目标进行计算评估可知该体系可节约能耗超过20%，累计节约用电2100万kWh，能为学校节省大量用电成本开支，符合建设节约型校园的目标要求。

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关键词： 传感器网络； 节点能耗监测； 软件设计； 数据采集

中图分类号： TN931+.3?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0053?03

Abstract： A new software for node energy consumption monitoring in sensor network was design for prolong the working life of the node. The hardware of the node energy consumption monitoring system for sensor network is mainly composed of FPGA and control board. The designed software controls the working process of both FPGA and control board. FPGA carries out continuous acquisition and analog?to?digital conversion of node energy consumption data in sensor network by means of the collection program and the node energy consumption identification code given by the software. The node energy consumption data converted into digital signal is packaged according to the collection procedures， and transferred to the control panel. The control panel is used to reconstruct the encapsulated data according to the data reading process to obtain and parse the complete node energy consumption data， and then give out some suggestions about node energy consumption adjustment to realize the monitoring of energy consumption of sensor network nodes. The experimental verification result shows that the designed software has remote monitoring distance， and can prolong the working life of sensor nodes.

Keywords： sensor network； node energy consumption monitoring； software design； data acquisition

0 引 言

近年来，随着学术界对传感器网络研究的逐渐加深，传感器网络已被广泛应用于温湿度、城市光污染、速度和压力等方面的探测中，对改善居民生活方式、增强企业效益具有重要作用。在未来，传感器网络的应用将会更加广泛[1?3]。在国家大力提倡节能的当今社会，学术界开始关注到传感器网络中的节点能耗问题。在以往设计出的传感器网络节点能耗监测软件中，由于受到传感器网络中庞大的节点规模限制，软件的监测距离较短，并无法有效延长节点工作寿命，高性能的传感器网络节点能耗监测软件仍待开发[4?6]。

1 传感器网络中的节点能耗监测软件设计

1.1 FPGA软件设计

采集程序利用规格为50 MHz的看门狗计时器为FPGA的采集工作计时，这种计时器能够为FPGA提供0.02 μs的采集间隔。也就是说，加入50 MHz看门狗计时器的采集程序能够使FPGA每隔0.02 μs便采集到一个传感器网络节点能耗数据。这种采集工作的效率非常高，为了避免效率过高造成的节点能耗数据丢失和乱码情况，所设计的采集程序将对节点能耗数据进行数据封装，具体封装格式于表1中给出。

由表1可知，一个传感器网络节点能耗数据的字节共有16位，所设计的采集程序将这16位字节分成4段。封装时，在每段字节的前面放置2位特定字节、后面放置6位计算字节。当需要提取被封装后的传感器网络节点能耗数据时，应先对其进行逆向字节删除，再重构4段字节，即可获取FPGA采集到的、完整的节点能耗数据。

节点能耗识别码的作用是：保护FPGA采集到的节点能耗数据免受网络入侵，维持数据的自身完整性和传输稳定性，图1为节点能耗识别码写入原理图。

由图1可知，传感器网络节点能耗监测软件所提供的节点能耗识别码包括复位码、计时码、A/D码和输出控制码，这些节点能耗识别码能够帮助软件获取到更远的监测距离。当FPGA根据采集程序采集到传感器网络节点能耗数据，并经由输出控制码通过串口输出后，传感器网络节点能耗监测软件将使用A/D码对其进行模/数转换，计时码在模/数转换过程中提供计时服务。复位码为FPGA串口提供初始化服务，通常与软件的初始化共同进行。

1.2 控制板软件设计

经由传感器网络节点能耗监测软件控制FPGA后，控制板所接收到的每个节点能耗数据均为4段，这导致控制板在读取节点能耗数据时，将不可避免地出现4段数据顺序错乱的情况。为此，需要对控制板数据读取流程进行软件控制，如图2所示。

由图2可知，在表1中，采集程序为节点能耗数据中4段数据的前两位均赋予了不同的前端字节，依次是03，05，13和15。在控制器读取流程中，所设计的传感器网络节点能耗监测软件根据前端字节的不同，对节点能耗数据中的4段数据进行排序，进而延长节点工作寿命。控制器读取流程对每个节点能耗数据运行4次循环，以获取完整的传感器网络节点能耗数据。

2 传感器网络节点能耗监测的软件实现

当传感器网络节点能耗数据被完整获取后，控制板将对传感器网络节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。所设计的传感器W络节点能耗监测软件将对控制板节点能耗监测工作的功能进行实现，如图3所示。

由图3可知，为了实现传感器网络的节点能耗监测，软件给予控制板两项功能，分别是能耗监测对比功能和通信功能。通信功能使用传感器网络接口以及软件、硬件连接接口，将节点能耗数据输入到能耗监测对比功能中的传感器网络模型。对该模型的不同节点进行对比可获取对比数据集合1，再将模型与软件内置的传感器网络模型进行相同位置同一节点的能耗对比，可获取对比数据集合2。

将2个对比数据集合汇总，经由功能软件接口中的实现代码进行解析，可获取最终的节点能耗调节建议，进而实现传感器网络节点能耗监测软件对传感器网络节点能耗的有效监测。

3 实验验证

3.1 实验平台的搭建

将三种软件分别安装在如图4所示的传感器网络节点能耗监测系统上。实验采取圆形区域监测方式，方便数据记录。

3.2 监测距离实验结果分析

监测距离包含监控距离和探测距离。在本文实验中，监控距离是指能够采集到传感器网络有效数据的软件延伸半径，而探测距离则是指能够对采集到的数据进行有效重构的软件延伸半径。实验中，依次增加圆形监测区域半径，三种软件的监控距离和探测距离曲线如图5、图6所示。

由图5可知，本文软件监控距离曲线的横纵坐标数值几乎一致，证明本文软件能够准确采集到传感器网络的有效数据，监控距离较远。而TOSSIM软件和DUTTA软件的监控距离均不如本文软件。

由图6可知，TOSSIM软件和DUTTA软件的探测距离曲线均存在较大的波动，且数值较低，表明这两种软件的探测性能不强，因此检测距离较近。本文软件的探测距离曲线则仅存在微小波动，与监控距离相比并无较大的下降。

以上实验结果能够验证，本文软件具有较远的监测距离。

4 结 论

在传感器网络节点能耗监测系统中，FPGA负责进行传感器网络节点能耗数据的持续采集，控制板对节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。本文设计的传感器网络节点能耗监测软件可为FPGA和控制板的工作流程提供优良的软件控制。实验对比了本文软件、TOSSIM软件和DUTTA软件的监测距离和节点工作寿命延长性能。结果表明，本文所设计的软件监测距离较远、节点工作寿命延长性能颇佳。

参考文献

[1] 王改云，胡锦艳.基于BP神经网络和蚁群的WSN分簇算法的研究[J].现代电子技术，2015，38（17）：45?48.

[2] 张其，袁纵横，梁丁，等.基于MPU6000的低功耗无线人体传感器网络节点设计[J].计算机测量与控制，2014，22（2）：539?541.

[3] 程明月，马娅婕，赵蕾，等.一种基于空间相关性的WSNs节点睡眠调度算法[J].传感器与微系统，2015，34（11）：143?146.

[4] 张聚伟，刘亚闯.基于信度势场算法的水下传感网络部署及仿真[J].系统仿真学报，2015，27（5）：1030?1037.

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1分布式电力监测系统对通信网络的要求

对于分布式电力监测系统，联系各个智能装置的通信网络是整个系统的关键，通信网络的选择将直接影响系统的安全性、实时性、可靠性.(1)可靠性和安全性由于电力供应的连续性和重要性，通信网络的可靠性和安全性应是第一位的.(2)良好的实时性由于电力系统中故障保护、开关变位、遥控返校等信息要快速传递，所以网络应具有良好的实时性。(3)良好的环境适应性能适应变电站的强电磁干扰和电磁污染.

2现场总线CANBUS的特点

CAN总线是英文ControlAre。Net的缩写，该网络最初是为汽车电子系统开发的，专为强干扰环境下实时监控系统使用，具有许多其他网络无可比拟的优点，得到了广泛的应用.现INTEL、PHILIPS、MOTOROLA等公司都有支持CAN网络的产品投放市场.

2.1多主工作方式

CANBUS可以多主方式工作，网上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活.利用这一特点可方便地构成多机备份系统.

2.2冲突避免(CA)技术

CANBUS采用冲突避免技术，既一旦发现冲撞，优先级低的节点主动停止发送，优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间.这一点对保证重要数据的实时性有重大意义.例如:变电站中开关变位、事故跳闸、遥控返校等信息需要立即发送，可以占有较高优先级.CANBUS网络节点具有128个优先级.

2.3强有力的错误控制及错误盆发功能

采用CRC校验方式，每帧数据不可检查的错误小于10一”，具有很高的可靠性.CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

2.4通信距离

通信距离长，CANBUS的最大通信距离为10km.

2.5通信速率通信速率高，CANBUS的最大通信速率为IMb/s.

3分布式电力监测系统的结构及应用

分布式电力监测系统由CANBUS网络、现场智能仪表、上位监控软件构成，以下结合广州港新沙机械化粮库电力监测系统的实例进行分析。广州港新沙机械化粮库电力监测系统结构如图1所示。

3.1新沙粮库电力监测系统概况

广州港新沙机械化粮库是国家“九五”重点建设项目，粮库工作塔安装的斗提取料机生产能力为5。。t/h，它的配套低压电机容量为132kw，这在低压电机中属大容量电机.同时应用场合为粮食提升，有空载、重载、负载变化等工况，甚至有重载启动等特殊工况.在这些工况下，为保证电机的正常工作，需要实时监测电机的工作状态，因此我们设计安装了基于CAN现场总线的电力监测系统.本电力监测系统的设备分布于综合楼八层的中央控制室和楼房仓二层低压电气室，两地电缆距离220m，其中监控计算机安装于中央控制室，电力监测智能仪表安装于低压室低压电器柜附近的电力监测柜，两部分通过屏蔽双纹线通信。监控计算机上配t组态监控软件，可直观的显示各被监测电机的工作情况，并作详细记录.

3.2CANBUS网络

CANBUS网络由分布于现场、控制室的各个节点和网络通信介质组成。3.么1网络拓扑结构系统采用的CAN-BUS网络为二线总线制串行网络，上位监控计算机采用双机冗余热备方式，当主机出现故障时，自动切换至从机，实现不间断监控.各现场节点按需要设置于变电所或机侧，通过网络通信线串行连接，可任意增加或删除节点.网络通信距离可延伸至10km，网络上的节点可达到110个，当需要监测更多的节点时，可通过加设网络控制器增加网段数来实现.3.2.2节点现场的节点具体为智能电力监测仪表内的智能CAN通信接口卡，控制室的节点具体为插入监控计算机的智能CAN通信接口卡。智能CAN通信接口卡由CPU、双口RAM、CAN总线控制器、CAN总线收发器组成，可独立地完成通信工作.智能CAN通信接口卡实现的功能为和主CPU交换数据，实现CAN协议规范，完成物理电平转换.

3.2.3网络介质

网络介质为屏蔽双绞线，网络两端安装终端匹配电阻，每个节点配置TVP瞬变电压抑制二极管，可有效地抑制串入网络线的浪涌脉冲，防止瞬变电压损坏CAN接口器件，使网络稳定运行于电磁干扰强的变电站环境或露天长距离传输环境.

3.3现场电力监测智能仪表

电力监测智能仪表的型号为Aucutech一100，具有CANBUS通信接口，安装在变电所开关柜、MCC柜内，监测一回输电线路，完成PT、CT信号的采集，并进行电量的运算和显示，通过挂接开关量输入/输出模块和模拟量输入模块，可实现遥测和遥控功能.

3.4上位监控软件

监控计算机硬件为奔腾级PC机，内插智能CAN通信接口卡，采用wIN95操作系统.监控软件由通信监控软件和电力监控组态软件组成。

3.4.1通信监控软件

通信监控软件的功能为完成网络通信的收发和监控，软件设计为开放式结构，可通过DDE服务程序和流行的人机界面软件(如INTOUCH、FIX)动态双向交换数据.

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关键词:体域网;体征监测;异构的生理传感器;低功耗调度

中图分类号: TP212.9 文献标志码:A

Lowpower scheduling scheme for wireless physiological monitoring system

LIU Hao*, LI Weimin, LI Xiaoli

(

Engineering Research Center of Digitized Textile and Fashion Technology (Donghua University),

Ministry of Education, Shanghai 201620, China

)

Abstract:

Based on UltraWideBand (UWB) Body Area Network (BAN) and heterogeneous biosensors, a kind of wireless physiological monitoring system was designed, which could acquire and process multiple physiological signals. For reducing the total energy consumption, a lowpower scheduling scheme was further proposed so as to provide longterm continuous sensing for wearers health and safety. According to the physiological state machine of the monitoring system, a coordinator could adaptively determine the biosensor set for next monitoring cycle, and those selected biosensors can cooperatively process the heterogeneous data. The simulation results show that with the same monitoring conditions, the proposed scheme can effectively reduce the biosensors invalid operation and wireless data transmission, and thus extend the operational lifetime of the BANbased monitoring system.

Key words:

Body Area Network (BAN); physiological monitoring; heterogeneous biosensor; lowpower scheduling

0 引言

近年来,随着可穿戴计算和生物信息传感技术的飞速发展,无线体征监测系统(Wireless Physiological Monitoring System, WPMS)能够在人体自然状态下对体征状况进行长期的无创连续监测,并根据系统设置进行实时的状态指示或异常体征告警[1-2]。一方面,人体的病变与康复是一个日积月累的过程,无线体征监测系统连续地检测各种生理信息,可对生理趋势或治疗效果进行跟踪分析,有助于疾病的早期发现或康复治疗,并在体征异常的情况下做出应急反应[3]。为了实现长期监测的目标,Chen等[4]针对无线体征监测应用提出了一种低功耗的微控制器设计方案,有效降低了电路系统的功耗。另一方面,心脏病发作或跌倒中风等异常体征状况具有很大的偶然性和突发性。为此,秦晓华等[5]采用分层体系结构开发了一种可穿戴的体征监测系统,实现了心率检测、跌倒检测、紧急呼叫与GPS定位等功能,以帮助减少异常体征状况对穿戴者生命的威胁。未来,无线体征监测系统一方面将能够监测更多的生理信息,以实现全方位的体征监测;另一方面系统将朝着舒适、安全、易用等方向发展[6]。

体域网(Body Area Network, BAN)又称体域传感网(Body Sensor Network, BSN),通常由分布在人体上或植入体内的一个协调器和若干生理传感器组成,且依赖于电池供电[7]。不同于一般的无线传感网络,体域网仅在人体区域内进行近距离的通信,协调器作为其中心节点,与多个生理传感器构成星形的网络拓扑结构,不需要耗能的路由操作。针对医疗保健类应用,IEEE 802.15.6等国际组织正在进行体域网的标准化工作,以期实现低生理负荷、低心理负担的无线体征监测[8]。目前,体域网主要采用3种短距无线通信技术:超宽带(UltraWideBand, UWB)、Bluetooth和ZigBee。相对于Bluetooth与ZigBee,UWB使用500 MHz以上的传输带宽,具有传输视线无限制、抗干扰性强、功耗低和对人体影响小等诸多优势,因此UWB体域网有望成为未来各种无线体征监测系统的通信平台[9]。

无线体征监测系统需要持续地获取各种生理信息,多个生理传感器的联合调度对于延长此类系统的工作寿命是非常重要的[10]。在通常的无线体征监测系统中[11],各个生理传感器按照给定的感知模式独立地进行监测,由协调器循环地调度各生理传感器的数据传输。无线通信研究表明,每比特数据的平均传输功耗随着瞬时传输速率的增加而减少。因此对于无线体征监测,Ghasemzadeh等[12]提出通过贪婪缓存分配算法对各生理传感器的无线数据传输进行联合调度,在延时约束下使无线数据突发传输,以减少整个系统的功耗。在已有的调度方法中,无论穿戴者的体征状况如何,所有生理传感器都会周期性地向协调器传输数据,这可能导致大量无效的生理数据。

本文的目标在于针对现有调度机制的不足,为无线体征监测系统提供一种较低功耗的调度方法。基于UWB体域网和异构的生理传感器,本文针对该类系统提出了一种基于体征状态机的低功耗调度方法,以满足长期体征监测的需求。

1 无线体征监测系统的架构

在完成穿戴者的个人特征输入之后,无线体征监测系统能够对多种生理信息进行连续监测,并通过体域网将生理数据传输给协调器,协调器对收到的异构数据进行分析和存储,随后向各生理传感器发送控制信令。图1给出了无线体征监测系统的基本结构,该系统需要部署一个协调器以及b1~b6等6个异构的生理传感器,无线通信采用星形拓扑的UWB体域网。在网络配置完成之后,协调器负责无线网络的维护和管理,包括信道共享、通信同步、数据提取等;生理传感器负责各种生理信息的采集和监测,并对生理信号进行放大、滤波、模数转换(AnalogDigital conversion, A/D)、压缩编码等处理,然后通过无线接口向协调器传输。协调器是一个具有多模无线收发功能的数据汇聚点,负责调度各生理传感器的工作时间,并通过异构多源信息融合技术来分析当前的体征状况;同时,协调器还能与3G/4G等广域外网连接,当穿戴者出现危险情况时自动向家人或急救中心报警。

典型的生理传感器包括心电、脑电、脉搏、体温、呼吸、血压、血氧、陀螺仪、加速度、肌电等。对于无线体征监测系统,图2给出了多种生理传感器与协调器在人体上进行布局的应用示意图,各生理传感器分别安置于穿戴者的某一部位,并将采集的生理数据通过体域网发送至协调器。穿戴式设计必须综合考虑临床医学、人体工学和系统电磁特性等因素,例如,系统可将重量较大的协调器部署在人体腰外侧,心电传感器、脉搏传感器和体温传感器分别安置于胸部、手腕和腋下。

1.1 生理传感器

生理传感器由采集模块、处理器模块、体域通信模块和电源模块4部分组成,各模块协调工作。采集模块负责生理信息的获取,并进行放大、滤波、A/D等信号预处理。生理信号的采集技术尚不成熟,本系统可采用的技术包括:心电采用织物电极方式,脉搏基于压电传感机理,呼吸采用体积描记法,血压采用无创袖套间接方式,血氧采用指脉式透射血氧探头,人体姿态检测采用三轴加速度计或陀螺仪。处理器模块负责控制各个模块,并对采集数据进行压缩编码与缓存。体域通信模块负责将生理数据通过UWB无线方式传输给协调器,并接收来自协调器的控制信令。电源模块负责提供各模块所需能量,且带剩余能量预警功能。系统默认生理传感器无须发送不变的生理数据,这样就减少了无线传输的数据量。此外,生理传感器还可设置启动与否、采样率、A/D精度、压缩比等感知模式,从而以较低的数据量获取生理信息。

1.2 协调器

协调器是无线体征监测系统的调度中枢,它在开机后首先创建一个UWB体域网,接纳各生理传感器的入网请求。在网络建立后,协调器需要根据当前监测情况控制各生理传感器的运行,尽量避免不必要的能量消耗。协调器主要负责如下任务:1)与生理传感器进行通信,包括收集生理数据和发送控制信令;2)利用多源生理数据进行体征评估,将处理获得的特征值与正常门限进行比较,以便监测到可能的健康风险。当监测到异常体征状况时,协调器能提醒穿戴者或采取其他医疗预警措施。例如,在穿戴者生命危急时,协调器将告警信息上传给急救中心,方便定位穿戴者的位置,并及时给予急救。

1.3 UWB体域网的通信机制

能量受限一直是体域网所面临的主要挑战,无线数据传输消耗了大部分的系统能量,从而缩短了系统的工作寿命。对缓存数据进行高速传输是降低无线通信功耗的有效方法,而UWB体域网本质上就具有数据突发传输的特性。在延时允许的前提下,生理数据可在缓冲区中积累到一定程度时,再以突发数据形式和更高的瞬时速度进行发送,以降低系统功耗。一个高效的突发通信机制应在延时允许的情况下,最大限度地减少无线传输次数及无线传输数据量。为保障多路数据传输的稳定性,UWB体域网采用保留通道的时分多址方式,保留通道占用时隙的相关信息在信标时段传送,各个生理传感器使用信标帧来同步传输,传感器之间不会相互干扰。

2 系统调度建模

在无线体征监测系统中,监测周期的长度可根据应用场景进行设定,通常为1s~60s。为叙述方便,先对要用到的符号进行定义:假定系统总共包含K个异构的生理传感器,分别监测K种生理信息;V={1,2,…,K}表示这K个生理传感器组成的最大集合,k∈V表示其中某一生理传感器的索引值;t表示按时间顺序的第t个监测周期,T表示能量耗尽时的总监测周期数。传感器集合V(t)是由第t个监测周期正常运行的生理传感器组成,即V(t)V;Eb(t)表示V(t) 在第t个监测周期的运行能耗,Ec(t)表示协调器在第t个监测周期的运行能耗,E表示整个系统的总能量。进一步地,U(t)表示在第t个监测周期取得的体征监测效用,系统调度的目标就是在总能耗约束下去最大化总的体征监测效用,以获取更有价值的体征信息。这样,本文研究的问题可以用式(1)表示:

max ∑Tt=1U(t)(1)

s.t. ∑Tt=1Eb(t)+∑Tt=1Ec(t)≤E

对于上述受限最优化问题,准确地解析表达式难以实现,本文试图找出一种实际可行的解决方案。因此,本文进一步假定每个监测周期的体征监测效用均相等,且Ec(t)取决于V(t)。这样,式(1)就转化为如下问题:如何有效地选取传感器集合V(t)来增加总监测周期数T。

3 基于体征状态机的调度

无线体征监测系统并不为穿戴者提供精确的体征诊断,而是作为一种辅助的医疗手段。尽管一个人的体征状况本质上具有模糊性,但仍可根据人类的认知水平进行一定的分类。本文将体征状况简单地分成如下五种体征状态机:

健康状态S1 体征状况满足医学意义上健康的生理指标,且与过去收集的特异性生理信息进行比较分析,呈现规律性的生物周期;

亚健康状态S2 体征状况满足医学意义上一般的生理指标,但比较分析得到的生物周期呈现不规律性;

疾病状态S3 体征状况不满足医学意义上一般的生理指标;

重症状态S4 体征状况严重偏离医学意义上的生理指标;

突发危险状态S5 体征状况突然发生危险的改变,例如跌倒、中风等意外伤害。

在本文中,Sn∈{S1,S2,S3,S4,S5}表示体征状况的某一体征状态机。体征状态机的改变通常是一个渐进的、复杂的过程,但也存在跌倒、撞击、心脏病突发等导致的急速转变。图3给出了反映体征状况改变的体征状态机模型,每个体征状态机分别代表一种体征状况,监测系统可在各种体征状态机之间进行转换。当多源生理信息没有实质性的变化时,系统保持同一体征状态机;当多源生理信息有实质变化时,系统将更新体征状态机。例如,假定穿戴者的体征状态机最初在健康状态S1,随后他的血压水平开始逐渐下降,脉搏率开始增加,体征状态机在某一监测周期过渡到亚健康状态S2,进而病情加重过渡到疾病状态S3;在意外跌倒等突发状况下,健康状态S1会立即转到突发危险状态S5,并产生预警;在康复或警报解除的情况下,体征状态机又会回到健康状态S1。

异构的多生理数据之间具有一定的相关性,每种体征状态机应选取一个精简的传感器集合,例如心电、血压、血氧和加速度等传感器结合起来可以确定是心脏病发作还是跳跃、咳嗽等正常活动。因此,本文提出了一种基于体征状态机的系统调度方法,该方法根据当前监测周期的体征状态机确定下一监测周期的传感器集合,其他传感器则进入休眠状态,以便降低整个系统的功耗。根据当前监测周期的体征状态机,体征状况越接近“危险”,系统应在下一监测周期开启更多的生理传感器来进行相对重要的监测。例如,健康状态S1只须开启少量的生理传感器,亚健康状态S2增加生理传感器,疾病状态S3开启更多的生理传感器,重症状态S4开启绝大部分的生理传感器,突发危险状态S5开启所有的生理传感器。在系统完成初始化后,图4给出了基于体征状态机的调度流程,它主要包括以下步骤:

1)获取生理数据。在第t个监测周期,传感器集合V(t)采集并处理穿戴者的生理信息,随后通过UWB体域网传输给协调器;各传感器具有一定的预判能力,如果生理数据不变,则默认不向协调器传输。特别地,在第1个监测周期,所有生理传感器V均进行数据采集与传输。

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关键词：地下水位 动态监测 系统研究

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0011-01

对于地下水位动态监测过程的实现对于促进人们提升水资源的利用率以及水资源利用的合理性都有一定意义。本文就建设地下水位动态监测系统的必要性以及地下水位动态监测系统建设要点进行了分析。

1 建设地下水位动态监测系统的必要性

地下水位动态监测的信息直接影响人们生活以及农业模式的选择。对于地下水状况的掌握需要测量多个和地下水资源有关系的多个参数，其中最重要的就是水位的测量，水位一旦发生某些轻微的变动就会对人们生活生产造成极大的影响。因此加强水位动态监测系统的建立和完善对于促进区域内水资源合理利用有着重要作用。但是就我国目前地下水动态监测系统的建立情况来看，其还存在这许多的问题。目前对于地下水测量的主要方式还以传统简单的方式为主，即在被测量地运用手工放线或者简单测量仪器等对水位进行测量，这种方式受外界因素的影响较大，不利于相关部门对于水位精确变化的掌握。

2 地下水位动态监测系统建设要点

2.1 系统建设的总体目标

地下水位动态监测系统的建立最主要的目的就是为了实现简单、高效的对地下水位进行自动实时监测。在此系统中水位测量数据的采集主要运用的就是相关传感器，当各个监测点经由传感器获得水位数据之后利用相关的数据传输方式把其传至系统终端，从而为相关人员对于数据的分析创造条件。在对水位动态监测系统的建立过程中需要公共电信网通讯技术的支撑，数据传输的方式可以以GSM技术为核心。对于各个监测点水位数据的采集可以采用无线控制技术，像ZIGBEE等。一个完善的水位动态监测系统应改能够实现每天都能对水位进行采集并把所采集的数据进行自我储存的功能，从而为水位动态监测系统功能的发挥奠定基础。

2.2 地下水位动态监测系统的组成部分

地下水监测系统所检测的对象主要为地下水位的高度以及埋藏的长度，所检测的地下水位的数据应该能够自己录入相关的数据库中并能够经处理之后以报表和曲线等形式得以体现。一般情况下一个完整的地下水位检测系统应该由传感器、检测主机RTU以及通信网络等组成。

（1）传感器。

根据传感器的作用机理传感器也叫做换能器、变送器以及探测器等。其在地下水位动态监测过程中所具有的最主要的作用就是对水位的变化情况进行检测和感知，并把所感知的变化情况以数据信号的形式得以体现。在地下水位动态监测系统中所运用的传感器的类型为水位传感器，在对传感器类型进行选择时要把传感器的自身性能、传感器被使用的环境以及成本等因素纳入考虑范围之内。一般情况下，所采用的水位传感器的具体参数如下。

测量范围（FS）：0--50mH2o；

允许过压：2倍满量程压力；

测量介质：与316不锈钢兼容的液体；

综合精度：±0.25%FS；

长期稳定性：典型为±0.1%FS/年；

使用温度范围：一体式为-20～70℃；

零点温度漂移：典型为±0.02%FS/℃， 最大为±0.05%FS/℃；

灵敏度温度漂移：典型为±0.02%FS/℃， 最大为±0.05%FS/℃；

供电范围：12～36VDC（一般24VDC）；

信号输出：4～20mA；

负载电阻：≤（U-12）/0.02Ω；

结构材料：外壳为不锈钢1Cr18Ni9Ni， 膜片不锈钢316L，密封为氟橡胶，电缆为Φ7.2mm聚氯乙烯专用电缆；

绝缘电阻：100MΩ，500VDC；

防雷：三级防雷设计（1万V/5kA）；特殊可（2万V/1万A）；

防护等级：外壳防护等级IP68；

安全防爆：ExiaⅡ CT5；

分辨率：无限小（理论），1/100000（通常）。

（2）监测主机RTU。

在对监测主机RTU进行选择时一定要综合考量其各种性能，尤其是可靠性以及低能耗性要最大程度的满足于系统设计的要求，在主机上要具有各种通信接口以及传感器接口，能够实现查询--应答式和自报式的混合工作制式。另外主机还应该具有定时自检发送、死机自动复位、站址设定、掉电数据保护、实时时钟校准、直观现场显示和设备测试等功能；可显示、主动发送电源电压、端口工作状态；能接受中心站的远程自动校时，计时误差不超过2min/年；能接受中心站的按时段远程下载存储数据等功能。

（3）通信网络。

在地下水位动态监测系统的建立过程中所采用的通信网络主要为公共运营通信网络，在网络的建设过程中需要遵循一定的原则，为了使这种原则能够实现标准化相关部门则定义了数据网络通信协议，当数据在传输过程中，相关数据压缩和打包过程就需要把设定的数据网络协议作为依据，并按照数据协议的标准对数据进行封装，为数据传输的高效实现创造条件。在把数据传输到终端之后，经过相关设备对数据的转换可以使得数据信号转换为人们能够理解的形式。另外为了获取最准确的水位测量信息，相关技术人员应该根据水位测量要求对通信网络的数据传输的频率进行设定，一般情况下8 h采集一次数据，每条数据中记录至少20个字节，一天传输3条。这样下来，一个月所需要的数据流量也不过6KB左右，加上系统运行所需要的必要的心跳包，整体算下来，一个月的数据流量也会小于4M，这能够极大程度的降低数据传输成本以及提升数据传输效率。

3 某地地下水位动态监测系统实例分析

为了更好的了解地下水位动态监测系统建设的过程，该文以某地地下水位动态监测系统的建设过程为例，对地下水位动态监测系统的建设要点进行分析。

在实例中地下水位检测系统所采用的传感器为文中所述传感器。

主机参数如下所示：

值守功耗：≤2mA

传感器供电5V、12V可选，设备工作电压交流220V；

输数模转换：16位高精度ADC采集芯片，转换误差

可靠性指标：在正常维护条件下，设备的MTBF≥25000h；

工作环境：温度-30～+60℃。

可以看出，地下水位动态监测系统的建立和完善不仅能够实现对相关检测地的水位的测量还能够对相关区域的水量数据进行统计。另外整个系统有多个子系统构成，这对于相关人员对于相关数据的准确查询提供了一定的便利条件。

4 结语

通过该文的论述我们可以发现建立一个完善的地下水动态监测系统是十分必要的，地下水动态监测系统的建立能够为人们对于水资源的管理以及利用提供最为可靠的数据依据。