浅谈基于微电网的智慧校园能耗监测系统的设计与产品应用

摘要：针对高校教学建筑能效监管效率低的问题，从系统总体设计、分层设计、硬件系统设计、软件系统设计、功能测试等方面阐述了一种基于物联网技术的智慧校园建筑能效监管系统。通过对能耗监管系统关键功能的测试，测试效果良好，结果符合设计要求。

关键词：能效监管；智慧校园；物联网；能源管理；能耗数据；ZigBee；WiFi；节能改造

0 引言

随着中国社会经济的飞速发展，工业化、现代化进程稳步推进，随之而来的资源、能源的合理利用等问题也时刻影响着经济社会的发展。据《中国建筑能耗报告2020》显示，2005 ~ 2018年期间，建筑运行阶段能耗从4.8亿tce（吨标准煤）增长至9.5亿tce，年平均增长率为5.39%。《重点用能单位节能管理办法》自2018年5月1日起施行，要求重点用能单位提高能源利用效率，控制能源消费总量。有效的建筑能耗监测是实现节约型校园必不可少的重要环节，配备能耗监管系统用于控制能源消费成为迫切需求。本研究针对高校教学建筑能耗现状，设计了一种基于物联网技术的智慧校园建筑能效监管系统。该系统引入ZigBee和WiFi无线传输技术，以一间理想教室为研究对象，采集温度、流量、电量消耗数据，建立相应的数据传输内部组网，借助云服务器平台汇总数据，分析教室空调制冷、水暖供暖的能源效率，从而清楚地掌控校园建筑的能源消耗情况并为节能改造提供依据。

1 系统总体设计

1.1 系统设计框图

基于物联网的能效监管系统由能耗数据感知层（获取数据）、数据传输层（数据汇总和上传），以及数据应用层（数据展示）3大部分组成，系统总体设计框图如图1所示。

数据感知层（获取数据）由数量众多的传感终端组成，采集到的数据汇总至数据传输层的协调器，接收能源消耗数据并上传至数据应用层。数据应用层由OneNET 云服务器支持，具备数据整理、分析、显示等多项功能，为对应教室的空调制冷、水暖供暖能源使用效率评价提供数据支撑。同时，云服务器可按照能源消耗数据上传的路径发布指令，控制传感终端。

1.2系统网络拓扑设计

该系统采用ZigBee网络技术。ZigBee 网络通常由3个节点构成：协调（Coordinator）、路由器（Router）、终端（End Device）。协调器和终端设备节点形成星型网络拓扑结构，如图2所示。

从图2中不难看出，传感终端连接各种传感器采集能源消耗数据.协调器用来创建和主导一个ZigBee网络。协调器节点也称为汇聚节点，将多个终端设备节点置于不同的位置，它们把采集到的数据传给汇聚节点，汇聚节点先对数据进行处理，然后把数据通过 WiFi 模块传给网关。网关与云服务器进行通信，上传能耗数据，下发远程指令，将ZigBee网络与互联网进行连接，实现万物互联的目标。

2 系统分层设计

2. 1 数据感知层设计

数据感知层包含众多传感终端，虽然每种传感终端连接的传感器种类和数量存在差异，但在结构上具备高度一致性，如图3所示。

图3中，传感终端基于CC2530单片机设计，每个传感终端安装数量不同的传感器。水暖传感终端在此基础上增加一个继电器用于远程控制阀门通断。各传感终端与协调器通信采用ZigBee通信模块，通过外置天线发送数据、接收指令。CC2530单片机完成驱动传感器、打包采集数据、驱动通信模块、处理上级系统指令等功能。

2. 2 数据传输层设计

协调器基于CC2530单片机设计，驱动两个串口，连接ZigBee和ESP8266两种通信模块，肩负数据汇总和协议转换两种职能。协调器包含一个ZigBee通信模块和一个ESP8266WiFi 模块：串口1连接ZigBee通信模块，与传感终端形成星形拓扑结构，接收传感终端的数据，发送控制命令至传感终端；串口2连接ESP8266模块，负责通过WiFi发送数据给云平台，并接收云平台反馈的指令。

2. 3 数据应用层设计

数据应用层负责将数据上传至云服务器和下发指令至协调器，其信息的通信均遵循 MQTT协议。因此数据应用层结构与MQTT协议应用模型具有较高相似性，其结构如图4所示。本设计中，协调器作为订阅者，服务器则是发布者，协调器接收到终端发送的数据后，依照 MQTT协议的报文格式进行数据流封装，打包完成的新数据从协调器上传至代理，代理随后将数据放入云服务器后台。下发指令时，代理首先对指令指向的终端所属协调器名进行解析，随后将指令发送至对应协调器等待下一步操作。

3 硬件系统选型

3.1主控制器选型

主控器选型为CC2530单片机，CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802. 15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案。其封装的、被ZigBee为联盟认定为参考协议的Z - STACK 协议栈使得编译、修改相关程序变得不易出错。

3.2温度传感器选型

温度传感器选型为DS18B20，用于测量气体温度和水温，具有接线便捷、精度高、拓展方便、覆盖范围广等特点。任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。总线设计可通过求取平均值使得测量结果更准确，节省 ZigBee节点。

3.3流量传感器选型

流量传感器的型号选择为霍尔流量计，安装在暖气水管上，用于检测进水流量。本设计选用的霍尔流量计额定工作电压为DC5V，通用性好，使用方便。

3.4电量变送器选型

电量变送器选型为SUI - 101A，具有精度高、兼容性好等优点。*大测量电压为 AC 400V，电流上限为30A，具备一定的载荷能力，且内置了防雷保护，安全性好。

4软件系统设计

4.1温度传感终端软件设计

温度传感终端驱动程序包括初始化、循环读取温度数据两部分，如图5所示。

图5中，温度传感终端由于驱动多个DS18B20传感器，因此给每一个传感器增加了一个序号，从不同引脚读取的温度分配一个单独的变量存储这一数据，通过指针不断加1来指向不同的存储单元。由于在读取每一个引脚时，都需要单独拉高电平和延时，因此多个传感器共同工作时采用轮次查询方式读取各个传感器的温度数据并存储，等待上传程序按相同顺序读取。

4.2流量传感终端软件设计

流量传感器驱动程序主体为一次计数的中断，如图6所示。图6中，霍尔流量计的输出信号为不同频率的方波，通过方波频率来表示相应的流速，因此这部分的程序编写采用中断方式对方波个数进行计数，通过换算即可得出流速数据。

4.3电量传感终端软件设计

电量变送器底层逻辑已被锁定，本部分软件流程提供的仅为“容器”作用，创建变量存储读取每一项数据，流程如图7所示。图7中，电量变送器共有6项数据可以检测，上电启动后变送器进入初始化并创建7位变量，第一位用于序号标记变送器。随后变送器直接上传检测数据而无需进行其他操作。

4.4传感终端软件设计

传感终端软件运行流程如图8所示。图8中，传感终端日常运行在采集模式，上电启动后，终端周期性激活底层驱动函数，采集得到能耗数据，终端依照ZigBee通信协议的报文格式打包，通过ZigBee模块上传至协调器。第一次数据上传既实现了通信状况的检验，又传输了实际数据。随后继续进行底层驱动函数调用以采集能耗数据。当协调器收到指令下发给终端后，终端进入指令模式。终端对数个指令依次进行解析、执行，并不断查询是否还有指令未处理。当指令全部处理完毕后，终端重新进入采集模式，继续进行周期性能耗数据采集和上传。

4.5协调器软件设计

协调器软件运行流程如图9所示。图9中，协调器日常运行在采集模式，采集模式主要包含两方面工作：一是连接云服务器，二是上传数据。上电启动后，协调器驱动 ESP8266 按照预先写入的WiFi 信息、API key和端口编号连接云服务器的TCP服务器。随后，ZigBee 模块接收的能耗数据依据终端节点编号存入顺序表，依据MQTT协议报文格式进行数据流封装，*终上传至云服务器。

多个命令同时下发时，协调器对指令逐个解析并下发。结束这一进程后，协调器重新回到采集模式，继续进行能耗数据采集、封装和上传。

4.6上位机软件设计

收集的建筑能耗数据上传至云服务器，为使数据显示清晰、有序，本设计增加了基于物联网的智慧校园建筑能效监管平台用于数据显示，从而为节能改造提供明确、直观的建议，图形界面如图 10 所示。

从图10可以看出，能耗数据查看页面包括7个折线图、2个实时数据仪表和 1 个继电器远程开关。折线图分别显示空调能耗效率、水暖能耗效率、教室内外温差、水暖进出水温差、空调用电量、水暖累计流量、水暖瞬时流量；实时数据仪表显示教室内外平均气温；继电器远程开关可以控制继电器通断。这10个板块共同实现了气温上传、流量上传、电量上传、空调制冷效率、水暖供暖效率功能，以此实现建筑能耗管理：

a. 气温上传功能分析。为了对空调、水暖的实际制冷、制热效率进行评价，需要得到单位时间内室内气温的变动数据以及其与教室外的温度差。温度上传功能包含两项数据，一是具体温度，二是温差。如图10中（a）显示室内外实时气温，（b）显示监控时间内教室内外气温差值。

b. 流量上传功能分析。本设计对水暖系统实际流过的热水流量进行监控，以便计算单位体积热水的换热效率。流量上传功能包含流量的两个方面：瞬时流量与累计流量。如图 10 （c）显示水暖瞬时流量，（d）显示水暖累计流量。此外，水流量数据可以指示当前水管是否存在破损漏水情况。

c.电量上传功能分析。电量上传以3s 为一个周期，如图10（e）显示空调的累计用电量变化，正常运行时折线应当趋势稳定、波动较小。故障时，折线将出现很大变化。

d.空调制冷效率功能分析。空调制冷效率具备一定的能源消耗追踪能力。如图10（f）显示空调的制冷效率，空调启动之初及课间人流量大时空调高效运转，这与实际情况较为符合。