導語：如何才能寫好一篇能耗監測系統，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：公共建筑；能耗監測系統；分項計量；電氣設計；智能建筑設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU111 文章編號：1009-2374（2016）34-0116-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.34.057

1 概述

隨著公共建筑數量的迅速增加，公共建筑使用過程中運行和管理不當，造成了巨大的能源浪費。為實現可持續發展，住房和城鄉建設部早在2007年便頒布了近10項有關建立國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能監管體系的指導性文件。通過對建筑能耗數據的采集，掌握用能情況，分析用能特征，不僅能夠有針對性地對既有建筑進行節能改造，更有利于國家從宏觀層面上制定能源政策與節能措施。為指導和規范西安市公共建筑能耗監測系統建設、運行及管理工作，為西安市各類公共建筑能耗統計、能源審計、建筑節能管理和節能改造提供科學可靠的技術支持，西安市于2015年了陜西省工程建設標準《西安市公共建筑能耗監測系統技術規范》。該技術規范用于西安市各類新建、改建、擴建和既有公共建筑能耗監測系統的設計、施工、驗收、運行和維護。本文以西安市某高校實訓大樓為例，地下1層，地上12層?？偨ㄖ娣e26517m2，建筑物高度48.8m。本工程屬于二類高層辦公樓。結構形式為鋼筋混凝土框架剪力墻結構。本工程是新建建筑物，能耗監測系統的設計由建筑設計院隨電氣施工圖同步考慮。對建筑的機電系統安裝分類、分項的能耗計量儀表，由此得到建筑物總能源消耗與不同能源種類、不同功能系統的分項能耗，實現建筑能耗的分類計量和電能耗的分項計量。

2 本工程能耗分項計量與數據設置

2.1 本工程能耗分類與分項計量

分類能耗是根據公共建筑消耗的主要能源種類劃分的能耗數據，如電、燃氣、水、集中供熱、集中供冷、其他能源（集中熱水供應量、煤、油、可再生能源）等。分項能耗是根據公共建筑消耗的電力的主要用途劃分的能耗數據。分類能耗中，電量應分為4項分項，包括照明插座用電、空調用電、動力用電和特殊用電。電量的4項分項是必分項，各分項可根據建筑用能系統的實際情況靈活細分為一級子項和二級子項，是選分項。其他分類能耗不應分項。本項目建筑能耗分類、分項計量如圖1所示：

2.2 能耗數據采集點的確定

由于水、燃氣、熱的能耗計量相對簡單，電氣專業只需做好相應的通信線路設計，故本文重點探討用電分項能耗監測的施工圖設計方法。在設計電氣系統干線圖和照明/動力配電系統圖的基礎上，確定各用電回路的名稱及供電范圍、負荷性質等，才能確定能耗數據采集點。

本項目共確定能耗數據采集點68個，其中用電分項計量采集點56個，其他分類能耗計量采集點12個。電能耗分項計量采集點分別為：10kV高壓柜4個；變壓器低壓出線柜6個；低壓柜電力線載波1個；實訓樓第一層～第十二層照明插座配電箱12個；第一層～第十二層公共及應急照明配電箱12個；屋頂動力配電箱8個；地下一層（車庫和設備房）照明插座配電箱2個，應急照明配電箱2個，動力配電箱2個，熱幕配電箱1個；南/北廠房照明插座配電箱2個，動力配電箱2個，熱幕配電箱2個。其他分類能耗計量采集點分別為：實驗樓遠傳冷水表/遠傳熱水表/遠傳總燃氣表/遠傳總暖表各1個；南/北廠房遠傳冷水表/遠傳熱水表/遠傳總燃氣表/遠傳總暖表各1個。

2.3 能耗數據采集點編號與數據編碼

能耗數據編碼規則為細則層次代碼結構，主要按7類細則進行編碼，包括行政區劃代碼編碼、建筑類別編碼、建筑識別編碼、分類能耗指編碼、分項能耗編碼、分項能耗一級子項編碼、分項能耗二級子項編碼。編碼后能耗數據由15位符號組成。若某一項目無須使用某編碼時，則用相應位數的“0”代替。根據技術規范，制定能耗數據編碼和能耗數據采集點識別編碼，如表1所示：

3 能耗監測系統設計

3.1 能耗監測系統結構設計

本項目能耗監測系統由用戶管理層、網絡通信層、現場設備層三部分組成，完成能耗數據的采集、傳輸、管理等功能，見圖2?，F場設置的電能表采用屏蔽雙紋線連接至各分區數據采集器，各分區數據采集器將數據分類處理后，上傳到網絡交換機，再通過網線上傳至能耗監測系統主機實現能耗監測管理功能。

3.2 10kV高壓配電系統能耗監測

三相多功能電能儀表DSSD25用于10kV開關柜能耗的計量和監測。用于分時計量正、反向有功/無功電能，計量有功/無功總電能，分相有功/無功電能，分時計量正、反向有功，正、反向無功的最大需量及發生時間等。

3.3 變壓器0.4/0.23kV系統能耗監測

3.3.1 三項電能監測。三相多功能電能儀表DD521用于0.4kV/10kV開關柜能耗的計量和監測。用于測量單回路的三相電壓、三相電流、功率因數、頻率及視在功率，記錄分相/總有功功率/無功功率/有功電量/無功電量。

根據配電柜的出線數量可選用三相多回路電能監測儀表DD504（4回路），DD505（5回路），DD507（7回路），DD509（9回路）用于0.4kV配電柜能耗的計量和監測。能夠測量每回路的三相電壓、三相電流、功率因數、頻率及視在功率，記錄分相/總有功功率/無功功率/有功電量/無功電量。

3.3.2 電力能耗終端采集器。三相載波智能采集終端DDJ03對建筑能耗監測末端有載波型計量和監測儀表進行采集。安裝在低壓0.4kV進線柜。終端通過電力載波接口可以實現對電能表的召測、抄收及暫存電能表數據，并用以太網通訊的方式將儲存的數據按主臺的命令發向主臺。

電力能耗采集器DDJ01是對建筑能耗監測末端的監測儀表計進行采集，安裝在每個低壓0.4kV出線柜，主要用于采集各種類型的能耗儀表的數據。實現對電能表的召測、抄收及暫存電能表數據，并將儲存的數據向上一級的采集器。

3.4 能耗數據采集

電力能耗采集器DDJ02對電力能耗終端采集器的數據進行采集，安裝于開關柜。通過RS485接口對電力能耗采集器的數據進行采集或直接采集電能儀表的數據，抄收并暫存電能表數據，并將儲存的數據向監控主機發送。

水、氣型智能采集器DDJ04用于對供暖、冷水、熱水、燃氣等能耗終端的數據進行采集，對數據進行預處理，并將數據發送到監控主機。通過RS485接口可以實現對各類能耗監測表的召測、抄收及暫存能耗監測表數據，并將儲存的數據向上一級的采集器。能耗數據采集系統圖（部分）如圖3所示：

4 結語

本文以西安市某高校實訓大樓為工程實例，根據國家和地方相關技術導則和技術規范，確定該建筑能耗分類和分項計量的設置范圍。能耗監測系統的設計隨電氣施工圖同步考慮，完成了能耗監測系統的電氣設計。

參考文獻

[1] 住房和城鄉建設部.關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見（建科[2007]245號）[S].

[2] 陜西省住房和城鄉建設廳.西安市公共建筑能耗監測系統技術規范（DBJ61/T97-2015）[S].2015.

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關鍵詞：電氣 ； 系統 ；大型公建 ；節能

在當今世界能源日益緊缺的前提下，人類社會在更努力地開發新能源，盡可能地節約能源，降低能源的消耗。《公共機構節能條例》中明確指出：公共機構應當實行能源消費計量制度，區分用能種類、用能系統實行能源消費分戶、分類、分項計量，并對能源消耗狀況實行監測，及時發現、糾正用能浪費現象。

能耗監測系統是通過對建筑安裝分類和分項能耗計量裝置，采用遠程傳輸等手段及時采集能耗數據，實現建筑能耗的實時監測和動態分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱。

該系統由數據采集系統、數據傳輸系統、數據中心三部分組成。監測數據主要包含兩個方面的內容：分類能耗和分項能耗。其中，分類能耗是指根據建筑消耗的主要能源種類劃分進行采集和整理的能耗數據。分項能耗是指根據建筑消耗的各類能源的主要用途劃分進行采集和整理的能耗數據。

1.分類能耗

2.用電量

3.用水量

4.燃氣量

5.集中供熱耗熱量

6.集中供冷耗冷量

其他能源

其中分析用電量可以得到以下分項能耗：

1.照明插座用電

2.空調用電

3.動力用電

4.特殊用電

實例應用：

某商場基本信息

建筑面積(m2)：22000

建筑層數：地下1層；地上4層

變壓器：3臺 1000KVA

功率因數: 0.93/0.94/1.00

以下是供電局采集的數據:

2009年：用電量7699210(kWh)，單位建筑面積用電量350(kWh/(m2·a))

2010年：用電量7452783(kWh)，單位建筑面積用電量339(kWh/(m2·a))

2009~2010年逐月用電量

根據分項能耗的要求，我們對3臺低壓柜的28條低壓出線回路進行了監測。

共設了內置多功能表3臺(可計量無功，諧波)，三相電能表28臺。

冷量表1臺(本工程不涉及熱量表)，數據通訊網關1臺。

將電能表箱直接設于變配電房內，方便監測及走線。當采集后的用能數據通過RJ-485雙絞線傳輸到數據通訊網關，數據通訊網關再通過網絡端口將能耗數據傳輸到遠程能耗監測數據中心的服務器，由服務器實現能耗數據的分類存儲，并能將能耗數據到互聯網，用能單位及上級單位可以通過遠程WEB訪問實時了解建筑用能情況。

照明插座用電：

該建筑插座用電設備主要包括臺式電腦、復印機、打印機、傳真機、飲水機及其他臨時插座用電設備，上班時間由使用人員自行開啟。

商場區域照明主要采用T5熒光燈和雙U型節能筒燈兩種燈具形式，T5熒光燈單管功率為14W，節能筒燈單盞功率為13W。超市區域照明采用T5熒光燈，單管功率為28W。商場內辦公室照明采用T8熒光燈，單管功率為40W。

室外照明采用射燈，室外照明總安裝功率為19.2kW。

照明控制方式：商場及超市區域照明為手動控制，一般早上上班由工作人員自主開啟，晚上下班手動關閉；辦公室照明及插座用電設備一般早上上班時由員工自主開啟，下午下班時手動關閉。室外景觀照明為定時控制，不同季節根據天氣情況設定開啟時間。

空調用電：

空調冷源系統設置在地下一層，共3臺螺桿式4機頭冷水機組，單臺機組總制冷量為1305 kW，總裝機容量為3915 kW，每臺輸入功率為4×90kW；冷凍水泵共4臺，單臺功率45kW；冷卻水泵共4臺，單臺功率45kW；冷卻塔置于屋頂，共六組，風機電機功率為7.5kW/臺。

空調冷凍水系統為一次泵系統，冷凍水供回水溫度為7/12℃，冷凍水供應商場以及超市兩個區域。系統采用兩管制，水平管路同程。冷水機組和水泵分別并列后通過管道相連。

空調風系統為一次回風全空氣系統，每層均設置四臺空氣處理機組。其中三臺額定制冷量為458.7kW，電機輸入功率為11kW；另外一臺額定制冷量為394.8kW，電機輸入功率為11kW。四層設有新風機，新風由新風機引入，送至各樓層空調機房與回風混合，經空氣處理機組熱濕處理后送至空調區域。全年沒有根據季節調節新風比和新風量。

動力用電：

(1)該商場配有貨梯2臺，扶梯6臺，平板梯1臺。貨梯功率為11kW/臺；扶梯功率為11kW/臺；平板梯功率為11W/臺。所有電梯均未設變頻控制裝置。

(2)該商場設有一臺生活水泵供應商場日常用水，水泵功率為5.5kW。

從監測結果以及供電局提供的資料分析，

該建筑為商場類建筑，建筑內空調系統主要3~11月運行(其他時段根據需要開啟)而照明和電梯設備全年運行。從2009~2010年逐月用電量統計結果，可以看出，6~10月份用電量較高，因為這段期間空調系統運行時間較長，且負荷率較高。此外，1月份用電量也很高，這主要是源于節假日(圣誕、元旦、春節)商場客流量的增加帶來的用電量的增加。2~4月和11月用電量較低，因這段期間屬于非空調季，室內外氣溫比較舒適，且節假日較少，空調系統開啟時間較短。

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關鍵詞：機關辦公建筑 公共建筑 能耗監測

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0109-01

1 概述

目前全國在廣泛推進節能減排工作，隨著社會的發展全社會對能耗需求越來越高，節能的意識也從國家貫徹到各級政府及每個公民。社會生產生活需要有能耗，如何在全面保障社會生產生活的前提下降低能耗，讓能耗更加合理，這就是當下要做的事情。

天津市的所有公共建筑需要進行能耗的監控與監測。如果要做好能耗的管理與控制，就需要對這些建筑的耗能情況進行采集與分析。隨著公共建筑的不斷出現，能耗的監控與檢測越來越重要，未來的發展趨勢將是對所有公共建筑及設施進行能耗的監控與管理。

2 建設目標

運用計算機控制、通訊網絡、數據庫、智能計量和采集等計算機技術，以服務于天津機關辦公建筑和大型公共建筑能耗采集和分析為主要目的，通過對各類能耗數據的采集，建立一個分布于天津市行政區域內所有機關辦公建筑和大型公共建筑的能耗采集網絡，為公建能耗的分析和節能趨勢分析提供服務的，具有先進水平的建筑能耗監控分析系統。

系統主要實現以下目標：（1）設計、建立能耗監控數據庫；（2）建設各類數掘傳輸系統；完成信息中心與各監控點的網絡連接；（3）搭建建筑能耗采集的基礎設施建設、運行狀況監控系統；（4）搭建建筑能耗采集設備的預警及報警系統及應用平臺；（5）輸出工作所需的文字報告和數據報告；（6）實現對建筑所屬單位開放的能耗查詢系統；（7）對現有系統歷史數據進行保留，并轉化到新系統中；（8）最大限度的保證原有投資。

3 設計、開發原則

（1）實用性與先進性的統一；（2）緊密圍繞能耗監測管理的業務；（3）注重系統易操作與標準化的特點；（4）保證系統具有開放性、可擴充性和較長的使用期；（5）遵循安全性、保密性和共享性的原則；（6）繼承性原則：系統在設計過程中要充分考慮繼承不臥利用己有的硬件設備和開發完；（7）成的軟件系統，在原有基礎上進行整合，在整合的基礎上提高；（8）系統設計需要遵循可持續、可操作的原則，系統采用分級結構逐級上傳數據，并由各中心及區縣二級平臺匯總后上傳到數據中心。

4 編制依據

（1）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據采集技術導則》；（2）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統分項能耗數據傳輸技術導則》；（3）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統樓宇分項計量設計安裝技術導則》；（4）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統數據中心建設與維護技術導則》；（5）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統建設、驗收與運行管理規范》；（6）《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監測系統軟件開發指導說明書》。

5 業務需求

（1）監控系統軟件提供建筑能耗信息、查詢實時監控情況、歷史監測數據、監測點信息。（2）采用基于B/S架構的設計和開發，客戶端使用瀏覽器完成全部操作。（3）支持預警和報警，報警方式包括短信報警、郵件報警，報警范圍和對象可自由設定。（4）具備獨立的能耗數據采集平臺，數據采集的內容及格式符合國家要求及天津市關于建筑能耗的有關規定。（5）以動態圖形方式實現公共建筑能耗狀況。（6）支持與GIS系統的接口，將建筑能耗信息傳輸到GIS系統中。

6 系統體系構架

（1）硬件及網絡系統技術架構。雖然從能耗監測系統總體結構上看，全系統分為現場數據采集系統、區縣級數據中心、市級數據中心，但考慮到區縣級數據中心與市級數據中心之間數據傳輸網絡以及相關的數據傳輸技術簡單，因此硬件及網絡系統技術主要考慮的目標集中于現場數據采集系統、區縣級數據中心層面。（2）軟件體系構架。能耗監測應用軟件系統采用成熟、標準的J2EE企業平臺架構搭建，具有高擴展性、可用性、安全性、可伸縮性、可靠性及跨平臺運行等優點。為了適應應用環境復雜、業務規則變化、系統擴展的需要，采用多層次松耦合結構、組件復用技術、一體化的安全模型以及統一的數據引擎，使得系統具備良好的適應性及彈性。應用軟件系統自底向上可分為數據層、服務層、業務層、表現層四個層次，各個層次間通過標準化的程序接口、服務接口實現，達到系統松耦合及模塊復用的目的。系統總體技術架構參見“圖1能耗監測系統總體技術架構圖”。

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關鍵詞：電能特征參數；模式識別；智能控制；節能

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）08-0070-03

0 引 言

隨著物聯網技術和控制技術的快速發展，以及人們對物質生活享受的要求不斷提高，智能家居成為物聯網產業發展的必然結果。傳統的智能家居仍是獨立運行的，各種電器的用電存在著非常不合理的浪費，缺少節能的功能。即便有的用戶具有良好的節能意識，卻往往沒有很有效的節能措施。然而，當我們的節能意識和用戶的體驗度相矛盾時，往往會放棄節能措施，致使家用電器存在著大量電能浪費[1]。同時，在家居電器的使用中，處于待機狀態的家用電器產生了大量的待機功耗，這些都造成了電能的大量浪費。

目前，家庭能耗管理系統的研究主要分為兩個方向：家庭能耗管理策略的研究和家庭能耗管理系統總體構架的研究[2]。在能耗管理策略上，本文提出電能的多種特征參數，并提出一種智能預測算法。在系統總體構架上，本文采用ZigBee組網，S3C2440作為主控器，采用Web頁面對系統進行管理。

1 系統概述

系統由采集節點，ZigBee局域網，主控器和Web網頁控制頁面組成。系統框架如圖1所示。

圖1中采集節點負責智能插座上的電能參數采集，采集到的參數包括電器的電流、電壓、功率、功率因數及能耗總量，并由電流的采樣值得到電流的相關系數和電流的波動系數。

家庭內部的無線組網采用ZigBee的星型網絡，網絡節點包括終端節點和協調器節點，終端節點負責接收來自采集節點的數據和傳送協調器發送的控制命令，協調器節點負責接收來自采集節點的電能參數和轉發主控器的控制命令。ZigBee與采集節點和主控器間的通信都采用的是串口協議。

主控器的設計采用的的三星公司的S3C2440芯片，Linux操作系統，主控器主要負責命令的發送，數據的分析，以及預測算法的計算，是整個系統的核心部分。

數據的呈現采用的是Web網頁形式，由CGI腳本語言來執行網頁的請求，并從嵌入式數據庫SQLite中讀取數據，作出處理后把結果以網頁形式返回。系統做到了實時的監測電器的電能參數，并能夠作出分析，給出用戶用電建議。

2 系統設計與實現

2.1 家用電器的多特征參數提取

一個家庭的家用電器有十幾種。大致有照明設備、電視、空調、洗衣機、冰箱、微波爐、電飯煲、洗浴電器以及各種充電設備[3]。通過對以上電器的電能參數特性分析，可以提取以下四種特征參數：電流互相關系數R（xi，yi）、有功功率P，功率因數cosφ（其中φ為功率因數角）以及電流波形的波動系數BD。相關系數是衡量兩個變量間相關程度的統計量[4]，其定義公式為：

2.2 家用電器的模式識別

家用電器的模式識別分為電器的狀態識別和電器的類型識別。其中狀態識別包括電器的開關狀態和多種工作模式；而電器的類型識別要求根據電器的特征參數識別出電器的具體類型[6]。

2.2.1 電器的狀態識別

本系統能主要是識別電啟動的開關狀態，對于電器的多狀態識別方法可以類比。對于開關狀態的識別首先要對電器的穩態和暫態區域做出識別。給出幾種電器的電流包絡圖像，具體如圖2、圖3所示。

由圖2可以觀察到，電器的電流分為穩態區和暫態區。電器啟動的過程中電流的波動比較大，位于暫態區，因此應該首先識別出采集數據的穩態區。本文通過對多種電器的暫態區域和穩態區域的電流波形的分析可知：電器的暫態區域一般不超過90個采樣點，并且穩態區域的電流波動一般不超過0.05A。因此，本文在狀態識別過程中，為了保守起見選取120個采樣點的數據進行分析。首先，求出第i+1個采樣電流值與第i個采樣電流值之差：

如果此時的電流波動值大于0.05，則本次采樣的電流處于暫態區，進行重新采樣，否則電器處于穩態區。然后，求出穩態區電流的最小值和電器的平均功率，如果電器的電流的最小值小于0.1 A，并且平均功率小于5 W則電器處于關斷狀態，否則處于運行狀態。在這里，通過電器的特征參數的觀察電器的待機功耗一般小于5 W，而大于5 W的待機功耗我們等價為一個節能燈設備。

2.2.2 電器類型的識別

電器類型的識別包括不同類型的電器識別和不同品牌的電器識別[7]。本文家用電器的類型識別是依據本文提出的電器的多特征參數，在進行類型辨別之前建立起家用電器的樣本庫，通過計算與樣本庫最相似的電器類型作為本次識別的結果。由于各種電器間的多特征參數存在著很大的相似性，所以本文采用參數的交叉賦值法來進行識別。

2.3 智能預測算法設計

為了達到節能的目的，系統采用了智能預測算法，能夠提前預知電器的預測值，進而提前給出開關動作。

2.4 系統硬件設計

本系統的硬件設計分為以下幾個部分：數據采集模塊和控制模塊，無線收發模塊，主控器部分。其中無線收發模塊和主控器部分是系統研究重點，這里給予詳細說明。

2.4.1 無線收發模塊設計

本文中的無線收發模塊采用的是ZigBee無線傳輸協議，芯片選擇的是TI公司的CC2530。ZigBee是一種低功耗、短距離、可自組網的無線通信技術。其網絡模型分為星型網絡、樹狀網絡、網狀網絡，本系統采用了星型網絡，該網絡模型具有維護簡單、重新配置靈活、故障隔離和檢測容易等優點。

2.4.2 主控器模塊設計

主控器采用的是ARM+Linux的架構，其中ARM芯片選擇的是三星公司的S3C2440芯片。該芯片的外設支持豐富，工作頻率最高可達533 MHz，可以滿足算法的需要。網絡接口芯片采用的是DM9000網卡芯片，該芯片支持10/100M網絡傳輸，與S3C2440采用16為總線通信。主控器與ZigBee無線模塊采用串口通信，通信頻率在9 600 b/s的波特率。有SD卡電路，用于保存數據庫的信息。

2.5 系統軟件設計

本系統的軟件設計包括電器狀態識別、電器類型識別、電器的智能預測以及電器的數據存儲與呈現。系統主程序流程圖如圖4所示。

系統初始化之后，檢測到有新設備加入時會進入中斷1。中斷1的主要工作是進行電器狀態和電器類型的識別，并把結果存入數據庫。

系統有命令發送時，進入中斷2。中斷2的主要工作是將命令通過串口傳給協調器，然后協調器下發至終端節點，并控制繼電器做出相應動作。

3 實驗與分析

3.1 電器開關狀態識別

電器開關狀態識別主要步驟為：首先，對電器的電能參數進行采樣，讀取120個采樣點的數據，然后按下式進行計算：

3.2 電器類型識別

電器類型識別的主要步驟為：首先，判斷電器是否進入穩態區。如果進入穩態區，則進行類型識別。然后，計算特征參數，與模型庫進行對比計算，得出識別參數：d_r[i]，d_p[i]，d_pf[i]，d_fc[i]，并據此得出電器類型識別矩陣d_num[i][j]，然后按權值矩陣：

4 結 語

隨著人類生活水平的提高和智能家居的普及，家居電器的模式識別和節能控制是我們必須面對的問題[10]。本文提出的一種基于電器多特征參數的模式識別能夠辨識種類繁多的電器，這將對于家居電器類大數據的分析提供豐富的數據來源，對于家電公司具有十分現實的經濟價值。節能控制系統能夠智能的管理家居電器，減少能耗，具有一定的發展前景。

參 考 文 獻

[1]彭金華，舒少龍，林峰. 家庭能耗管理系統研究綜述[J]. 電力需求側管理，2011（1）：35-38.

[2]楊毅，苗升伍. 能源管理系統在智能建筑中的應用研究[J]. 智能建筑與城市信息，2012（1）：70-74.

[3]王曉曼. 智能家居無線監控與節能管理系統研究[D].西安：西安建筑科技大學，2011.

[4]侍必勝. 家庭能耗管理系統的設計與實現[D].南京：南京信息工程大學，2012.

[5]劉志敏. 智能住宅中電器的節能控制算法的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[6]雷冬梅. 非侵入式電路故障診斷及家用電器用電狀況在線監測算法研究[D].重慶：重慶大學，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的物聯網智能家居系統的設計[D].上海：東華大學，2013.

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關鍵詞:建筑節能 監管 監測 分類分項 節能措施

中圖分類號:F206 文獻標識碼:A

文章編號:1004-4914(2010)05-062-01

一、前言

隨著人口危機、能源危機、環境危機日趨嚴重,人們越來越注重環境保護和能源節約,節能環保成為21世紀社會的主題。世界各國越來越重視節能減排工作的開展,并在世界范圍內展開協作,共同應對能源危機、全球變暖等人類共同面臨的課題。

二、節能減排的現實意義

20世紀我國經濟增長快速,各項建設取得巨大成就,但同時也付出了巨大的資源和環境代價,經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳,環境污染問題嚴重。這種狀況與經濟結構不合理、增長方式粗放直接相關。不加快調整經濟結構、轉變增長方式,將導致資源支撐不住,環境容納不下,社會承受不起,經濟發展也必然難以為繼。

節能減排意義深遠,是關乎子孫后代的一項政策措施。節能減排就是減少能源消耗,降低廢氣排放。節能減排和環境保護緊密相關,相互統一相互促進。

只有堅持節約發展、清潔發展、安全發展,才能實現經濟快速可持續發展。同時,溫室氣體排放引起全球氣候變暖,加強節能減排工作,也是應對全球氣候變化的迫切需要,是我們應該承擔的國際社會責任。

三、節能減排目標實現的保證

我國“十一五”規劃綱要提出,“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少10%。這是貫徹落實科學發展觀,構建社會主義和諧社會的重大舉措,是建設資源節約型、環境友好型社會的必然選擇,是推進經濟結構調整,轉變增長方式的必由之路,是維護中華民族長遠利益的必然要求。

要實現節能減排目標,筆者認為,可從以下幾個方面采取措施:一是調整優化結構,控制高能耗、高污染行業增長,淘汰落后生產能力;二是鼓勵創新模式,發展循環型經濟,推進資源綜合利用,全面發展清潔生產;三是發展科技,加快節能技術研發和推廣,建立節能技術服務體系,加強合作交流;四是完善節能減排政策,建立完善監測考核體系及制度;五是健全法制,加強宣傳,完善節能環保標準,提高全民節約意識。

四、建筑節能監管系統建設

開展建筑樓宇節能降耗行動,提高建筑能源利用率是減少能源消耗、保護環境的有效途徑之一,也是我國走綠色建筑,低能耗建筑道路的重要內容。這對于提高能源利用效率,緩解社會經濟發展面臨的能源和環境約束,完成“十一五”規劃目標有著十分重要的意義。

建筑節能監管監測系統就是依據《中華人民共和國節約能源法》、《公共機構節能條例》、《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節能管理工作的實施意見》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑分項能耗數據傳輸技術導則》、《國家機關辦公建筑和大型公共建筑樓宇分項計量設計安裝技術導則》等政策文件提出的需求而研發出的。

1.節能監管監測系統的作用。節能監管監測系統,針對建筑能源消耗特點,通過采集能耗實時數據,即時監測及記錄每棟建筑用能狀況;通過數據挖掘分析,降低待機能耗,提高系統設備效率,達到管理節能目標;同時監測和統計每個部門能耗實際用量,作為各單位部門考核指標,約束各單位部門行為節能;另外,又能為評價改造前后用能效果,提供可靠詳實的數據。節能監管監測系統對于節能降耗的國家戰略具有極其重要的意義。

節能監管監測系統改變過去能源使用的粗放型管理模式,能夠實時監測建筑用電、用氣、用油、用水等各種參數,包括三相電壓、三相電流、三相有功電度、功率因素、水量、油量等,這將使能源使用的時間、環境和使用量清晰地展現在人們的面前,幫助人們能夠及時發現能源使用過程中出現的問題,在此基礎上實現良好的節能效果。

節能監管監測系統的使用將使節能改造工程能夠得到準確的效果驗證,通過對改造前后用能量的測量和對比分析,可以準確地計算出節能量,使物業提高能源利用效率,提升競爭力。

2.節能監管監測系統的組成。節能監管監測系統按功能劃分為:數據采集、數據存儲、系統應用。(1)數據采集層。各計量點儀表,通過RS485總線方式組網,將實時數據發送至能源管理工作站。(2)數據存儲層。采集到的能耗數據存儲在能源管理工作站,再經過預處理程序,按照分類能耗、分項能耗、分戶能耗等實際需要的數據格式永久保存在數據庫中。(3)系統應用層。應用軟件層,可實現能耗數據實時巡檢、能源消耗監視、能源消耗圖形顯示、記錄打印、報警、趨勢分析等功能,通過賬號和權限管理,能夠按責任分成不同的領域。經過授權通過互聯網絡,實現異地瀏覽功能,可以對數據遠程調用、存儲、并進行顯示。

3.節能監管監測系統的主要功能模塊。節能監管監測系統平臺軟件為決策層、管理層和操作層分別提供了不同的功能做到能源的逐級管理(如下圖),使不同職位職責明晰,分工明確,可以有效監測節能目標。

監管平臺可實現如下功能:實時采集監測、分類、分項、分戶能耗分析,待機能耗分析、趨勢分析、能源診斷、節能潛力挖掘、能耗報警、運行日志管理、登錄權限管理。

對于節能管理監測信息中心,還要實現以下功能:能源審計功能、能耗監測功能、能耗公示功能、制度建設功能。

五、節能監管平臺監測指導下的節能措施

通過節能監管監測系統的建設,可隨時監測到建筑的用能異常、用能超標以及節能效果,監管系統通過橫向縱向的對比,全面細致地分析、挖掘節能空間,給出節能方向。

針對“跑、冒、滴、漏”造成的能源消耗,可以及時告知值班人員處理;對于因為人員使用造成的能耗超標,可以采取行政措施,定時限電,按量供水,以及通過獎懲制度進行引導;采用節能新產品,如更換高效節能燈管、采用高效流體泵等;采用系統化的新技術,如冰蓄冷技術、太陽能供電、太陽能熱水系統等;通過技術創新,進行系統節能改造,如循環水泵的變頻控制改造、中央空調機組系統智能模糊控制等;通過以上行政手段和諸多技術手段的綜合運用,來實現節能監管監測平臺給出的節能潛力挖掘。

六、結語

節能監管監測系統是在節能減排的國際大形勢下應運而生,其功能也會在綜合應用中得到不斷發展和完善,結合不斷發展的節能新技術運用,必將在節能環保大業中作出應有的貢獻。

參考文獻:

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2.馬秀力.公共建筑節能監管體系探討.門窗,2009(11)

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1 模擬目標項目概況

實際模擬的高校屬于我國重點高校，隨著建設規模的不斷增大能源消耗量非常大，主要表現在以下幾個方面：首先該校園處于建設發展時期，因此每年用能量均處在不斷增長中。例如，不斷改善校園環境以及辦公、科研、后勤軟硬件等，均導致耗能的增加。另外，學校不但從事正常的教學工作，而且在服務社會以及科技創新方面的投入不斷增加致使能源消耗增加。當前學校年用電量超過2300萬kWh，其中生活用電占40%，科研用電將近48%，其余為教學用電；其次，學校擁有多個校區且多數小區年代已久很多設備性能老化，一方面增加了管理難度，另一方面耗能量較為嚴重。

模擬高校建筑分類參照已經公布的大型公共建筑分類方法，結合校園特點進行修訂。即在大型公共建筑的關于建筑分類的“學校建筑”編碼后增設子項編碼，以對應校園建筑的不同使用功能和用途。子項編碼分為以下14類。

a.行政辦公建筑

b.教學樓建筑

c.實驗實訓樓建筑

d.學術報告廳建筑

e.綜合樓建筑

f.信息中心樓建筑

g.校企合作科研實驗室、工廠

h.體育場館類建筑

i.食堂餐廳

j.學生活中心

k.學生宿舍

l.學生創業園

m.醫療中心

n.其他

2 節能監測實訓系統設計目標

通過合理的規劃和設計主要實現以下目標：利用數字電表采集用電數據信息，并經過智能電表網關傳送到能耗管理中心，管理人員借助相關軟件對用電信息進行處理和分析，進而為校園各用電部門提供參考。另外，設計時為了減少投資成本，要求以“因校制宜，簡約可靠”為原則，充分利用已有資源。

3 節能監測實訓系統架構

節能監管系統主要適用于對校園建筑設施能耗的計量、數據分析、數據統計、節能分析及節能指標管理，區別與一般以對建筑設備系統進行自動控制為主要目的的建筑智能控制系統（BA系統）和以收費管理為主要目的的水電氣表遠程集抄系統。但鼓勵共享建筑智能控制系統的相關數據。

校園建筑節能監管系統由計量表具、數據采集及轉換裝置（本導則簡稱網關設備）、數據傳輸網絡、數據中轉站、數據服務器、管理軟件組成。

系統應基于互聯網技術、采用BS軟件構架。

系統應具備能耗數據實時采集和通訊、遠程傳輸、自動分類統計、數據分析、指標比對、圖表顯示、報表管理、數據儲存、數據上傳等功能；滿足校園節能監管內容及要求。

3.1 計量類型

為了滿足國家相關部門制定的節能監測系統建設要求，前端計量裝置應進行分類、分區、分戶的電能統計。因此，應將校園用電劃分為不同的類型，并根據不同類型配備專門電能計量設備。該校園用電類型主要分為照明、空調、動力以及特殊用電四種類型，其中照明用電包括各建筑物以及照明區域中的用電；空調用電指為校園各建筑物提供采暖、空調服務的設備用電，例如鍋爐、冷凍機組等；動力用電指生活用水、自來水加壓、電梯等能夠提供動力服務的用電；特殊用電指校園常規用電之外的用電，例如洗衣房、信息中心、實驗設備等。

3.2 劃分計量單元

根據該校園建筑分布特點，在參考不同的計量分類的基礎上劃分不同的計量單元。

首先，為了實現對用電負荷運行情況的實時監測，為電能的計量和管理提供方便，學校后勤應結合教學區樓群分布和樓層的實際情況，劃分合理的計量單元；其次，將辦公區、院系樓、學科等部門劃分不同的計量單元。該校辦公區大部分為單相用戶，因此應根據不同的房間劃分計量單元，尤其應注重細節方面的設計。例如在不同的辦公室安裝剩余電流保護裝置，并在不同樓層集中安裝數字電表，而在群樓安裝三相數字電表，進而能夠評估和掌握不同單元耗能情況。該校實驗室安裝有動力配電箱，從而能夠為室內的動力裝置和空調提供電能，為此需要對該部分電路進行一定的改造，即將室內的插座和照明負荷均接入動力配電箱中，并將三相和單相數字電表集中安裝在不同樓層中，將三相數字電表設置在樓群中。針對實驗室公共部分的用電應進行分開計量；最后，劃分學生宿舍、服務實體、教學生活輔助用房計量單元。其中考慮到學生宿舍不同房間已安裝計量裝置，設計時為實現對原有設施用電情況的計量，應安裝三相數字電表進而能夠將用電數據傳輸到用電管理中心；餐廳、禮堂、圖書館服務實體以及生活輔助用房，均應在樓群中按照三相數字電表。

4 監測實訓系統硬件設計

4.1 監測系統硬件結構

為了保證監測系統硬件設計的合理性，應對其整體結構進行全面的把握。該校園節能監測準備利用集散控制系統，該系統由管理中心、通信網絡、采集設備三部分構成。其中管理中心在遵守TCP/IP協議的基礎上連接在校園網絡中，其較為重要的部分為計費系統。計費系統主要負責用電信息的統計和用電費用的結算，另外，還能對網損、線損以及電量平衡等進行考核；為實現自動化通信，數字電表的接口方式為異步半雙工RS485接口，在該接口下每個智能電表網關可接入256×128臺數字電報，并按照Modbus-RTU協議要求進行通信，距離可達一千米。通信網絡架設主要利用較為經濟的雙絞線結構；現場電能信息的采集是整個監測系統的基礎由數字電表和斷路器組成，其中數字電表分布在不同房間和樓層、樓中，設置在配電柜中并通過電表網關連接在校園上。

4.2 監測系統硬件評估

首先，經過全面的分析，設計時系統硬件結構符合國家規范關于建設節約型校園的要求；其次，智能電表網關通信方式多種多樣，不管用電信息的采集還是傳輸優勢較為明顯。另外數據信息傳輸主要以有線和無線結合方式進行，因此保證了用電信息傳輸的可靠性；再次，智能電表網擁有較高的數據采集速度，能夠接入不同計量設備的接入。而且數字電表和位于網關中的數字采集器連接形式為星形，該結構不但工作性能穩定，而且當有大量數字電表接入時，能夠有效解決可變波特率、沖突、尋址等問題；最后，通常情況下，不同類型的數字電表采用的通信協議和串口參數不同，而智能電表網關可以接入不同類型的數字電表，并且不同端口之間的工作互不影響。

5 監測實訓系統軟件設計

5.1 監測系統軟件體系

節能監測系統中管理系統采用面向對象的軟件進行管理，能夠根據不同的應用功能將服務對象劃分不同的類型。設計時最為重要的部分為將服務數據基礎框架搭建完成，接著在其中加載各種服務對象。另外，在節能技術不斷發展的基礎上，管理平臺可對框架中的數據進行更新，以滿足節能的各項要求。

5.2 監測系統應用軟件組成

監測系統應用軟件能夠提供數據采集通信、數據采集數據解析、數據采集數據處理、分項能耗結算服務。其中數據采集通信服務接收和存儲智能電表網的數據包，主要通過Socket協議實現（軟件流程如圖1所示）；數據解析服務主要任務在于讀取智能電網卡數據包，并將其解析成結構化的記錄，并將解析后的數據信息存儲在對應的數據庫中；數據處理主要負責三個方面工作：首先，讀取出解析后的結構化數據；其次，對結構化數據的準確性和合理性進行檢查；最后，將用電設備的日結算記錄以及各項能耗用量計算出來；分項能耗結算服務負責分項能耗用量的讀取以及能耗日志記錄的計算工作。

6 預測節能目標

根據模擬建筑可能的不同用電運行模式，通過制定節能工作計劃，應用節能監測系統并結合使用加強供電設備維護，不斷優化低成本控制措施等方法，對該系統節能目標進行計算評估可知該體系可節約能耗超過20%，累計節約用電2100萬kWh，能為學校節省大量用電成本開支，符合建設節約型校園的目標要求。

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關鍵詞： 傳感器網絡； 節點能耗監測； 軟件設計； 數據采集

中圖分類號： TN931+.3?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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

近年來，隨著學術界對傳感器網絡研究的逐漸加深，傳感器網絡已被廣泛應用于溫濕度、城市光污染、速度和壓力等方面的探測中，對改善居民生活方式、增強企業效益具有重要作用。在未來，傳感器網絡的應用將會更加廣泛[1?3]。在國家大力提倡節能的當今社會，學術界開始關注到傳感器網絡中的節點能耗問題。在以往設計出的傳感器網絡節點能耗監測軟件中，由于受到傳感器網絡中龐大的節點規模限制，軟件的監測距離較短，并無法有效延長節點工作壽命，高性能的傳感器網絡節點能耗監測軟件仍待開發[4?6]。

1 傳感器網絡中的節點能耗監測軟件設計

1.1 FPGA軟件設計

采集程序利用規格為50 MHz的看門狗計時器為FPGA的采集工作計時，這種計時器能夠為FPGA提供0.02 μs的采集間隔。也就是說，加入50 MHz看門狗計時器的采集程序能夠使FPGA每隔0.02 μs便采集到一個傳感器網絡節點能耗數據。這種采集工作的效率非常高，為了避免效率過高造成的節點能耗數據丟失和亂碼情況，所設計的采集程序將對節點能耗數據進行數據封裝，具體封裝格式于表1中給出。

由表1可知，一個傳感器網絡節點能耗數據的字節共有16位，所設計的采集程序將這16位字節分成4段。封裝時，在每段字節的前面放置2位特定字節、后面放置6位計算字節。當需要提取被封裝后的傳感器網絡節點能耗數據時，應先對其進行逆向字節刪除，再重構4段字節，即可獲取FPGA采集到的、完整的節點能耗數據。

節點能耗識別碼的作用是：保護FPGA采集到的節點能耗數據免受網絡入侵，維持數據的自身完整性和傳輸穩定性，圖1為節點能耗識別碼寫入原理圖。

由圖1可知，傳感器網絡節點能耗監測軟件所提供的節點能耗識別碼包括復位碼、計時碼、A/D碼和輸出控制碼，這些節點能耗識別碼能夠幫助軟件獲取到更遠的監測距離。當FPGA根據采集程序采集到傳感器網絡節點能耗數據，并經由輸出控制碼通過串口輸出后，傳感器網絡節點能耗監測軟件將使用A/D碼對其進行模/數轉換，計時碼在模/數轉換過程中提供計時服務。復位碼為FPGA串口提供初始化服務，通常與軟件的初始化共同進行。

1.2 控制板軟件設計

經由傳感器網絡節點能耗監測軟件控制FPGA后，控制板所接收到的每個節點能耗數據均為4段，這導致控制板在讀取節點能耗數據時，將不可避免地出現4段數據順序錯亂的情況。為此，需要對控制板數據讀取流程進行軟件控制，如圖2所示。

由圖2可知，在表1中，采集程序為節點能耗數據中4段數據的前兩位均賦予了不同的前端字節，依次是03，05，13和15。在控制器讀取流程中，所設計的傳感器網絡節點能耗監測軟件根據前端字節的不同，對節點能耗數據中的4段數據進行排序，進而延長節點工作壽命。控制器讀取流程對每個節點能耗數據運行4次循環，以獲取完整的傳感器網絡節點能耗數據。

2 傳感器網絡節點能耗監測的軟件實現

當傳感器網絡節點能耗數據被完整獲取后，控制板將對傳感器網絡節點能耗數據進行解析，給出節點能耗調節建議。所設計的傳感器W絡節點能耗監測軟件將對控制板節點能耗監測工作的功能進行實現，如圖3所示。

由圖3可知，為了實現傳感器網絡的節點能耗監測，軟件給予控制板兩項功能，分別是能耗監測對比功能和通信功能。通信功能使用傳感器網絡接口以及軟件、硬件連接接口，將節點能耗數據輸入到能耗監測對比功能中的傳感器網絡模型。對該模型的不同節點進行對比可獲取對比數據集合1，再將模型與軟件內置的傳感器網絡模型進行相同位置同一節點的能耗對比，可獲取對比數據集合2。

將2個對比數據集合匯總，經由功能軟件接口中的實現代碼進行解析，可獲取最終的節點能耗調節建議，進而實現傳感器網絡節點能耗監測軟件對傳感器網絡節點能耗的有效監測。

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺的搭建

將三種軟件分別安裝在如圖4所示的傳感器網絡節點能耗監測系統上。實驗采取圓形區域監測方式，方便數據記錄。

3.2 監測距離實驗結果分析

監測距離包含監控距離和探測距離。在本文實驗中，監控距離是指能夠采集到傳感器網絡有效數據的軟件延伸半徑，而探測距離則是指能夠對采集到的數據進行有效重構的軟件延伸半徑。實驗中，依次增加圓形監測區域半徑，三種軟件的監控距離和探測距離曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可知，本文軟件監控距離曲線的橫縱坐標數值幾乎一致，證明本文軟件能夠準確采集到傳感器網絡的有效數據，監控距離較遠。而TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監控距離均不如本文軟件。

由圖6可知，TOSSIM軟件和DUTTA軟件的探測距離曲線均存在較大的波動，且數值較低，表明這兩種軟件的探測性能不強，因此檢測距離較近。本文軟件的探測距離曲線則僅存在微小波動，與監控距離相比并無較大的下降。

以上實驗結果能夠驗證，本文軟件具有較遠的監測距離。

4 結 論

在傳感器網絡節點能耗監測系統中，FPGA負責進行傳感器網絡節點能耗數據的持續采集，控制板對節點能耗數據進行解析，給出節點能耗調節建議。本文設計的傳感器網絡節點能耗監測軟件可為FPGA和控制板的工作流程提供優良的軟件控制。實驗對比了本文軟件、TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監測距離和節點工作壽命延長性能。結果表明，本文所設計的軟件監測距離較遠、節點工作壽命延長性能頗佳。

參考文獻

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[3] 程明月，馬婭婕，趙蕾，等.一種基于空間相關性的WSNs節點睡眠調度算法[J].傳感器與微系統，2015，34（11）：143?146.

[4] 張聚偉，劉亞闖.基于信度勢場算法的水下傳感網絡部署及仿真[J].系統仿真學報，2015，27（5）：1030?1037.

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1分布式電力監測系統對通信網絡的要求

對于分布式電力監測系統，聯系各個智能裝置的通信網絡是整個系統的關鍵，通信網絡的選擇將直接影響系統的安全性、實時性、可靠性.(1)可靠性和安全性由于電力供應的連續性和重要性，通信網絡的可靠性和安全性應是第一位的.(2)良好的實時性由于電力系統中故障保護、開關變位、遙控返校等信息要快速傳遞，所以網絡應具有良好的實時性。(3)良好的環境適應性能適應變電站的強電磁干擾和電磁污染.

2現場總線CANBUS的特點

CAN總線是英文ControlAre。Net的縮寫，該網絡最初是為汽車電子系統開發的，專為強干擾環境下實時監控系統使用，具有許多其他網絡無可比擬的優點，得到了廣泛的應用.現INTEL、PHILIPS、MOTOROLA等公司都有支持CAN網絡的產品投放市場.

2.1多主工作方式

CANBUS可以多主方式工作，網上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息，而不分主從，通信方式靈活.利用這一特點可方便地構成多機備份系統.

2.2沖突避免(CA)技術

CANBUS采用沖突避免技術，既一旦發現沖撞，優先級低的節點主動停止發送，優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，大大節省了總線沖突裁決時間.這一點對保證重要數據的實時性有重大意義.例如:變電站中開關變位、事故跳閘、遙控返校等信息需要立即發送，可以占有較高優先級.CANBUS網絡節點具有128個優先級.

2.3強有力的錯誤控制及錯誤盆發功能

采用CRC校驗方式，每幀數據不可檢查的錯誤小于10一”，具有很高的可靠性.CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯系，以使總線上的其他操作不受影響。

2.4通信距離

通信距離長，CANBUS的最大通信距離為10km.

2.5通信速率通信速率高，CANBUS的最大通信速率為IMb/s.

3分布式電力監測系統的結構及應用

分布式電力監測系統由CANBUS網絡、現場智能儀表、上位監控軟件構成，以下結合廣州港新沙機械化糧庫電力監測系統的實例進行分析。廣州港新沙機械化糧庫電力監測系統結構如圖1所示。

3.1新沙糧庫電力監測系統概況

廣州港新沙機械化糧庫是國家“九五”重點建設項目，糧庫工作塔安裝的斗提取料機生產能力為5。。t/h，它的配套低壓電機容量為132kw，這在低壓電機中屬大容量電機.同時應用場合為糧食提升，有空載、重載、負載變化等工況，甚至有重載啟動等特殊工況.在這些工況下，為保證電機的正常工作，需要實時監測電機的工作狀態，因此我們設計安裝了基于CAN現場總線的電力監測系統.本電力監測系統的設備分布于綜合樓八層的中央控制室和樓房倉二層低壓電氣室，兩地電纜距離220m，其中監控計算機安裝于中央控制室，電力監測智能儀表安裝于低壓室低壓電器柜附近的電力監測柜，兩部分通過屏蔽雙紋線通信。監控計算機上配t組態監控軟件，可直觀的顯示各被監測電機的工作情況，并作詳細記錄.

3.2CANBUS網絡

CANBUS網絡由分布于現場、控制室的各個節點和網絡通信介質組成。3.么1網絡拓撲結構系統采用的CAN-BUS網絡為二線總線制串行網絡，上位監控計算機采用雙機冗余熱備方式，當主機出現故障時，自動切換至從機，實現不間斷監控.各現場節點按需要設置于變電所或機側，通過網絡通信線串行連接，可任意增加或刪除節點.網絡通信距離可延伸至10km，網絡上的節點可達到110個，當需要監測更多的節點時，可通過加設網絡控制器增加網段數來實現.3.2.2節點現場的節點具體為智能電力監測儀表內的智能CAN通信接口卡，控制室的節點具體為插入監控計算機的智能CAN通信接口卡。智能CAN通信接口卡由CPU、雙口RAM、CAN總線控制器、CAN總線收發器組成，可獨立地完成通信工作.智能CAN通信接口卡實現的功能為和主CPU交換數據，實現CAN協議規范，完成物理電平轉換.

3.2.3網絡介質

網絡介質為屏蔽雙絞線，網絡兩端安裝終端匹配電阻，每個節點配置TVP瞬變電壓抑制二極管，可有效地抑制串入網絡線的浪涌脈沖，防止瞬變電壓損壞CAN接口器件，使網絡穩定運行于電磁干擾強的變電站環境或露天長距離傳輸環境.

3.3現場電力監測智能儀表

電力監測智能儀表的型號為Aucutech一100，具有CANBUS通信接口，安裝在變電所開關柜、MCC柜內，監測一回輸電線路，完成PT、CT信號的采集，并進行電量的運算和顯示，通過掛接開關量輸入/輸出模塊和模擬量輸入模塊，可實現遙測和遙控功能.

3.4上位監控軟件

監控計算機硬件為奔騰級PC機，內插智能CAN通信接口卡，采用wIN95操作系統.監控軟件由通信監控軟件和電力監控組態軟件組成。

3.4.1通信監控軟件

通信監控軟件的功能為完成網絡通信的收發和監控，軟件設計為開放式結構，可通過DDE服務程序和流行的人機界面軟件(如INTOUCH、FIX)動態雙向交換數據.

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關鍵詞:體域網;體征監測;異構的生理傳感器;低功耗調度

中圖分類號: TP212.9 文獻標志碼: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

近年來,隨著可穿戴計算和生物信息傳感技術的飛速發展,無線體征監測系統(Wireless Physiological Monitoring System, WPMS)能夠在人體自然狀態下對體征狀況進行長期的無創連續監測,并根據系統設置進行實時的狀態指示或異常體征告警[1-2]。一方面,人體的病變與康復是一個日積月累的過程,無線體征監測系統連續地檢測各種生理信息,可對生理趨勢或治療效果進行跟蹤分析,有助于疾病的早期發現或康復治療,并在體征異常的情況下做出應急反應[3]。為了實現長期監測的目標,Chen等[4]針對無線體征監測應用提出了一種低功耗的微控制器設計方案,有效降低了電路系統的功耗。另一方面,心臟病發作或跌倒中風等異常體征狀況具有很大的偶然性和突發性。為此,秦曉華等[5]采用分層體系結構開發了一種可穿戴的體征監測系統,實現了心率檢測、跌倒檢測、緊急呼叫與GPS定位等功能,以幫助減少異常體征狀況對穿戴者生命的威脅。未來,無線體征監測系統一方面將能夠監測更多的生理信息,以實現全方位的體征監測;另一方面系統將朝著舒適、安全、易用等方向發展[6]。

體域網(Body Area Network, BAN)又稱體域傳感網(Body Sensor Network, BSN),通常由分布在人體上或植入體內的一個協調器和若干生理傳感器組成,且依賴于電池供電[7]。不同于一般的無線傳感網絡,體域網僅在人體區域內進行近距離的通信,協調器作為其中心節點,與多個生理傳感器構成星形的網絡拓撲結構,不需要耗能的路由操作。針對醫療保健類應用,IEEE 802.15.6等國際組織正在進行體域網的標準化工作,以期實現低生理負荷、低心理負擔的無線體征監測[8]。目前,體域網主要采用3種短距無線通信技術:超寬帶(UltraWideBand, UWB)、Bluetooth和ZigBee。相對于Bluetooth與ZigBee,UWB使用500 MHz以上的傳輸帶寬,具有傳輸視線無限制、抗干擾性強、功耗低和對人體影響小等諸多優勢,因此UWB體域網有望成為未來各種無線體征監測系統的通信平臺[9]。

無線體征監測系統需要持續地獲取各種生理信息,多個生理傳感器的聯合調度對于延長此類系統的工作壽命是非常重要的[10]。在通常的無線體征監測系統中[11],各個生理傳感器按照給定的感知模式獨立地進行監測,由協調器循環地調度各生理傳感器的數據傳輸。無線通信研究表明,每比特數據的平均傳輸功耗隨著瞬時傳輸速率的增加而減少。因此對于無線體征監測,Ghasemzadeh等[12]提出通過貪婪緩存分配算法對各生理傳感器的無線數據傳輸進行聯合調度,在延時約束下使無線數據突發傳輸,以減少整個系統的功耗。在已有的調度方法中,無論穿戴者的體征狀況如何,所有生理傳感器都會周期性地向協調器傳輸數據,這可能導致大量無效的生理數據。

本文的目標在于針對現有調度機制的不足,為無線體征監測系統提供一種較低功耗的調度方法?；赨WB體域網和異構的生理傳感器,本文針對該類系統提出了一種基于體征狀態機的低功耗調度方法,以滿足長期體征監測的需求。

1 無線體征監測系統的架構

在完成穿戴者的個人特征輸入之后,無線體征監測系統能夠對多種生理信息進行連續監測,并通過體域網將生理數據傳輸給協調器,協調器對收到的異構數據進行分析和存儲,隨后向各生理傳感器發送控制信令。圖1給出了無線體征監測系統的基本結構,該系統需要部署一個協調器以及b1~b6等6個異構的生理傳感器,無線通信采用星形拓撲的UWB體域網。在網絡配置完成之后,協調器負責無線網絡的維護和管理,包括信道共享、通信同步、數據提取等;生理傳感器負責各種生理信息的采集和監測,并對生理信號進行放大、濾波、模數轉換(AnalogDigital conversion, A/D)、壓縮編碼等處理,然后通過無線接口向協調器傳輸。協調器是一個具有多模無線收發功能的數據匯聚點,負責調度各生理傳感器的工作時間,并通過異構多源信息融合技術來分析當前的體征狀況;同時,協調器還能與3G/4G等廣域外網連接,當穿戴者出現危險情況時自動向家人或急救中心報警。

典型的生理傳感器包括心電、腦電、脈搏、體溫、呼吸、血壓、血氧、陀螺儀、加速度、肌電等。對于無線體征監測系統,圖2給出了多種生理傳感器與協調器在人體上進行布局的應用示意圖,各生理傳感器分別安置于穿戴者的某一部位,并將采集的生理數據通過體域網發送至協調器。穿戴式設計必須綜合考慮臨床醫學、人體工學和系統電磁特性等因素,例如,系統可將重量較大的協調器部署在人體腰外側,心電傳感器、脈搏傳感器和體溫傳感器分別安置于胸部、手腕和腋下。

1.1 生理傳感器

生理傳感器由采集模塊、處理器模塊、體域通信模塊和電源模塊4部分組成,各模塊協調工作。采集模塊負責生理信息的獲取,并進行放大、濾波、A/D等信號預處理。生理信號的采集技術尚不成熟,本系統可采用的技術包括:心電采用織物電極方式,脈搏基于壓電傳感機理,呼吸采用體積描記法,血壓采用無創袖套間接方式,血氧采用指脈式透射血氧探頭,人體姿態檢測采用三軸加速度計或陀螺儀。處理器模塊負責控制各個模塊,并對采集數據進行壓縮編碼與緩存。體域通信模塊負責將生理數據通過UWB無線方式傳輸給協調器,并接收來自協調器的控制信令。電源模塊負責提供各模塊所需能量,且帶剩余能量預警功能。系統默認生理傳感器無須發送不變的生理數據,這樣就減少了無線傳輸的數據量。此外,生理傳感器還可設置啟動與否、采樣率、A/D精度、壓縮比等感知模式,從而以較低的數據量獲取生理信息。

1.2 協調器

協調器是無線體征監測系統的調度中樞,它在開機后首先創建一個UWB體域網,接納各生理傳感器的入網請求。在網絡建立后,協調器需要根據當前監測情況控制各生理傳感器的運行,盡量避免不必要的能量消耗。協調器主要負責如下任務:1)與生理傳感器進行通信,包括收集生理數據和發送控制信令;2)利用多源生理數據進行體征評估,將處理獲得的特征值與正常門限進行比較,以便監測到可能的健康風險。當監測到異常體征狀況時,協調器能提醒穿戴者或采取其他醫療預警措施。例如,在穿戴者生命危急時,協調器將告警信息上傳給急救中心,方便定位穿戴者的位置,并及時給予急救。

1.3 UWB體域網的通信機制

能量受限一直是體域網所面臨的主要挑戰,無線數據傳輸消耗了大部分的系統能量,從而縮短了系統的工作壽命。對緩存數據進行高速傳輸是降低無線通信功耗的有效方法,而UWB體域網本質上就具有數據突發傳輸的特性。在延時允許的前提下,生理數據可在緩沖區中積累到一定程度時,再以突發數據形式和更高的瞬時速度進行發送,以降低系統功耗。一個高效的突發通信機制應在延時允許的情況下,最大限度地減少無線傳輸次數及無線傳輸數據量。為保障多路數據傳輸的穩定性,UWB體域網采用保留通道的時分多址方式,保留通道占用時隙的相關信息在信標時段傳送,各個生理傳感器使用信標幀來同步傳輸,傳感器之間不會相互干擾。

2 系統調度建模

在無線體征監測系統中,監測周期的長度可根據應用場景進行設定,通常為1s~60s。為敘述方便,先對要用到的符號進行定義:假定系統總共包含K個異構的生理傳感器,分別監測K種生理信息;V={1,2,…,K}表示這K個生理傳感器組成的最大集合,k∈V表示其中某一生理傳感器的索引值;t表示按時間順序的第t個監測周期,T表示能量耗盡時的總監測周期數。傳感器集合V(t)是由第t個監測周期正常運行的生理傳感器組成,即V(t)V;Eb(t)表示V(t) 在第t個監測周期的運行能耗,Ec(t)表示協調器在第t個監測周期的運行能耗,E表示整個系統的總能量。進一步地,U(t)表示在第t個監測周期取得的體征監測效用,系統調度的目標就是在總能耗約束下去最大化總的體征監測效用,以獲取更有價值的體征信息。這樣,本文研究的問題可以用式(1)表示:

max ∑Tt=1U(t)(1)

s.t. ∑Tt=1Eb(t)+∑Tt=1Ec(t)≤E

對于上述受限最優化問題,準確地解析表達式難以實現,本文試圖找出一種實際可行的解決方案。因此,本文進一步假定每個監測周期的體征監測效用均相等,且Ec(t)取決于V(t)。這樣,式(1)就轉化為如下問題:如何有效地選取傳感器集合V(t)來增加總監測周期數T。

3 基于體征狀態機的調度

無線體征監測系統并不為穿戴者提供精確的體征診斷,而是作為一種輔助的醫療手段。盡管一個人的體征狀況本質上具有模糊性,但仍可根據人類的認知水平進行一定的分類。本文將體征狀況簡單地分成如下五種體征狀態機:

健康狀態S1 體征狀況滿足醫學意義上健康的生理指標,且與過去收集的特異性生理信息進行比較分析,呈現規律性的生物周期;

亞健康狀態S2 體征狀況滿足醫學意義上一般的生理指標,但比較分析得到的生物周期呈現不規律性;

疾病狀態S3 體征狀況不滿足醫學意義上一般的生理指標;

重癥狀態S4 體征狀況嚴重偏離醫學意義上的生理指標;

突發危險狀態S5 體征狀況突然發生危險的改變,例如跌倒、中風等意外傷害。

在本文中,Sn∈{S1,S2,S3,S4,S5}表示體征狀況的某一體征狀態機。體征狀態機的改變通常是一個漸進的、復雜的過程,但也存在跌倒、撞擊、心臟病突發等導致的急速轉變。圖3給出了反映體征狀況改變的體征狀態機模型,每個體征狀態機分別代表一種體征狀況,監測系統可在各種體征狀態機之間進行轉換。當多源生理信息沒有實質性的變化時,系統保持同一體征狀態機;當多源生理信息有實質變化時,系統將更新體征狀態機。例如,假定穿戴者的體征狀態機最初在健康狀態S1,隨后他的血壓水平開始逐漸下降,脈搏率開始增加,體征狀態機在某一監測周期過渡到亞健康狀態S2,進而病情加重過渡到疾病狀態S3;在意外跌倒等突發狀況下,健康狀態S1會立即轉到突發危險狀態S5,并產生預警;在康復或警報解除的情況下,體征狀態機又會回到健康狀態S1。

異構的多生理數據之間具有一定的相關性,每種體征狀態機應選取一個精簡的傳感器集合,例如心電、血壓、血氧和加速度等傳感器結合起來可以確定是心臟病發作還是跳躍、咳嗽等正常活動。因此,本文提出了一種基于體征狀態機的系統調度方法,該方法根據當前監測周期的體征狀態機確定下一監測周期的傳感器集合,其他傳感器則進入休眠狀態,以便降低整個系統的功耗。根據當前監測周期的體征狀態機,體征狀況越接近“危險”,系統應在下一監測周期開啟更多的生理傳感器來進行相對重要的監測。例如,健康狀態S1只須開啟少量的生理傳感器,亞健康狀態S2增加生理傳感器,疾病狀態S3開啟更多的生理傳感器,重癥狀態S4開啟絕大部分的生理傳感器,突發危險狀態S5開啟所有的生理傳感器。在系統完成初始化后,圖4給出了基于體征狀態機的調度流程,它主要包括以下步驟:

1)獲取生理數據。在第t個監測周期,傳感器集合V(t)采集并處理穿戴者的生理信息,隨后通過UWB體域網傳輸給協調器;各傳感器具有一定的預判能力,如果生理數據不變,則默認不向協調器傳輸。特別地,在第1個監測周期,所有生理傳感器V均進行數據采集與傳輸。

篇10

關鍵詞：地下水位 動態監測 系統研究

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0011-01

對于地下水位動態監測過程的實現對于促進人們提升水資源的利用率以及水資源利用的合理性都有一定意義。本文就建設地下水位動態監測系統的必要性以及地下水位動態監測系統建設要點進行了分析。

1 建設地下水位動態監測系統的必要性

地下水位動態監測的信息直接影響人們生活以及農業模式的選擇。對于地下水狀況的掌握需要測量多個和地下水資源有關系的多個參數，其中最重要的就是水位的測量，水位一旦發生某些輕微的變動就會對人們生活生產造成極大的影響。因此加強水位動態監測系統的建立和完善對于促進區域內水資源合理利用有著重要作用。但是就我國目前地下水動態監測系統的建立情況來看，其還存在這許多的問題。目前對于地下水測量的主要方式還以傳統簡單的方式為主，即在被測量地運用手工放線或者簡單測量儀器等對水位進行測量，這種方式受外界因素的影響較大，不利于相關部門對于水位精確變化的掌握。

2 地下水位動態監測系統建設要點

2.1 系統建設的總體目標

地下水位動態監測系統的建立最主要的目的就是為了實現簡單、高效的對地下水位進行自動實時監測。在此系統中水位測量數據的采集主要運用的就是相關傳感器，當各個監測點經由傳感器獲得水位數據之后利用相關的數據傳輸方式把其傳至系統終端，從而為相關人員對于數據的分析創造條件。在對水位動態監測系統的建立過程中需要公共電信網通訊技術的支撐，數據傳輸的方式可以以GSM技術為核心。對于各個監測點水位數據的采集可以采用無線控制技術，像ZIGBEE等。一個完善的水位動態監測系統應改能夠實現每天都能對水位進行采集并把所采集的數據進行自我儲存的功能，從而為水位動態監測系統功能的發揮奠定基礎。

2.2 地下水位動態監測系統的組成部分

地下水監測系統所檢測的對象主要為地下水位的高度以及埋藏的長度，所檢測的地下水位的數據應該能夠自己錄入相關的數據庫中并能夠經處理之后以報表和曲線等形式得以體現。一般情況下一個完整的地下水位檢測系統應該由傳感器、檢測主機RTU以及通信網絡等組成。

（1）傳感器。

根據傳感器的作用機理傳感器也叫做換能器、變送器以及探測器等。其在地下水位動態監測過程中所具有的最主要的作用就是對水位的變化情況進行檢測和感知，并把所感知的變化情況以數據信號的形式得以體現。在地下水位動態監測系統中所運用的傳感器的類型為水位傳感器，在對傳感器類型進行選擇時要把傳感器的自身性能、傳感器被使用的環境以及成本等因素納入考慮范圍之內。一般情況下，所采用的水位傳感器的具體參數如下。

測量范圍（FS）：0--50mH2o；

允許過壓：2倍滿量程壓力；

測量介質：與316不銹鋼兼容的液體；

綜合精度：±0.25%FS；

長期穩定性：典型為±0.1%FS/年；

使用溫度范圍：一體式為-20～70℃；

零點溫度漂移：典型為±0.02%FS/℃， 最大為±0.05%FS/℃；

靈敏度溫度漂移：典型為±0.02%FS/℃， 最大為±0.05%FS/℃；

供電范圍：12～36VDC（一般24VDC）；

信號輸出：4～20mA；

負載電阻：≤（U-12）/0.02Ω；

結構材料：外殼為不銹鋼1Cr18Ni9Ni， 膜片不銹鋼316L，密封為氟橡膠，電纜為Φ7.2mm聚氯乙烯專用電纜；

絕緣電阻：100MΩ，500VDC；

防雷：三級防雷設計（1萬V/5kA）；特殊可（2萬V/1萬A）；

防護等級：外殼防護等級IP68；

安全防爆：ExiaⅡ CT5；

分辨率：無限小（理論），1/100000（通常）。

（2）監測主機RTU。

在對監測主機RTU進行選擇時一定要綜合考量其各種性能，尤其是可靠性以及低能耗性要最大程度的滿足于系統設計的要求，在主機上要具有各種通信接口以及傳感器接口，能夠實現查詢--應答式和自報式的混合工作制式。另外主機還應該具有定時自檢發送、死機自動復位、站址設定、掉電數據保護、實時時鐘校準、直觀現場顯示和設備測試等功能；可顯示、主動發送電源電壓、端口工作狀態；能接受中心站的遠程自動校時，計時誤差不超過2min/年；能接受中心站的按時段遠程下載存儲數據等功能。

（3）通信網絡。

在地下水位動態監測系統的建立過程中所采用的通信網絡主要為公共運營通信網絡，在網絡的建設過程中需要遵循一定的原則，為了使這種原則能夠實現標準化相關部門則定義了數據網絡通信協議，當數據在傳輸過程中，相關數據壓縮和打包過程就需要把設定的數據網絡協議作為依據，并按照數據協議的標準對數據進行封裝，為數據傳輸的高效實現創造條件。在把數據傳輸到終端之后，經過相關設備對數據的轉換可以使得數據信號轉換為人們能夠理解的形式。另外為了獲取最準確的水位測量信息，相關技術人員應該根據水位測量要求對通信網絡的數據傳輸的頻率進行設定，一般情況下8 h采集一次數據，每條數據中記錄至少20個字節，一天傳輸3條。這樣下來，一個月所需要的數據流量也不過6KB左右，加上系統運行所需要的必要的心跳包，整體算下來，一個月的數據流量也會小于4M，這能夠極大程度的降低數據傳輸成本以及提升數據傳輸效率。

3 某地地下水位動態監測系統實例分析

為了更好的了解地下水位動態監測系統建設的過程，該文以某地地下水位動態監測系統的建設過程為例，對地下水位動態監測系統的建設要點進行分析。

在實例中地下水位檢測系統所采用的傳感器為文中所述傳感器。

主機參數如下所示：

值守功耗：≤2mA

傳感器供電5V、12V可選，設備工作電壓交流220V；

輸數模轉換：16位高精度ADC采集芯片，轉換誤差

可靠性指標：在正常維護條件下，設備的MTBF≥25000h；

工作環境：溫度-30～+60℃。

可以看出，地下水位動態監測系統的建立和完善不僅能夠實現對相關檢測地的水位的測量還能夠對相關區域的水量數據進行統計。另外整個系統有多個子系統構成，這對于相關人員對于相關數據的準確查詢提供了一定的便利條件。

4 結語

通過該文的論述我們可以發現建立一個完善的地下水動態監測系統是十分必要的，地下水動態監測系統的建立能夠為人們對于水資源的管理以及利用提供最為可靠的數據依據。