基于物联网高校能耗智能化监控系统

倪 鹏, 樊之阳

(长春工业大学 软件职业技术学院， 吉林 长春 130012)

基于物联网高校能耗智能化监控系统

倪 鹏, 樊之阳

(长春工业大学 软件职业技术学院， 吉林 长春 130012)

利用物联网物物相连的特点，设计了廊道、教室的智能化照明,水电能源的智能化管理以及监控系统，解决了高校水电能源的浪费问题。

物联网； 能耗； 智能化； 监控

0 引 言

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是中国持续发展的重要保障。根据2013年教育部统计，我国共有高校2 198所，在校学生超过2 300万，占全国总人口的2%，但是高校的能源消耗却占到了全国社会总能源消耗的8%，远远超出人均能源消耗指标[1]。高校是培养人才的重要课堂，在高校实施能源监控不仅可以降低能耗、降低办学成本，更能够提高学生对能源问题的认识程度，培养学生的节能意识。通过调查发现，目前高校在能源利用与管理上主要存在以下两方面问题：一是长明灯造成的电能源浪费；二是长流水造成的水能源浪费。为了解决以上问题，高校急需一套融合能源监督、管理、统计和控制为一体的解决方案。

物联网(Internet of things)的概念是在1999年提出的，是在互联网的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念[2]。随着网络和智能终端的迅猛发展，物联网的应用环境逐渐成熟。2009年温家宝总理发表重要讲话，提出“感知中国”的战略，在“十二五”规划明确指出要“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”。目前，我国物联网技术的应用主要在农业、安防、交通等场所，教育领域应用较少，随着网络和手机的普及，为高校物联网应用奠定了通信硬件基础平台。

文中通过将物联网技术应用于高校能耗监控系统，为高校设计一套稳定的能耗监控智能化解决方案，在高校能耗的智能化监督、智能化管理、智能化统计和智能化控制等方面提出相应的解决方案，为建设节约型高校做出贡献。

1 物联网体系结构

物联网之所以得到广泛的应用主要原因在于它赐予了物体“智慧”，只有当物体具有“智慧”后才具备与人类交流的能力，才能实现物联网的最终目的，实现人与物、物与物的沟通[3]。物体的“智慧”是通过把物体的感知能力、通讯能力和处理能力叠加一起实现的，所以物联网体系架构由感知部分、网络部分和应用部分组成。

感知部分类似于人的皮肤和五官，主要的作用是识别物体和感知信息，包括数据采集和数据的短距离传输两部分，数据采集部分由条码识读器、RFID、各类传感器和摄像头等具有识别能力的器件组成，短距离数据传输通过蓝牙、红外和ZigBee等技术实现。

网络部分类似于人的中枢神经，主要负责数据的长距离传输和数据处理。网络部分负责将感知部分获得的信息安全、准确、可靠的传输，主要通过互联网、移动通讯和专用网等技术实现[4]。

应用部分类似于人的应用和反应，主要负责物体“智慧”的体现。应用部分负责把网络部分传递的信息分析处理，依据正确的数据实现物联网的具体应用，例如智能信号灯、智能大棚、智能家居、智能工业监控等。具体结构如图1所示。

图1 物联网体系结构图

2 高校能耗智能化监控系统整体架构设计

高校能耗智能化监控系统的整体架构根据高校的水电实际应用情况，遵从安全、可靠、稳定、可行及可扩展等原则设计，参考先进的传感技术、网络技术、通讯技术和处理技术，在物联网体系结构的基础上设计完成，主要包括感知、网络和应用三个层次，具体架构如图2所示。

2.1感知层

感知层主要包括数据采集和数据的短距离传输两部分，完成数据采集工作。

数据采集主要是通过在楼梯走廊、公共教室、实验室、水房、卫生间、寝室等公共房间放置温度传感器、湿度传感器、探头传感器、超声波传感器、人体探测传感器、震动传感器、用水量传感器和用电量传感器等信息采集设备，可以获取房间温度、亮度、湿度、进出的学生数、室内使用人数、使用人的具体位置、水能源的使用状态及用量和电能源的使用状态及用量等基础数据。这一部分位于系统整体架构的最低层，是智能化能源监控系统的基础，是物联网感知技术的核心。

短距离无线数据传输主要通过ZigBee 技术完成。ZigBee的命名来源于蜜蜂，因为蜜蜂是通过煽动释放发出“嗡嗡”的声音来传递方位信息。ZigBee是一种短距离传输技术，是物联网架构里比较实用的数据传输技术，它具有复杂度低、速率低、功耗低、成本低等特点。一个ZigBee网络最多可以容纳255个设备，实用覆盖范围在10～1 000 m之间，使用2.4 GHz免执照频段，采用频跳技术，符合IEEE802.15.4协议。

图2 高校能耗智能化监控系统整体架构

2.2网络层

网络层主要是为监控系统提供一个网络体系，完成感知层与应用层之间的数据传输工作，并通过Internet和移动通信(2G，3G)两种技术完成。

Internet 是国际互联网的简称。Internet基于标准协议，以交流信息和资源共享为目的，通过很多路由和公网连接实现，是一个数据的集合。Internet应用广泛，覆盖面大，是数据传输的高效途径。物联网实质是在互联网应用的基础上逐步进化的产物，实现物与物之间的数据交流。Internet作为监控系统的网络传输途径之一，配合IPv6协议工作，不仅为人类提供网络服务，还可以为大量电子产品提供服务，如远程监控、远程智能家居控制、远程定位等，通过Internet技术可以大面积提高物联网的应用范围，开阔物联网的应用领域，把物联网深入到生活中的各个细节。

移动通信(2G，3G)网是主要专注于移动通信技术的网络，它是移动物体与固定物体或者移动物体与移动物体之间的通信，在通信过程中可以采用无线和有线两种方式[5]。目前，移动通信主要包括2G和3G网络，物联网可以利用移动通信的移动能力强和数据响应快等特点提高物联网应用的灵活性和快捷性。

2.3应用层

应用层主要是分析网络层传输来的数据，然后根据具体需求做出处理，实现监督、管理、统计和控制等功能。监控系统具体实现廊道智能照明系统、教室智能照明系统、智能用水系统、用电量监控系统、用水量智能监控系统[6]。

廊道智能照明系统主要是通过在感知层收集到的信息，计算廊道需要补偿的灯光亮度，计算廊道行人的具体位置，实现廊道灯光的智能调节和智能跟随等功能。

教室智能照明系统主要是通过在感知层收集到的信息，计算教室需要补偿的灯光亮度、计算教室内的实际人数、计算教室内学生的具体学习位置，实现教室灯光智能调节和智能控制教室内亮灯数量和亮灯的位置等功能。

智能用水系统主要是通过在感知层收集到的信息，计算水流的使用状态、水房的使用人数，实现无人使用时自动关闭水龙头的功能。

用电量监控系统和用水量监控系统通过感知层收集用量信息，计算用量数据，统计使用情况，实时打印用量曲线，实现通过B/S网站和移动手机两种方式监控和管理用量情况，发现有使用问题的时候第一时间通过手机通知相关负责人，负责人可以远程控制系统[7]。

3 系统硬件设计

监控系统的感知层主要由光线强度检测芯片TSL2561、人体感应芯片HC-SR501、距离检测芯片SRF05和电量检测芯片ADE7755等数据采集芯片组成，由于涉及的电路图较多这里不一一介绍[8]。

光线强度检测采用TSL2561模块，TSL2561是TAOS公司推出的一种光-数字转换器，它可以将光线强度转换成数字信号输出，能够通过总线访问，具有功耗低、效率高和可编程操作等特点。

人体感应采用HC-SR501模块，HC-SR501模块通过德国原装LHI778探头检测，具备工作电压低、稳定性强、灵敏度高等特点。

距离检测采用SRF05模块，SRF05模块是SRF04的升级版[9]，测量的有效距离是4 m，SRF05可以只通过一只管脚发射和接收数据，节省MCU的管脚资源，SRF05模块电路原理如图3所示。

图3 SRF05电路

具体距离检测通过下式实现

式中：D----测量的距离长度；

T----从声波发射到声波返回的时间差;

S----超声波在空气中的传播速度。

传播速度与温度有关，具体数值见表1。

表1 传播速度与温度对应数值表

假设设计系统的时钟频率fosc为12 MHz，设计数值为N，空气温度为30 ℃,则

T=N×t

水能计量采用LWGY型涡轮流量传感器，它可以将流量信号以脉冲的形式输出，供电电源为12 V或者24 V，最远传输数据达到500 m。

电能计量采用ADE7755芯片(美国ADI公司研制的计量芯片)，它具有精度高、误差小(在500∶1动态范围内误差低于0.1%)、低功耗等特点。ADE7755将电压和电流信号数字化后直接相乘得到瞬时功率信号，然后将瞬时功率信号进行低通滤波就得到有功功率分量，具体公式如下:

式中：V(t)----瞬时电压；

V0----平均电压；

Vh----h次电压谐波有效值；

αh----h次电压谐波相位角;

I(t)----瞬时电流；

I0----平均电流；

Ih----h次电流谐波有效值；

βh----h次电流谐波相位角。

具体电量检测通过下式实现:

式中：F----引脚F1，F2输出的脉冲频率；

V1----通道1差动输入电压有效值；

V2----通道2差动输入电压有效值；

G----PGA的增益；

VREF----基准电压。

F1-4为主时钟CLKIN分频获得，分频系数由S0和S1确定，见表2。

表2 F1-4频率表

假设输入220 V,10 A的电流,外部分压比是1/1 880=117 mV,电流经300微锰铜取样后3 mV。

CurrentGain=16;

SCF=S1=S0=1;

CF=16×F=1.586 脉冲/s。

那么1kW·h就是 1.576×3 600s=5 673.6脉冲,这个就叫脉冲常数。假如脉冲常数要求为5 600,那么可以通过调节电阻,把分压电阻调小,把输出脉冲校准到5 600。如果以0.01kW·h为最小单位存取,那么单片机计56个脉冲就0.01kW·h。

4 系统软件设计

监控系统的软件平台是在微软公司的Windows2000系统下开发的，具体使用ASP.net开发工具，数据库用MSSQL。根据具体功能包括廊道智能照明子系统、教室智能照明子系统、智能用水子系统、用电量监控子系统、用水量智能监控子系统。限于篇幅，具体子系统的程序流程图和具体程序省略。

5 实验测试结果

5.1能耗采集测试

能耗采集性能是监控系统数据采集的重要部分，为了保证监控系统的正确应用，我们设计如下测试：在教室放置灯400W、电视200W和投影700W三种额定功率已知的耗电设备，根据ADE7755原理计算脉冲数，通过多次测量得到测试结果如图4所示。

图4 能耗脉冲比对图

通过测试结果证实,该模块实际应用误差微小，可以满足用户实际需求。

5.2无线传输测试

无线传输性能是监控系统应用的基础，保证传输数据的准确性、可靠性和稳定性是监控系统应用的重要保障。本次测试主要从误码率和丢包率两个方面测试传输性能。测试地点设计在廊道，在30m长的廊道里设计摆放了6个传感器(2个亮度传感器、2个人体传感器、2个超声波传感器)，在2h内6个传感器向中心控制器发送数据包，一共发送9组数据(200～1 000个包)，通过测试得到结果见表3。

表3 数据包传输统计表

通过测试结果证实,该网络传输的成功发包率在0.99以上，对包率在0.002以下，可以满足用户实际需求。

6 结 语

物联网的研究不仅可以为我国带来巨大的经济价值和社会价值，更可以加快我国迈向发达国家的步伐。文中以物联网体系结构为基础设计能耗监控系统。

系统硬件成本较低，节能效果较高，性价比较好，系统应用方便灵活，实用性强，具有较高的推广价值，为我国物联网的应用提供参考。

[1] 仇保兴.进一步加快绿色建筑发展步伐：中国绿色建筑行动纲要(草案)解读[J].城市发展研究，2011,18(7):1-6.

[2] 刘强，崔莉，陈海明．物联网关键技术与应用[J]．计算机科学，2010,37(6):1-4.

[3] 张海涛，张永奎．物联网体系架构与核心技术[J]．长春工业大学学报：自然科学版，2012,33(2):176-181.

[4] 刘向举．刘丽娜．基于物联网井下跟踪定位系统[J]．长春工业大学学报：自然科学版，2012,33(1):82-86.

[5] 姜天昌，白长清．基于电力线的家庭智能网关[J]．电子设计工程，2010,18(3):107-109.

[6] 李从容．利用GSM短消息实现远程监控[J].电子工程师，2005，31(4)：34-35.

[7] 苑文举，赵孔新，刘丽伟，等．基于GPRS的汽车防盗无线远程报警器[J]．长春工业大学学报：自然科学版，2008,29(4):391-394.

[8] 王书伟，张茜苹．基于AT89S52与TC35i实现的短信息处理系统[J].信息技术与信息化，2007(3)：31-33.

[9] 胡晓岚，许传森，汪剑，等．基于2．4 G RFID的井下人员定位系统的设计[J].仪表技术，2009(4)：14-16.

Intelligent campus energy consumption monitoring system based on internet of things

NI Peng, FAN Zhi-yang

(School of Software Vocational Technology, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Based on Internet of things, an intelligent monitoring system for campus energy consumption is designed, which include intelligent control for the lighting of corridors and classrooms and intelligent management for the hydroelectric consumption, to save the energy.

internet of things; energy consumption; intelligent; monitoring.

2014-05-25

吉林省教育厅“十二五”科学研究项目(2014146)； 吉林省科技发展计划重点科技攻关项目(20140204033GX)

倪 鹏(1980-)，男，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，硕士，主要从事嵌入式系统开发研究,E-mail:nipeng@mail.ccut.edu.cn.

TP 393

A

1674-1374(2014)06-0677-06