基于ZigBee技术的校园能耗监控系统的建立

尹 博，刘 莉，宋宝泉，王佳晗，李菥然

（1．沈阳工程学院，沈阳 110000；2.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110000；3.辽宁省电力有限公司计量中心，沈阳 110006）

基于ZigBee技术的校园能耗监控系统的建立

尹 博1，刘 莉1，宋宝泉2，王佳晗3，李菥然3

（1．沈阳工程学院，沈阳 110000；2.辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110000；3.辽宁省电力有限公司计量中心，沈阳 110006）

为解决校园建筑能耗监测问题，本文构建了基于ZigBee网络和校园网的能耗监控系统。该系统通过ZigBee网络的终端节点采集分类、分项的能耗数据，利用校园网进行数据传输，采用基于B/S+C/S结构的客户端，实现对能耗的实时监测、统计分析和远程控制，为能源合理利用提供决策依据。

ZigBee；能耗监控；校园网

1 引言

能源是发展国民经济、改善人民生活的重要物质基础。随着我国经济发展，人民生活水平的提高，全国建筑能耗呈稳步上升的趋势，加大了我国能源压力，制约着国民经济的持续发展，因此降低建筑能耗已是刻不容缓。高等学校集教学、科研和生活于一体，人口密度高，建筑量大，更是重要的能源消耗大户。特别是近几年来，高校规模的不断扩张使能源消耗更是呈现快速上涨趋势。

针对这一情况，国家发布了《高等学校节约型校园建设管理与技术导则》，为校园规划、设计、建设、管理、教育普及等各阶段环节提供了全面的管理与技术指导《导则》中明确规定要逐步实现数据采集记录自动化，通过分类计量、分项计量、能耗统计报表及能耗数据库建设等方法建立校园建筑及用能设施分类或分项能耗统计制度[l]。

为此，本文建立了一套基于ZigBee技术校园能耗监控系统。通过建设节能监控平台，实现学校能源分类、分项、分户计量，满足管理部门对学校用能情况的实时监测以及用能数据统计分析的需求，有效的提升校园能源管理水平。

2 系统关键技术

2.1 ZigBee技术

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。有别于GSM，GPRS等广域无线通信技术和IEEE 802.11x，IEEE 802.11b等无线局域网技术，其有效通信距离在几米到几十米之间，属于个人区域网络的范畴。采用免冲突多载波信道接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突。设备功耗低，其发射输出为0～3.6dBm，具有能量检测和链路质量指示能力，根据检测结果，设备可自动调整发射功率，在保证链路质量的条件下，最小的消耗设备能量。ZigBee网络组网方式丰富灵活，具有很强的动态自组织特性[2]。其主要技术特征如表1所示。

ZigBee技术主要优点：

（1）低功耗：传输速率低，发射功率仅为1mW，采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。

表1 技术特征

（2）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备的时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

（3）网络拓扑规模大：支持各类网络拓扑结构，采用主从结构，主节点管理多个子节点，最多可达255个。上层的网络节点还可反向管理主节点，组成后的网络最多可包含65536个节点。

（4）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

（5）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2.2 分项计量技术

分项计量是指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，对建筑的分项能耗情况进行监测。根据《高等学校校园建筑节能监管系统建设技术导则》，把建筑物的用电分为四大项：照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电。分项计量模型如表2所示。

建筑内的分项计量方式，能把建筑内各分项用电的能耗呈现给管理者，清晰地展示建筑能耗的区域分布，有助于把各项用能指标与国家公布的建筑物合理用能指南进行对标，为后续的数据分析、政策制定做好准备。

表2 分项计量模型

3 基于ZigBee技术的校园电网分项能耗采集系统

3.1 系统整体设计

校园能耗监控系统由数据采集系统、数据传输系统、数据监控中心组成。该能耗监控系统重要设备包括服务器、网关设备及终端设备，其中服务器负责处理接收到的电能表信息，并发送现控制指令，而网关设备与采集设备负责数据传输网络的构建，而终端设备负责与电能表进行通信，读写电能表数据，实现向无线网络中数据的传输。系统的整体结构如图1所示。

整个能耗采集系统工作流程为：借助采集器收集远程智能仪表的数据，实现表计数据的实时采集，记录存储。数据采集器将能耗数据传输给数据协调器，协调器是整个系统的桥梁，用于终端管理、数据缓存，一方面接收来自管理中心计算机的各种操作命令并下传采集终端；另一方面，将采集终端的各种信息回传管理中心计算机，同时还存储所辖表计的数据和有关参数，并具有定时抄收采集终端数据，实时临视采集终端的工作状态等功能。

图1 系统整体结构

3.2 ZigBee网络的组建

3.2.1 网络拓扑结构

在ZigBee网络中有协调器、路由器、终端节点3种节点。协调器也叫汇聚节点，它是网络的核心，负责整个网络的建立和维护，并分配各节点的网络地址。路由器除了发送和接收本节点的数据外，还要担当路由功能，为其子节点转发数据。终端节点由于没有特定的维持网络结构的责任，可以随时加入或退出网络。根据设备的通信能力，ZigBee节点又可以分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD不仅具有自身收发数据的功能，还兼具路由转发功能，而RFD则没有路由功能，但其具有休眠功能，能够最大程度地节省能耗。因此，协调器和路由器通常由FFD构成，终端节点则由FFD或RFD承担。

ZigBee网络根据实际需求及3种节点不同的角色，可以构建3种拓扑结构：星形网络、树形网络、网状网络。其中，网状网络的每一个终端节点都具有路由转发功能，任何节点信息都可以通过多条路径到达汇聚节点，这种网络动态性能好，容量大。并且考虑到校园的建筑的布局较分散，无线信号功率需穿越墙体，ZigBee设备组网的拓扑结构采用网状网络[3]，其中，路由节点具有数据转发功能，可以保证ZigBee网络中数据传输的可靠性和系统的稳定性。

3.2.2 网络工作流程

协调器作为ZigBee网络的主控节点，负责网络的建立，节点的加入与管理和网络地址的分配，同时与服务器实时通信等。其工作流程：协调器上电、系统初始化后，在某个空闲信道建立ZigBee网络；路由节点认证后加入网络，同时协调器为其分配ZigBee一个网内惟一地址，并记录其地址信息，之后进入ZStack协议栈[4]操作系统的任务轮循。当有中断事件发生时，对事件类型进行判断：如果是ZigBee网络路由发送过来的各地的能耗信息，则将此消息以规定的数据格式通过串口发送至服务器进行分析；若是服务器发送的命令，则向相应节点发送相应命令。

路由的主要任务为网络的搜索与连接、采集和发送相关设备及能耗的信息、并具有控制相关设备的功能。其工作流程：路由上电后，先进行系统初始化，再搜索并加入可用网络，之后进入协议栈操作系统的任务轮循。当有中断事件发生时，则判断事件类型：如果是定时采集本节点相关传感器信息的事件，则进行数据采集，并将采集的数据以规定的格式发送至协调器；若是收到协调器发送的命令，则执行相应的命令。

3.3 监控网关

监控网关部分包括ZigBee网络的协调器和Internet服务器两部分，其间通过UART串口进行实时的相互通信。系统中的监控网关是整个网络的关键，整个监控网关借助协调器的ZigBee收发模块与自组网络中各个路由通信，同时借助服务器通过校园网，使用数据无差错、不丢失、不重复，并且按序到达的TCP/IP协议和HTTP协议与客户端远程实时交互。

3.4 监控平台

3.4.1 平台构架

作为能耗监控系统的核心，数据中心是整个监控平台的支撑。目前较为常见的两种体系架构是C/ S和B/S。B/S的结构特点是通过浏览器访问服务器的程序，可以在任何地方进行操作而不用安装专门的软件，只需一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护，系统的扩展非常容易。C/S结构特点是客户端要安装客户端程序，通过客户端程序与服务器进行交互，C/S的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服各器，客户端响应度快。

从当前技术水平看，B/S体系特别适用于用户交互量不大的应用，对于要求高速、频繁交互的模式则采用C/S体系，所以两者在应用时应相互补充。这种混合模式是企业应用最多的模式，其基于Web的管理信息体系流程见图2。这种管理体系是基于网络的、分布式的、异构的管理信息系统，可以容纳不同地域、不同网络结构类型、采用不同数据库和应用程序开发工具、在功能上相对独立的管理信息系统，各种管理信息系统通过Web服务器，在客户端以浏览器方式访问，实现系统之间的信息共享[5]。

3.4.2 平台功能

图2 基于Web的管理信息体系流程

（1）统计功能表格：报表导出要满足不同功能需求，能导出各种符合公共机构统计格式的能耗报表；图表（自动生成曲线图、柱型图、饼图、雷达图等）；查询（支持关键词查询、时间查询等功能）；分时段计量（能够自动按不同时间段的设定来统计电耗）。

（2）能耗分析功能：包括对建筑能源利用状况进行定量分析，分时、分区能源消耗对比分析，人均能耗历史对比分析等。

（3）报警功能：根据系统不同计量点的历史能耗数据设定能耗异常报警参数，并依据能耗报警参数实现实时监测报警、短信报警、能耗报警报告自动生成、能耗报警记录查询等功能.

（4）计费功能：系统可根据各单位能耗，进行实时或月度、年度能耗费用的统计，同时可结合各种智能计量仪表实现用能的预付费管理功能.

（5）用能控制功：现阶段的智能仪表都具有远程开断功能，如出现能耗异常报警或者由于欠缴费用等情况可自动中断供电，以免造成不必要的损失。

（6）系统管理：系统提供了用户权限管理、系统日志、报表管理、系统错误信息、系统操作记录、系统参数设置、数据维护存储等功能。

4 结束语

基于IEEE802.15.4的ZigBee技术以其无可比拟的优势在短距离无线个域网技术中得到蓬勃发展。本文分析其网络相关特性，阐述网络组建流程，并以其为基础建立了校园能耗监控系统。该系统的建立有助于实现高效能耗精细化管理和高校节能工作的推进，具有一定的现实意义和社会意义。下一步可以在能耗监控的基础上增设用电器的智能控制设备，通过ZigBee网络实现用电设备智能控制，减少电能浪费。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部．高等学校节约型校园建设管理与技术导则田[S]，2008-05

[2] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌．ZigBee技术及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007

[3] 宋冬，廖杰，陈星等．基于ZigBee和GPRS的智能家居系统设计[J]．计算机上程，2012(23):243-246

[4] 杨松，胡国荣，徐沛成．基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现[J]．计算机工程与设计，2013 (11): 3840-3844

[5] 王兰．基于C/S和B/S混合模式企业能源管理系统[J]．钛合金，2015(05):45-48

Establishment of Campus Energy Consumption Monitoring System Based on ZigBee Technology

Yin Bo1, Liu Li1, Song Baoquan2, Wang Jiahan3, Li Xiran3
(1.Shenyang Institute of Engineering, Shenyang,110000; 2. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd., Shenyang,110000; 3. Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.,Shenyang, 110006)

In order to solve the problem of energy consumption monitoring in campus buildings, this paper constructs an energy consumption monitoring based on ZigBee network and campus network. The system collection classification, sub-items of energy consumption data through the ZigBee network terminal node, use campus network for data transmission, adopt the database system based on B/S+C/S structure, achieve real-time monitoring of energy consumption, statistical analysis and remote control , provide decision-making basis for the rational use of energy .

ZigBee; Consumption monitoring; Campus network

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.03.003

TN92，TM933.4文献标示码：A

1672-7274（2017）03-0009-04

沈阳市科技项目重点实验室资助项目（F16-091-00）。沈阳工程学院资助项目（LGXS-1616）。

尹 博，男，1990年生，内蒙古通辽人，硕士研究生，从事电力系统及其自动化相关工作。