混合服务策略轮询特性分析及接入节能控制系统设计

李海峰 梁竹关 丁洪伟 杨志军 段文迪

摘 要：针对建筑楼宇等场所耗能严重的问题，提出一种本地接入及远程接入两种不同接入方式的节能控制系统方案，采用轮询模型，当不同用户在被服务过程中时，由系统实时控制楼宇内特定区域的受控电器工作，避免全天候开启造成的过度浪费。经过理论推导得出轮询系统概率母函数、平均排队队长和平均等待时间，并利用Matlab进行理论值与实验值的仿真分析，由此确定远程接入的预约时间，证明该方案的可行性。然后在理论分析和仿真验证基础上设计了控制系统电路方案，主要由能够区分混合服务策略的令牌产生模块、令牌识别模块构成，基于FPGA平台的仿真实验结果充分说明了设计方案完全达到了设计要求。

关键词：节能减排;接入控制;智能控制;混合服务策略轮询;Matlab;FPGA

中图分类号：TP39;TN914 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）06-00-04

0 引 言

人类社会不断进步，节能减排在世界范围内蔚然成风，党和国家高度重视。经济迅猛发展的同时能源需求量极大增长，无论智能电网风力、光伏等新能源并网发电，还是煤炭等不可再生的传统能源发电，在利用的过程中都需要投入资金、消耗大量资源、造成一定污染，节能减排对建设生态文明国家战略而言尤为重要[1-2]。

从用电端减少电能的消耗以及对电网冲击造成的谐波污染是一种节能减排的可行方案。我国建筑能耗已占据社会总能耗的绝大部分，而其中供热、空调系统能耗更约占这部分能耗的70%[3-4]。智能技术的发展与创新使得智能建筑迎来新局面，越来越多的智能建筑开始大规模使用计算机、无线通信、网络技术，并取得了一定成效，智能楼宇不仅可以实现安全、消防检测控制[5-6]，还可以实现供热、空调、照明、给排水以及供配电等智能控制[7-9]。

在节能的同时需要满足国民对生活和工作环境的要求，满足绿色化的同时实现人性化和智能化。无论寒冬盛夏，人们都希望从室外进入房间就能享受舒适的环境，另外当房中无人时，应及时关闭通用电系统，并设法在用户到达房间之前的特定时段提前控制打开用电器。移动互联网的快速发展和普及使人们依赖应用手机终端为自己提供便捷、安全、智能的服务。目前，无论是学校[10]、企业[11]、政府[12]、酒店[13]甚至家居楼宇[14]都铺设了互联互通、集中管理、分散控制的控制系统，使得采用合适方式接入控制智能楼宇的房间暖通或空调等用电系统成为可能[15]。采用如短信、微信、APP等预约方式，通过手机远程接入把预约时间传输到房间的控制系统中，在预约时间开启用电器[16-17]。利用RFID技术可直接通过智能楼宇门禁系统自动开启，即本地接入。为节省开销和方便维护，远程接入和本地接入均需先接入集中管理系统，然后共用总线传输到相应房间的分散控制电器中。

从需要被服务的紧急程度来看，远程接入和本地接入属于不同性质，前者可以规定预约时间的下限，属于能够适当延缓服务的用户数据，而后者来不及预约，属于需要紧急服务的用户数据，因此，需区分服务以满足用户的使用体验。因其控制的有效性，轮询模型被广泛应用于交通信号控制、工业控制、计算机和通信网络中[18-19]。采用轮询模型的轮询系统分类通常会根据服务台（器）查询每个数据队列（终端），服务数据分为门限、完全和限定K三种类型。其中，限定K（K=1）服务系统有较好的公平服务特性，但平均等待时延较长[20];完全服务系统平均等待时延最短，但公平性较差[21];门限服务系统的性能适中[22]。本文针对智能楼宇的上述节能需要，提出创新型方案，设计了基于混合服务策略輪询的接入式节能控制系统，通过理论推导、特性分析、电路设计验证方案可行性以及系统功能的正确性。

1 混合服务策略的轮询模型

1.1 模型定义

用户接入系统后形成队列，本文提出的混合服务策略轮询系统模型把本地接入和远程接入的用户数据（信息分组）分别归为中心队列h和普通队列d，采用完全服务策略和限定（K=1）服务策略。通过嵌入式马尔可夫（Markov）链和概率母函数构建系统数学模型，在离散时间状态下解析出系统信息分组的平均排队队长和平均等待时延等特性参数，为设计智能楼宇接入节能控制系统硬件电路奠定理论基础。轮询系统模型如图1所示。

2 混合服务轮询系统性能分析

2.1 平均排队队长用gdh（j）表示tn*时刻系统对中心队列h服务时，队列j（j=d，h）中平均排队等待服务的信息分组数;用ghd（j）表示在tn+1时刻系统对普通队列d服务时，队列j中平均排队等待服务的顾客数。根据概率母函数的性质，ghd（j）和gdh（j）分别由式（4）、式（5）求一阶偏导后化简而得：

经推导化简得中心队列h信息分组平均排队队长：

同理对式（4）、式（5）求二阶偏导数，联合一阶偏导，经计算化简得到普通队列d信息的分组平均排队队长：

2.2 平均等待时延

信息分组等待时间wj是指信息分组进入队列j（j=d，h）的存储器到其被发送出去的时间，其概率母函数为Wj（zj），普通队列和中心队列信息分组的平均等待时延用E（wd），E（wh）表示，根据排队论和概率母函数的性质可得到普通队列信息分组的平均等待时延：

式中平均查询周期。

中心队列信息分组的平均等待时延：

3 混合服务轮询理论计算与仿真分析根据以上所建立的混合服务策略轮询系统模型，信息分组到达过程服从泊松分布，在系统稳定条件下应用Matlab进行数值计算以及仿真实验。轮询特性参数曲线如图2所示，改变服务条件生成曲线结果如图3所示。

实验结果表明：理论值与仿真结果一致，验证了系统模型的合理性。进一步分析系统的性能：

（1）图2（a）与图3（a）表征了不同条件下队列平均排队队长，随着信息分组到达率的增加，中心队列的平均排队队长较之于普通队列更短，得到了很好的服务区分。

（2）图2（b）与图3（b）表征了不同条件下队列平均等待时间。随着信息分组到达率的增加，中心队列的平均等待时间较普通队列更短，得到了很好的服务区分。将图中纵轴时隙单位取为s，则中心队列平均等待时间约为1 s，符合正常刷卡的时间要求，而普通队列平均等待时间上限（手机预约时间下限）分别约为550 s和130 s，即对应至少提前约10 min和3 min，实际设计中应取更大的预约时间。

4 基于FPGA的系统设计与仿真

4.1 设计思路

为避免碰撞，确保在任一时刻仅有一个节点能够独占信道，即只有一个队列向共用总线传输数据，系统采用包含控制信息和地址信息的帧作为令牌。本地接入和手机接入的信息分组送到接入控制系统的存储器等待传输服务，系统轮询向排队等待传输服务的队列发放令牌，中心队列和普通队列通过识别令牌信息决定是否能够占用总线传输数据以及采用的服务策略。根据描述，对系统进行自上而下的模块化电路设计，接入控制系统的主要功能模块分别是存储器模块、令牌产生模块、令牌识别模块。系统结构如图4所示。

（1）存储器模块设计

系统为每个受控电器分配专门的地址编号，无论是手机或RFID卡接入，被服务时均须指明需控制的电器地址编号。中心队列和普通队列分别配置足够容量的存储器，并按照先进先出的顺序读出数据。不论是本地接入或远程接入，用户均随机接入。中心队列用户通过门禁卡接入系统，当读卡系统读取门禁卡信息时将对应的电器地址提取出来，送到该接入控制系统的中心队列存储器;普通队列用户的远程接入信息包含需要控制的电器地址信息，打开电器的预约时间，信息便送到接入控制系统存储于普通队列的存储器中。

（2）令牌产生模块设计

当接入控制系统轮询到普通队列时，只提供传输一个信息分组的服务，而轮询到中心队列时，需要提供传输所有信息分组直到无信息分组为止的服务，故服务过程中需要不断检测其是否为空。令牌包含服务队列的地址信息和服务策略的控制信息。令牌帧中的地址信息控制相应队列获得占用总线发送数据的权限，令牌帧中的控制信息需区分是完全服务还是限定（K=1）服务的策略。

（3）令牌识别模块设计

各队列通过检测发放的令牌帧中的地址信息以确定是否获得发送数据的权限。中心队列获得发送权限后可占用传输通道发送存储器中的数据至存储器为空，普通队列获得发送权限后可占用传输通道发送其存储器中的一个信息分组。

4.2 仿真波形

本系统采用Altera公司的QuartusⅡ开发软件进行设计仿真验证，仿真结果如图5所示。其中data1和data2为中心队列和普通队列存储器的输出数据;q为该系统服务后输出的数据;empty为用于检测被服务队列是否有信息分组需要传输的信号，低电平时表示队列中有信息分组需要传输;num为检测队列是否收到令牌的信号，高电平表示收到令牌;chanel为检测是否获得占用通道权限时间长短（区分服务策略）的信号，高电平时打开对应队列的数据发送通道。

在仿真过程中向队列随机加入数据“0”表示队列空，此时队列中无信息分组，当data1非0时，即中心队列中有信息分组（empty1=0），此时队列1获得令牌权限（num1=1）与通道占用权限，通道打开（chanel=1），data1中信息分组依次被完全服务（从q端输出）;当data1中信息分组为“0”时，中心队列中无信息分组（empty1=1），普通队列获得令牌权限（num2=1），若存储器中有信息分组（empty2=0），此时普通队列获得通道占用权限且通道打开（chane2=1），data2中的一个信息分组被限定（K=1）服务（从q端输出）;普通队列中的一个信息分组被传输服务后中心队列获得传输权限，依次类推，周而复始，系统功能得以验证。

5 结 语

本设计针对服务器在处理不同业务时性能需求方面的差异，提出一种双队列单服务台混合服务策略轮询模型，以该轮询模型作为理论基础设计接入控制系统，不同接入方式采用不同的服务策略，实现了用户刷卡和预约，使得系统在服务时控制楼宇建筑内耗能设备在特定时段工作，实现节能控制的目的。经公式推导计算，通过Matlab仿真分析模型特性，结合FPGA进行系统设计及仿真，从理论到实践验证了该模型的合理性与功能的正确性。本文提出的方案思想不仅可以用于智能楼宇节能控制，还可结合物联网、人工智能等技术将其运用于智能电网、智能交通、智慧教室等调度、服务，具有广阔的应用前景及研究价值。

参 考 文 献

[1]习近平.决胜全面建成小康社会夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告[R/OL].（2017-10-18）[2018-03-16].http：//www.xinhuanet.com/2017-10/27/c_1121867529.htm.

[2]姜克隽.我国低碳发展与碳市场[J].中国科技投资，2012 （8）：29-33.

[3]魏乃永.办公楼智能照明控制方案能效分析[J].电气应用，2013（6）：32-38.

[4]徐峰.自动化在节能控制中的研究—以楼宇节能控制为例[J].内燃机与配件，2018（4）：243-244.

[5]刘文辉.大型智能楼宇中的逃生通道监控系统设计[J].科技通报，2015（8）：114-116.

[6]刘士兴，邓立琼，何方，等.智能楼宇监测系统研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2010，33（2）：215-218.

[7]石坤，李德智，杨斌，等.面向市场化的智能楼宇互动调控技术[J].电力科學与技术学报，2017，32（3）：114-120.

[8]王永皎，刘荣辉.基于ZigBee技术的智能楼宇节能控制系统[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2014，35（1）：73-77.

[9]田菲.楼宇自动化控制系统在机场建筑节能中的应用[J].中国设备工程，2017，11（21）：62-63.

[10]刘为芹.高校教室照明节能控制系统的研究[D].聊城：聊城大学，2017.

[11]廖仲文.办公楼宇中央空调节能远程监控系统设计与实现[D].广州：华南理工大学，2011.

[12]李伟梅.市政工程中路灯节能控制系统设计[J].江西建材，2017（12）：174-175.

[13]陈淑红.星级酒店的节能控制解决方案[C]// 以供给侧结构性改革引领能源转型与创新—第十三届长三角能源论坛论文集， 2016：305-307.

[14]夏松.智能家居节能控制系统研究与设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

[15]董臻.空调系统节能运行自动控制的运用分析[J].冶金与材料，2018，38（1）：12-13.

[16]胡克会.基于云计算核心的远程节能控制[D].长春：吉林大学， 2016.

[17]霍庆.基于GSM的中央空调群控节能系统[D].广州：华南农业大学，2016.

[18] TAKAGI H.Queuing analysis of polling models[J].ACM computing surveys，1988，20（1）：5-28.

[19] LEVY H， SIDI M. Polling systems： applications， modeling， and optimization[J].IEEE transaction on communications，1990，38 （10）：1750-1759.

[20] ZHAO D F. Performance analysis of polling system with limit service [J].Journal of electrics，1998，15（1）：43-49.

[21]赵东风，郑苏民.查询式完全服务排队模型分析[J].电子学报，1994，22（5）：102-107.

[22]赵东风，郑苏民.周期查询式门限服务排队系统信息分组延迟分析[J].通信学报，1994，15（2）：18-23.

[23]杨志军，丁洪伟，陈传龙.完全服务和门限服務两级轮询系统E（x）特性分析[J].电子学报，2014（4）：774-778.