基于NB-IoT的公共机构节能用电智能开关系统

刘 镭，林文如，阳 清

(闽江学院 1.数学与数据科学学院(软件学院)；2.计算机与控制工程学院，福建 福州 350108)

用电信息采集系统产品作为智能电网建设的关键终端产品之一，对于电网实现信息化、自动化、互动化具有重要支撑作用[1]，经过近十年的发展，它们在各用电单位的入口处得到了广泛的应用[2]，但在医院、学校、政府机关、企事业单位等公共机构的内部场所，如病房、教室、实验室、公共办公室、走廊过道等，其电器设备、公共照明等容易出现泛管理或缺管理的情况，造成电能浪费的情况。

相对于小范围普通应用场景的智能化软硬件系统，公共机构内部场景使用的节能用电测控终端及系统的智能化连接存在更多挑战及困难，这些困难源于如下因素：①公共机构的场所分布范围较大，待测控的节点数量庞大，通信距离受限[3]；②系统产生的大量运行数据，缺乏有效的技术手段进行大数据挖掘与分析；③为实现高并发、高可用等目标，对系统研发提出了更高的要求[4]；④当下的普通智能电表由于是从传统电表发展而来，体积较大，通信接口较单一，不容易实现全网通信[5]。

国管委、国家发展改革委联合编制发布的《“十四五”公共机构节约能源资源工作规划》中指出[6]，规范公共机构能源资源计器具配备，依托高等院校、科研院所建立技术支撑体系，开展节能关键技术集成示范，推进互联网、物联网技术与传统节能环保技术的深度融合，提升节约能源资源工作信息化、智能化、科学化水平。基于以上背景，本文基于NB-IoT技术，研发了一种体积较小、无显示屏、不受通信距离限制可实现全网通信的用电智能测控终端，并结合图像识别技术，接入天翼云物联网平台，实现对受控端用电设备的统一管理、状态监测、能耗分析。

1 系统拓扑结构

基于NB-IoT的系统特点是三层结构模型：感知层、网络层、应用层。感知层(信息获取层)，即利用各类传感器、状态检测终端等随时随地获取物体的信息；网络层(信息传输层)，通过各种NB-IoT电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递；应用层(信息处理层)，把感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用[7-8]。

本文实现的测控终端是属于上述描述中的感知层，负责连接底层用电设备，采集用电设备的通断电情况(用电时间、时长、电能消耗记录)，并将信息上发到网络层同时执行应用层下发的指令。系统的拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑图

2 系统设计开发

2.1 智能开关控制盒的设计

2.1.1 硬件设计

NB-IoT智能开关控制盒主要有：取电电路、电压电流检测电力、电池充放电控制电路、NB模组电路、主控CPU，继电器及驱动电流。其硬件系统框图如图2所示。

图2 硬件系统框图

取电电路：从市电取电，给智能开关控制盒提供电源。使用专用的AC-DC电源变换模块来获得系统所需的电源，AC-DC电源变换模块具有体积小，性能稳定、结构设计简单等特点，不足之处就成本稍微偏高。

电压电流检测电路：电压、电流检测电路主要是监测市电电源及每一路开关在带负载时输出的电流大小。另有电池电压的采样电路，在设计上主要采用分立元器件实现，难点是市电电压的隔离采样。

电池充放电电路：该电路实现了完成充电时自动切断充电，防止过充，也防止电池过放，这部分功能是利用硬件电路辅助软件加以实现。

通过实际施工 （理论计算工程量相同施工渠段74+660～75+095段），可将强夯法、翻压法、素土挤密桩法进行综合对比，如表1。

NB模组电路：NB模组采用目前市面上通用的支持电信运营商的模组，包括PCB天线电路部分、SIM卡插槽电路部分。其难点是天线设计，既要满足通信信号的最大化，通信质量稳定，又要保证在有限的结构里面完成。采用将天线设计在电路板上，PCB天线部分采用双面镂空去铜精确计算阻抗的技术加以实现。

主控CPU:主CPU用的是STM32F103系列芯片，此芯片功能齐全，便于以后做多功能多接口的物联网开关功能扩展。

继电器及驱动电路：继电器采样的是磁保持继电器，关闭和开启采用独立电路驱动。防止继电器的误动作情况出现。

2.1.2 软件设计

软件采用C语言编写，在Keil uVision5集成开发环境下编译完成，下载到STM32L4系列芯片中运行。软件又是智能开关控制盒的核心所在，实现信息的上传下达、数据存储记录、逻辑判断及动作控制。软件系统框图如图3所示。

图3 软件系统框图

通信模块功能：通信功能主要实现的是智能开关控制端与运营商的NB-IoT平台进行通信，包括通信模块的自检、信号检测、通信连接的建立、固定协议的数据发送、通信速率的设置、网络断开时的自我发现与自我重连。只有与平台建立连接之后才能通过平台往智能控制端发送控制指令，并将采集到的数据回送到平台端供应用程序读取、保存、记录。

能量采集计算模块功能：此功能是通过采集每一路开关的输出电压、电流数据，通过一定的计算算出此路开关累计功耗及在某些时间段的能量消耗(此计算和记录放可在用户程序端进行)。

设备端管控模块功能：该功能是独立控制每一路开关的通断，达到控制各用电设备的目的，实现远程智能控制，可以在无人为干预的情况下实现自动定时控制。当现场进行手动控制时，手动控制优先级高于远程自动控制命令。

2.2 基于人体识别的辅助决策控制

在人体识别辅助控制方面，使用“百度智能云”的人流量统计(动态版)API接口，该接口统计图像中的人体个数和流动趋势，主要适用于以低空俯拍、出入口场景，以人体头肩为主要识别目标[9]，非常适用于本项目中识别场所内部是否有人的这个需求。

当系统开启自动控制功能后，房间的所有开关设备将交由系统进行智能化控制，通过传入来自摄像头的单帧图像，检测图片中的人体头肩，返回图像中总人数，若人数为0，则自动向控制盒下发断电指令，达到节能的目的。系统也提供人为的控制手段，可以根据相应的权限对设备进行直接操作断电。此外，对于一些特殊的情况，如某个房间正在进行长时间的科研计算任务等，可以临时关闭自动控制功能。

2.3 控制盒接入天翼云物联网平台

智能开关控制盒使用LwM2M通信协议接入中国电信天翼云物联网平台，开关设备便可直接在该平台上进行管理和监测。LwM2M(lightweight Machine to Machine)是由OMA(open Mobile Alliance)定义的物联网协议，主要使用在资源受限(包括存储、功耗等)的NB-IoT终端[10]。LWM2M协议栈如图4所示。

LWM2M ObjectsLWM2M ProtocolCoAPDTLSUDPSMS图4 LWM2M协议栈

LWM2M把设备上的服务抽象为Object和Resource，并在XML文件中定义各种Object的属性和功能。

LWM2M Objects：每个对象对应客户端的某个特定功能实体。LWM2M规范定义了标准Objects，比如urn:oma:lwm2m:oma:1；(LWM2M Server Object)、urn:oma:lwm2m:oma:3；(Device Object)，每个object下可以有很多resource。比如Device Object可以有Manufacturer，Model Number等resource。

LWM2M Protocol定义了一些逻辑操作，比如Read、Write、Execute等。

CoAP是IETF定义的Constrained Application Protocol，用来做LWM2M的传输层，下层可以是UDP或者SMS，UDP是必须支持的，SMS可选。

DTLS用来保证客户端和服务器间的安全性。

2.4 电能统计

根据智能开关控制盒的能量计算功能，向天翼物联网平台发送脉冲数据，平台记录这些脉冲数据。并用应用程序编程语言开发电能统计的客户端，按1度电=22560个计数脉的计算方法，计算得到某路开关的用电量。结合楼宇基础信息的管理，进而实现设备(或电器)、房间、楼层、楼宇、园区等细粒度、多维度的电能统计。

3 测试结果与分析

通过系统集成，实现基于NB-IoT物联网平台的智能开关控制盒。在产品结构设计上，充分考虑了安装便捷性和成本节约性等要素。智能开关能完全安装在现有的开关机插座面板的强电盒子里。安装时只要把现有开关或插座面板里面的强电220V电源连接到智能开关电路板的电源输入端，电路板的输出端与照明灯、插座面板或用电设备相连接即可，无需进行任何土建的施工改造等过程，降低了安装的难度，节约部署成本，便于楼宇智能化改造升级。产品实物及安装示意图如图5所示。

图5 产品实物及安装示意图

为了测试系统的运行情况，选取了4个代表性的测试场景，包括办公室、教室、会议室等类型，如图6所示。摄像头采用的是海康威视的DS-IPC-T12-I，该产品支持日夜转换模式，最大对角线视场角：135.6度，适用于公共机构内部场所的人体检测使用场景。四个场景的人体识别辅助控制测试结果如表1所示。

(a)办公室场景(b)人员较多的教室场景(c)人员较少的教室场景(d)无人的场景图6 测试场景

表1 人体识别辅助控制测试结果

从人体识别辅助控制测试结果来看，对于确实无人的房间(场景d)，其识别结果是准确的，而对于有人的房间，如果人员较少(场景a)，也能较准确识别，如果人员比较多且个体在图像中有重叠现象的(场景b、c)，就存在识别不准确的情况，但这并不影响系统判断断电的执行，因为系统是根据场景中有无人体来进行是否断电决策的。

电能统计的客户端测试结果如图7所示。该客户端基于Java语言实现，楼宇基础信息的管理，实现了设备(或电器)、房间、楼层、楼宇、园区等细粒度、多维度的电能统计。

图7 电能统计

4 结论

本文实现了智能物联网开关控制盒的开发，体积小、易安装布点、可实现全网通信，可广泛应用于大型公共机构或分散场所等用电测控场景。完成了接入“天翼云物联网平台”的系统开发，实现远程控制物联网开关，并采集物联网开关端的状态数据、能耗数据，进而可以实现对受控端用电设备的统一管理、状态监测、能耗分析，形成了一个智能化的物联网节能管理信息系统。该系统适用于校园教室、实验室、图书管理、体育馆等公共场合的电灯、电风扇、空调等设备的系统性管理。该系统的研究，一方面促进相关技术与理论的发展，另一方面也将促进该系统在公共机构的推广示范，落实国家关于《公共机构节约能源资源“十三五”规划》的相应要求，具有良好的市场应用前景和社会效应。