基于物联网技术的校园节能控制系统硬件设计
昝永信 王明珠 陈伟利
摘要：文章设计了一种基于物联网技术的校园节能控制系统，给出了该系统的硬件设计方案。系统利用zigBee技术、TCP/IP技术、计算机控制技术，实现了对校园能耗实行分项计量，建立了能耗监测平台，确定了分项计量能耗拆分模型。系统有效解决了当前校园能耗管理基础数据缺失、计量混乱等问题，具有实时性好、功率低、可靠性高等优点。
关键词：Zigbee技术；TCP/IP技术；节能控制
建设节约型校园是当今社会为校园提出的时代要求，校园节能已经纳入目前许多校园的重点实施计划之一。准确、有效地寻找校园节能潜力和节能途径是校园节能工作有序开展的前提。校园能耗由于缺少有效的管理机制，存在基础数据缺失、计量混乱等实际问题。本文根据国家建筑节能相关的技术导则和条文规范，建立了能耗监测平台，确定了分项计量能耗拆分模型。通过对能耗监管平台数据的处理分析，找出该校园的节能潜力，并提出了对应的节能优化建议，为将来的校园节能工作的进一步开展提供了依据。同时，通过对校园用能指标的研究，确定了初步的节能判断依据，对将来校园新建建筑的节能工作具有借鉴意义。
1.系统总体设计方案
系统的总体设计方案如图1所示，系统设计主要考虑系统的实时性、稳定性和安全性等问题。系统由电表节点、水表节点、气表节点、网关、能耗监管平台和各模块之间的通信网络（ZigBee网络和Internet网络）组成。系统的工作原理如下：系统开启后，各测量节点开始测量当前的数据信息，主要包括电表、水表和气表。等待接收来自能耗监管平台的命令，当判断到能耗监管平台向自己发送查询命令时，将采集到的数据信息按照规定的通讯协议反馈给能耗监管平台。
对于一栋大楼，一个zigBee网络的承载力显然是不够的，还考虑到ZigBee网络在穿越楼层时的稳定性问题，拟采用一个楼层一个zigBee网络的设计，并通过WIFI接入到校园网络。网关接收来自能耗监管平台的命令，并下发给各独立节点，收到各独立节点的反馈信息后通过校园网络转发给能耗监管平台的服务器上。
能耗监管平台可以定时和实时向各独立节点下发查询命令，获取当前的电表、水表和气表的数据信息。获得各独立节点的数据信息后保存在服务器的数据库中，并可以根据需要生成各个房间、各个楼层、各栋楼的相应数据分析图。
2.部分硬件电路设计
2.1电表节点设计
电表节点的结构如图2所示。节点由CC2530、485模块、继电器构成。电表节点使用的基于DLT645-2007多功能电能表通信协议的电表。该电表可以使用485通信协议进行通讯，通过向电表发送不同的命令，可以实现远程抄表（电流电压电量功率）、远程拉合闸。
电表节点能够接收来自能耗监管平台的命令，并进行格式转换，将来自能耗监管平台的命令通过485模块转换为电表可以识别的命令。通过电表主要获得其电量信息，对于其拉合闸操作采用MCU控制继电器的方案来实现拉合闸。
2.2水表、气表节点设计
水表和气表都是采用脉冲式计数的方法，在做硬件设计的时候其设计方案是一样的，此处以水表为例作介绍。水表节点的结构如图3所示。节点由CC2530、无线传输、EEPROM电路构成。对于水表的计数采用中断计数的方案，通过外中断采集计数脉冲。采用脉冲计数的方案，如果不做特殊处理，在系统失电之后计数就会复位。为实现对数据的保存，采用外置EEPROM的方案，每计数一次则更新一次EEPROM中存储的计数信息，系统重启之后先读取里面的计数信息，然后开启中断计数。
2.3网关设计
网关部分的设计在整个系统的设计中起着承上启下的作用，其结构如图4所示。网关主要负责接收来自能耗监管平台的信息并下发给对应的节点，接收来自节点的反馈信息并转发给服务器。网关部分还承担着监测整个网络运行状态的任务，监测新节点的加入、无效节点的删除以及节点的丢失，以维持整个网络的稳定和系统的稳定运行。
2.4控制中心计算机
能耗监管平台定时向各终端节点下发采集数据命令，并接收来自终端节点反馈的数据信息，并将这些信息存储在数据库中。如果需要，亦可以实现对某一个节点的实时采集。能耗监管平台可以直接显示并访问到各栋楼的各个楼层的各个房间的各个表。根据需要能耗监管平台可以生成各个房间、各个楼层、各栋楼的相应数据分析图，通过对数据分析我们可以找出节能潜力点，发现能源浪费点，保存基础数据，计量合理准确。
3.结语
对校园能耗实行分项计量是目前高校能耗计量的新趋势。通过分项计量得到的数据分析可以挖掘校园建筑的节能潜力，为校园建筑的节能改造工作提供完善的技术支持和数据依据。通过对能耗监管平台数据的处理分析，找出该校园的节能潜力，并提出对应的节能优化建议，为将来的校园节能工作的进一步开展提供了依据。同时，通过对校园用能指标的研究，确定了初步的节能判断依据，对将来校园新建建筑的节能工作具有借鉴意义。
