采用WSN技术实现建筑能耗监测系统设计与应用介绍

建筑节能运行和改造需建立在获取照明、消防、空调等建筑用能信息的基础之上，在接收到数据进行分析之前，各类用能数据的传输是一个关键问题。传输主要采用综合布线，在建筑内布设大量线缆实现传输，此方式存在施工复杂、代价高、影响建筑内部美观等缺点，这是有线传输方式固有缺陷所决定的，而采用无线传输方式则能有效克服。相较于CDMA、GPRS、WLAN等传统的无线传输方式，作为物联网基础组成的WSN（wireless sensor network，传感网">无线传感网）技术更适合于建筑用能信息传输的应用场合。

WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

WSN在建筑能耗监测中的适用性

建筑能耗监测平台的组网总体结构图如图1所示，在系统的数据采集端采用WSN技术进行组网。整个WSN网络由若干个终端采集器以及一个汇聚采集器构成。通常将WSN的终端采集器称为采集节点，将汇聚采集器成为汇聚节点。采集节点负责数据的采集和传送，以及根据汇聚节点的控制命令设置相应的工作模式等；汇聚节点是网络的中心，起到协调器和网关节点的作用，汇聚节点负责整个区域网络的维护与数据的汇集，再将数据通过Internet/GSM/CDMA上传到上级数据中心或中转站。系统最大特点就是基于WSN技术进行信息采集，利用WSN节点与电表等与用能设备连接，通过无线自组网方式自动采集分散在各处的电、水、气、冷热量等实时数据，使用户随时监测现场耗能设备的运行数据，为今后实施节能反馈控制系统的研发提供基础，以达到优化能源供应、提高能源管理水平、提高能源利用效益、减少能源损耗、节约能源成本的目的。

基于WSN技术的建筑能耗监测系统属于WSN与节能的交叉领域，以WSN和计算机信息处理为技术核心，建设先进、功能强大的信息采集处理平台。该系统适用于各种既有和新建建筑，系统组网方便，不占空间，无需综合布线施工，项目实施快速方便。

在各种无线传感网技术中，ZigBee的自组网能力以及高容量特性使其非常适合建筑能耗监测系统的应用，在节点分散、数量众多、低速率传输的能耗监测采集端建设中，有明显的优势，是当前最适合建筑能耗监测系统数据传输的技术。

除了组网方便、安全、可靠，ZigBee还有低传输速率、低功耗、高容量、低成本等特点。ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如能耗监测、楼宇自动化等场合。

WSN建筑能耗动态监测系统简介

为落实全国建筑能耗动态监测平台的建设，配合浙江省省级能耗监测平台的搭建，杭州家和智能控制有限公司研发了一整套基于无线传感网技术的建筑能耗动态监测系统，可以实现建筑能耗数据的实时采集、传输、初步分析、定时定点上传等基本功能，并具有较强的扩展性。本系统还可以实现室内温湿度的远程监测，分析房间内的实时温湿度变化，配合节能运行管理。系统具有如下几大功能：

1. 能耗数据采集功能——对各种耗能设备的能耗数据进行实时自动采集；

2. 无线内网传输——采用无线内网传输连接数据采集、监控中心和用户终端的媒介；

3. 数据显示、统计、分析和预警功能——耗能设备运行数据以图表等形式加以直观显示，自动生成实时曲线、实时数据报表、历史曲线、日月年报表等资料；

4. 报表功能——根据《民用建筑能耗统计报表制度（试行）》输出各种相关报表并打印；

5. 综合评价功能——针对各耗能设备的分项能源资源消耗计量，并计算各分项计量系统的能效，得出耗能系统的综合评价，通过分析对比实施能源优化配置。

WSN在建筑能耗动态监测系统优点

无线内网建筑能耗动态监测系统具有多重优点：

1. 内网组网灵活，可随时增加或减少传感节点；

2. 无需综合布线，减少工程量与布线成本、提高安装速度；

3. 与多种通信主干网融合，方便用户实现远程监控；

4. 无线传感端机体积小、功耗低，价格低；

5. 根据无线传感网协议自动组成通讯内部网络；

6. 系统易于维护，任意节点的故障不会影响系统工作；

7. 具有本地数据存储功能，确保数据完整性；

8. 减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响，减少投资和工期，特别适用于既有建筑或设施

WSN建筑能耗监测对象

1. 首先是国家机关办公建筑及大型公共建筑，大型公共建筑是指建筑面积在2万平米以上且采用中央空调的公共建筑，或面积小于2万平米，但能耗较高的公共建筑。此类建筑的特点之一是能耗密度高，根据统计数据，现阶段我国大型公共建筑（包括政府办公建筑），单位面积年耗电总量为住宅的10-20倍。公共建筑的环境监测也已列入议事日程，主要是室内的温度、湿度及CO2浓度等，国家主管部门已强制规定，夏季室内温度不得低于26oC，冬季不得高于20 oC。

自组网过程

对某个能耗监测区域而言，WSN网络包含一个ZigBee汇聚节点和若干ZigBee采集节点。汇聚节点在通信状态下，每隔一段时间发送一次时标帧，在汇聚节点通信范围内的采集节点在侦听状态下侦听到汇聚节点发送的时标帧，确定汇聚节点为目标父节点，并在下面的接入状态向目标父节点发送接入请求之后组成一个WSN网络。已经接入网络的节点通过转发时标帧，向周围节点表明自己的存在，其他未入网的节点在侦听状态下，发现已经入网的节点并作为自身的目标父节点，然后在接入状态下通过这些最先加入网络的节点作为中继加入网络。依次类推，若干的ZigBee采集节点和一个ZigBee汇聚节点构成了WSN网络。为了延长网络生存时间，降低节点功耗，所有节点都会定时进入休眠阶段，关闭射频收发器，保持超低功耗工作，最大限度地节省节点能量，在定时器到期后节点被唤醒恢复正常工作状态并开启射频收发器。WSN网络中的所有节点定时在通信阶段和休眠阶段交替工作，以保证网络的生存时间要求和通信要求。各WSN网络数据再通过无线网由将采集数据推送到数据中心进行分析处理。

WSN实施优势

内网组网灵活，可随时增加或减少传感节点；

无需综合布线，减少工程量与布线成本、提高安装速度；

与多种通信主干网融合，方便用户实现远程监控；

WSN端机体积小、功耗低，价格低；

根据WSN协议自动组成通讯内部网络；

系统易于维护，任意节点的故障不会影响系统工作；

具有本地数据存储功能，确保数据完整性；

减少建立建筑能耗及环境监测系统所带来的施工量以及综合布线对环境的影响，减少投资和工期，特别适用于既有建筑和设施。

设备改造方式

如果用户已有电表、水表等，且带有485口，则可直接接入采集器，如已有仪表不支持485口，则需要改造和更换设备。每户的总表最后统一为带485口的多功能表，外接带无线传感模块的采集器，可以每15分钟上送一次电量、电压、电流、功率因素等数据。数据采集频率可根据具体需要灵活设置，数据采集频率可在15分钟/次到1小时/次之间调整。

设备改造的原则：在一定投资成本和不改动已有配电线路的前提下，以最大程度地获得能耗公示需求数据为目标，在既有配电支路上无拆换、无干扰方式安装。

WSN与通信网的融合应用

在节点分散且数量众多、需要低速率传输的组网要求下，运用ZigBee技术应是最佳解决之道。

WSN与基础通信网的融合思路已经得到通信运营商的重视，目前中国移动正与上海微系统所合作研究该课题，希望通过基础通信网络与组网灵活的WSN网络相结合实现更全面的网络覆盖，获得网络增值；在上海世博会场馆建设中，中国移动与上海微系统所及诺基亚公司共同合作，利用该思路开展不同场馆信息展示、参观者追踪等多方面的应用；此外，上海移动还将这种融合思路应用到智能停车位监控业务中，实现全上海停车位的预订、统计、付费等功能。对于WSN等一些新兴技术，示范应用非常重要，如果示范做得好，就能带动一批类似项目出现，为通信运营商带来更多的增值业务。