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搭建物联网让中央空调变“聪明”

上海交通大学图书馆节能监控系统

作者:朱培斌    上海聚星仪器有限公司应用工程师 发布时间:2011年12月23日

行业:电力能源

应用需求:目前图书馆等大空间室内场所中央空调基本都采用温度统一调控模式,不仅浪费资源,而且温度和湿度控制效果不理想。室内大空间的实际温度存在一个明显的下降梯度,造成各个楼层温差大,学习、工作环境受温度差的影响而舒适性变差,需要进行系统采集和合理化控制。本系统实现了图书馆阅览室的环境和能耗参数的采集分析系统,为图书馆的温度、湿度控制提供合理的控制方案,达到以最小能耗实现最佳温度、湿度控制的效果,最大程度减小空调能耗。

方案摘要:采用基于Zigbee的无线网络系列采集设备WSN实现上海交通大学图书馆B区的温度、湿度、CO2和空调电功率等环境能耗数据的采集分析。通过无线采集获取阅览室的温度场模型,给出合理的空调温度控制策略,关闭达到温度控制要求的点的空调,减少不必要的耗电,以最小的能耗实现最佳的温度控制,达到节能减排的效果。

完整案例分析

本项目将利用NI最新的LabVIEW 2010软件平台和WSN无线网络硬件技术,通过与上海交通大学合作,利用聚星仪器特有的RIO-Mesh网络数据库,开发出了基于zigbee和Internet的节能监控系统。本系统具有如下优势: 1)WSN无线技术的应用,将大大降低现场布线的复杂性和施工难度,缩短项目的开发周期,降低施工成本。 2)利用NI的可重配置I/O硬件(RIO)特色,利用其超越传统的设计方法,优化系统性能,降低项目开发周期。 3)WSN无线网关NI9792和无线节点3212、3202是为LabVIEW量身定做的无线测试平台,结合最新的LabVIEW 2010开发平台,可以大大增强无线测试系统的性能,更加有利于数据的共享和发布。 4)充分利用聚星仪器提供的RIO-Mesh网络数据库功能,实现数据的Internet访问采集和查询,用户只需接入Internet,就可在任何地点监控图书馆的实时环境能耗数据,提供合理的空调调节方案,突破了系统运行的地点限制,大大提高的系统的适应性。 本系统基本功能框架包括:基于Internet的环境能耗数据采集;基于无线WSN的温度能耗数据采集与传输,室温、能耗、湿度等环境参数的实时监测;阅览室三层楼温度场的三维展示,空调控制策略的输出应用;监测布点动态建模;系统信息及空调控制方案的报表输出;温度、空调耗能历史数据的在线查询。

 


系统功能模块说明

 

基于Internet的环境能耗数据采集与发布

本项目采用聚星仪器的RIO-Mesh网络数据库,实现数据的Internet访问采集,用户只需接入Internet,就可在任何地点通过指定账号在线浏览表格数据或者图表数据,或者可以通过LabVIEW 程序将网络数据选择性下载并对其进行进一步的分析。NI LabVIEW 内置丰富的分析处理函数以及二维/三维的显示控件,用户可以在LabVIEW 平台下实现数据分析功能。项目后续功能中将通过相关数据接口把图书馆环境能耗信息发布于图书馆信息网站,达到能耗监控、节能宣传的目的。

现场环境参数的采集及无线传输

通过WSN3212WSN3202( 1)无线节点实现温度、空调能耗、湿度等环境参数的无线传输,数据可进入NI9792( 2)可编程无线网关进行汇总,9792连带的RT模块将汇总数据通过接入的internet网络写入RIO-Mesh数据库,最后数据库将数据发布进入internet,在获得相关授权后用户即可通过internet获取相关数据,现场无线网络采集的布局架构可见后续说明。

环境参数的实时监控与展示

本功能模块主要实现能耗数据、湿度和CO2信息的实时显示,房间温度场的建模与实现,空调位置显示,最近24小时温度、湿度等数据的变化过程显示等。综合B200B300B400的整体温度分布情况,本系统给出了三层楼温度场模型的立体三维展示,通过此三维立体温度场模型的建立,可使用户对对三个楼层之间的温度场关系有个整体的概念,更加有利于用户对环境温度进行最优化控制。同时,结合阅览室的空调口位置信息和本层的温度场信息,给出合理的空调温度调控策略,目前系统的空调控制策略采用三档控制方法,根据现场的温度场分布情况,给出能够较快达到控制温度的策略,当然,在控制策略的应用上,一些控制参数还需要在系统的不断运行中进行调整,以期望实现较快达到温度控制目标。

监测布点动态建模

为使本系统更加具有适应性和鲁棒性,提供了温度场测点布局动态建模功能。如图5所示,通过本模块的使用,可使本系统能够更加方便地调试温度传感器的测点布局,只需拖动如下图界面的上传感器标识,即可实现任意传感器的布点与建模,同时还可任意增减传感器数量,当系统在运行过程中因意外某些测点出现非正常值是时,将会严重影响整个温度场的形成布局的精度,通过本功能模块,当发现有大偏离正常值点出现时,可删除此传感器测点,重新生成新的温度场模型,去掉此奇异测点的影响。

报表信息输出功能

为达到对于环境参数的有效控制,本系统提供了报表输出功能,利用此功能用户可随时以报表的形式输出阅览室的环境能耗信息以及对应的空调控制策略,用户可根据报表情况综合分析图书馆环境情况,同时还可将报表打印,结合相关人员进行空调的调控。

环境能耗数据的历史查询

本系统可通过RIO Mesh网络数据库实现在线环境能耗数据的历史查询,如图7所示,只要输入对应的时间段,就可查看对应时间段内的相关参数变化曲线。

 

 

项目开发技术说明

 

传感器、无线采集系统的硬件说明

传感器的主要类型有热电偶传感器、湿度传感器、CO2传感器和电流传感器等,NI的数据采集设备有:9792无线可编程网关、WSN9791以太网关、WSN3212无线网络节点、WSN3202无线网络节点。

现场测点布局

本项目测点分布于B200B300B400的各个楼层,测点种类信息包括温度测点、湿度测点、CO2测点和电流测点,其中电流测点安装于每层楼的强电配置房,电流传感器将三相交流电的电流信息输入WSN3202节点,3202通过无线网络将电流数据传输出去,温度测点信息通过WSN3212节点传输,每个节点可接4路温度测点,每层楼共有43212节点,即16路温度测点,同时另外放置一个3202无线节点用于采集当层的湿度和CO2信息,B200B300B400的各个节点位置。

无线网络架构

8展示了无线网络采集系统的整体架构示意,系统以可编程9792网关为中心,此无线网关置于现场的三楼中心旋转楼梯附近,通过现场调试发现置于三楼的32123202无线节点都可在9792上发现获取数据,而2楼和4楼由于距离和障碍物等限制导致部分无线节点无法接入9792,在进过多次测试后,本设计方案充分利用了无线节点的中转无线网络功能,分别对2楼和4楼的靠近9792位置的一个3202进行设置,使其工作于中转路由状态,这样2楼和4楼的一些盲测点信息就可通过这两个网络中转节点接入中心网关9792,从而实现了整体无线网络的全覆盖。中心3楼的9792无线网关可对接入的无线测点的信息进行汇总,通过实时控制器中的RT模块的程序将数据写入RIO-Mesh网络数据库进行发布。

本架构方案的主要注意点:在无线网络构成中运用了无线节点中转功能,在实际设计过程中,应使尽量少的节点工作在此模式下,主要原因有:

1)当无线节点工作在中转模式下时,他可将其无线传输范围内的数据进行网络化传输,大大增加了数据的传输量,若在同一个网络下多个节点都使用此模式,则会造成数据传输量大大增加,传输效率则会大大降低。

2)能耗的增大。无线节点工作在中转模式的耗电是普通节点模式的10倍左右,而此类无线节点是通过干电池供电的,如工作在中转模式则会大大降低电池的使用时间(普通碱性电池使用时间大约降至3个月左右),本项目中由于中转功能的两个3202节点附件具有提供直流电源条件,因此将此两个节点接直流电源,从而解决了功耗过大干电池供电不足的问题。

9792无线网关程序架构

9显示了9792无线网关的程序架构,通过其配置的动态I/O将所需获取的监测数据写入监测缓冲数据队列,同时,通过其内置网卡连接数据库,如若连通,则将队列的数据写入RIO Mesh数据库,若无法连通数据库,则表示当前网络不可用,则继续写队列缓冲区等待下一次检查数据库连通情况,直到连上数据后将缓冲区的队列数据写入网络数据库。

基于internet的网络采集架构说明

10展示了基于Internet的网络数据采集框架结构,现场9792无线网关将测点数据写入RIO-Mesh数据库后,任何接入internet网络的终端都可以通过授权获取图书馆的环境能耗数据,从而实现完全基于网络化的数据采集方案。本系统的在线网络数据采集的方案结构如图11所示,网络采集功能主要分为两块,一块应用于主界面的实时数据获取,另一块则是应用于历史数据查询,通过TCP/IP协议可获取所需要的时间段的相关数据。

现场测点动态建模技术说明

12表示了传感器动态布局的实现过程图,首先读取测点信息的配置文件表,将当前的测点信息读取出来,根据读取出来的测点信息在阅览室平面图上进行图形表示,然后可通过鼠标键盘的各种操作对策点进行添加、删除、更改位置等操作,最后确认更改后将新的测点位置信息更新到配置表。图13显示了响应测点布局操作的流程,响应用户操作的程序可分为三个动作,分别为左键单击+拖拽移动、双击选中+输入移动位置坐标点、右键选中对应传感器+点击“设定“三种方式,每一种都可实现传感器位置的更改;同时右键选中对应传感器还可执行相应的传感器删除操作,当相应完毕后即可选择是否更新传感器布局退出。

温度场建模技术说明和空调控制策略

详见pdf文档

 

 

 

系统特色和创新点

 

1) 面向图书馆大空间内空调等节能减排研究,通过数据收集、分析、整理,研究出一套优化图书馆温度、湿度等物理环境的可行方案,以达到低碳、绿色、节能、环保的效果,促进建设节约型、环境友好型社会。

2) 充分利用聚星仪器的RIO-mesh网络数据库功能,实现数据的Internet访问采集,用户只需接入Internet,就可在任何地点监测图书馆的实时温度能耗数据,方便客户的二次开发。

3) 通过NI WSN无线网络平台实现温度,二氧化碳,湿度数据的采集传输,同时,无线传感器网络的节点可以被设置成路由节点,从而延长无线信号的传输距离并增加网络的可靠性。

4) NI RIO 平台是一款模块化的嵌入式控制系统,拥有丰富的I/O 模块,可以根据传感器接口选择合适的I/O模块,进行信号的采集,其特有的可重配置性能可充分发挥虚拟仪器的优势,大大缩短项目开发周期,提高开发效率。

 

 

 

 

 

  • 相关技术支持

    本案例使用的产品与服务

     

    硬件:NI 9792NI 9791WSN-3202WSN-3212

    软件:LabVIEW 2010

    服务:系统集成服务RIO-Mesh服务

     

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