《面向楼宇节能的集成控制技术研究与开发》项目研发工.docx
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《面向楼宇节能的集成控制技术研究与开发》项目研发工
楼宇节能的集成控制技术研究与开发
项目总结报告
江苏清洁能源研究院
二〇一〇年六月
１.研究内容和项目目标
1.1项目目标
（1）掌握楼宇节能的集成控制技术、开发无线传感器网络通信技术的传感器单元、建立统一的数字化、信息化、标准化的能源监测、管理、监控平台；
（2）对******大楼控制系统进行设计改造，改造后节能目标如下表。
同时以此作为示范工程，进行项目的应用推广。
改造项目
改造后全年节能百分比
空调系统
30%
照明系统
15%
给排水系统
15%
电梯系统
20%
供电系统
20%
1.2面向楼宇节能的集成控制技术主要研究内容
本项目集成了**集团在数字家庭网络、合同能源管理、空调方面的技术优势、中科院计算所在无线传感器网络方面自主知识产权的技术优势。
研究内容主要包括：
（1）面向楼宇节能的无线传感器网络通信协议及通讯单元的研发
研究在面向楼宇节能的集成控制技术中，无线自组织网络体系结构以及在该体系结构下分层的网络通信协议以及网络管理应用技术。
研究在楼宇复杂环境中，无线传感器网络技术网络通信组网技术以及组网模块的设计和开发，以及在嵌入式系统中实现复杂无线自组织网络协议的方法。
（2）基于无线传感器网络通信技术的传感器单元研发
传感器提供的参数及其变化情况是楼宇能量管理的基础，需要研发基于无线传感器网络通讯技术的传感器单元包括温度、湿度、照度、压力、O2、CO2、开关状态等。
（3）基于无线传感器网络的楼宇能源供给分布式信息系统研发
研究针对楼宇能源供给分布式信息系统的无线传感器网络结构，在楼宇能源供给分布式信息系统中使用无线传感器网络技术，实现基于无线传感器网络的信息的采集、传输、处理等工作。
研究该技术中使用无线与有线通信系统相结合的方式，以及在该种方式下优化系统体系结构，在实现系统功能的前提下有效提高系统单元工作效率，降低系统施工以及运行成本。
（4）面向楼宇节能的无线传感器网络的分布式信息融合新技术
面向楼宇节能的无线传感器网络的分布式信息融合新技术在楼宇节能控制中，需要获得全局的物理信息及人员状况，如果将所有节点的原始物理数据都上传至主控中心进行处理，不仅占用大量通信带宽、消耗过多的节点能量，也不能够保证主控中心对大量数据的实时有效处理。
为有效解决上述问题，就需要利用分布式信息融合，将局部信息经簇首汇聚融合再上传至主控中心，经过分层分布式的方式得到全局信息。
（5）楼宇供电、空调、通风、电梯、照明、安防等子系统规范化接口及控制技术
楼宇系统中各种设备相互独立，大多有自己的控制体系。
常用的控制网络如RS422、RS485、ethernet、CAN、LonWorks、BACnet等都有涉及，因此集成的难度非常大，但又必须能够集成在一起并协同工作。
这就需要研究基于主流通讯方式的硬件接口并通过软件集成，使得新建网络能够共享和控制该设备。
（6）建立统一的数字化、信息化、标准化的能源监测、管理、监控平台
现代的楼宇节能是建立在楼宇各子系统的数字化、信息化基础上。
将楼宇的电力系统、照明系统、给排水系统、中央监控系统、空调系统、电梯控制系统、常规管理等系统集成在一起，同时整合安保、公共广播、CATV、消防等系统，实现集中监控管理。
如果能将软件进一步升级，将监控采集到的数据实时传送到用户、专业维护公司、政府监管部门，那么实现实时监管区域内楼宇能耗的难题就迎刃而解。
有了科技的支撑，城区楼宇能耗监管工作将会更科学、更有力。
（7）楼宇空气质量、生态环境等问题
节能减排的意义不仅在于节能，也更加关注人类生存的环境。
在建立楼宇设备信息化、网络化监控的基础上，对楼宇室内空气质量、噪声、照度、人体热环境等实施监控。
实现楼宇生态环境的卫生、健康、舒适将成为楼宇空置的新亮点。
（8）依靠研发平台建立楼宇节能系列产品的企业标准体系
楼宇节能项目在目前十分重视“节能减排”的情况下，会涌现出很多相关的小公司，这些单位的资金、技术以及设计施工的质量良莠不齐。
为了确保高质量的完成节能减排目标，达到人们满意的程度，需要从技术和工艺的角度规范相关的改造工程。
因此，本项目实施过程中将在具体的试验和工程实践基础上，提出节能系列产品的企业标准体系，把好质量关。
1.3要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益
该项目完成以后所体现楼宇智能管理技术水平与应用水平将达到国内先进水平。
改造后全年的节能效果将达到：
空调系统30%，照明系统15%，给排水系统15%，电梯系统20%，供电系统20%等能源。
2、项目推进计划
工作进度（按半年度分）
主要工作内容
2008年7月至2008年12月
1、提出系统设计方案、确定工作分解目标和资源配置；
2、基于传感器网络的新型传感器研发；
3、传感器网络模型和通讯协议仿真；
2009年1月至2009年6月
1、搭建基于无线传感器网络的楼宇能源供给分布式信息系统；
2、楼宇供电、空调、通风、电梯、照明、安防等子系统规范化接口研发；
3、能耗集成监控管理系统研发；
2009年7月至2009年12月
1、楼宇能源供给分布式信息系统功能测试、验证；
2、能耗集成监控管理系统测试、验证；
3、分布式供能楼宇能源供给企业标准草案；
4、项目鉴定验收。
项目完成后主要考核指标：
技术指标：
专利5项
新装置至少4项
申请软件着作权1项
在国内外重要的学术会议和刊物发表高水平论文5篇
形成面向楼宇节能的自主知识产权的企业标准1项
经济指标：
改造既有楼宇系统至少1座；
相关新产品至少4项
将形成面向楼宇节能的技术示范工程及专业实验室
3.项目实施
智能大楼的集成化是当今智能建筑所追求的最重要的目标和评判智能化的最高标准。
智能大楼集成化的技术核心是建立在系统集成、功能集成和软件界面集成的多种技术集成基础之上的一门新型高科技技术。
针对项目研究目标，在各子系统的数字化、信息化基础上，将楼宇的电力系统、照明系统、给排水系统、中央监控系统、空调系统、电梯控制系统、常规管理等系统集成在一起，同时整合安保、公共广播、CATV、消防等系统，实现集中监控管理。
同时对*******大楼的能源系统调查的基础上，提出了可行的节能改造方案；无线网络技术的发展和应用为建设智能大厦计算机网络系统提供了一种高质量的解决方案，并取得良好的效果。
本项目主要对基于ZIGBEE规范的相关技术进行了重点研究，特别是对无线传感网络系统及其传感单元进行了重点开发，并进行了组网，形成**智能楼宇BA系统（BuildingAutomationSystem）；在此基础上，进行项目应用推广，积累了一定的市场经验。
3.1基于ZIGBEE通用无线传感器网络硬件研发
本项目就是基于ZigBee技术，设计了通用无线传感器网络硬件平台，以期待能够产业化，为我国的无线传感器事业做出更大的贡献。
3.11ZigBee的特点
①低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
相比较，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时。
②低成本。
通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。
③低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。
传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
⑦协议简单、安全性高。
ZigBee协议栈长度平均只有蓝牙的1/4，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。
ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，提供了三级安全模式，可灵活确定其安全属性，网络安全能够得到有效的保障。
⑧免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段—2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。
3.12无线传感器网络硬件设计
在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内。
节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。
下图给出了一般形式的无线传感器网络体系结构。
针对环境及结构状态监测，我们设计了一种通用无线传感器网络硬件平台，该硬件平台由若干传感器节点、具有无线接收功能的Sink节点及一台计算机构成。
无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，Sink节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机，如图所示。
无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。
其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积。
本节点基于低功耗微处理器芯片ATmega128，射频部分采用CHIPCON公司的CC2420
芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器。
整个系统采用了通用的接口
插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展。
下面将对节点架构、微处理器相关参数进行简单介绍：
设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。
该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。
为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。
下图是设计的无线传感器节点的结构框图。
下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。
3.13SoC芯片CC2430
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。
它使用1个8位8051MCU，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
得益于CC2430的高集成度，其外围电路非常简单，只需要数量很少而且廉价的外围元件，即可完成无线传感器节点的数据传输和处理功能，因而大大降低了成本。
3.14传感器模块
根据实际需要选择不同的传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行检测。
可选用了光敏器件、数字格式传感器和驻极体话筒，对光强、温度、振动和声音等进行探测。
光敏电阻5516是基于半导体光电效应工作的光导管，对光强感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值（亮电阻）急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进而换算出光照强度。
Maxim公司的DS18B20是一线式数字温度传感器，测量结果可选用9～12位串行数据输出，测量范围-55～125℃，在-10～85℃测量准确度为±0.5℃。
驻极体话筒HX034P是电容式微麦克风。
输入信号为声音信号，输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A/D采样，处理器的A/D采样频率可达200KHz，可捕获到声音信号。
ADI公司的ADXL202是双轴向加速度传感器，它采用先进的微型机电系统技术，在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器，集成精确的信号处理电路，可测静态及动态加速度。
该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。
结合使用上述几种传感器和敏感器件的无线传感器网络节点，能够实现温度、加速度（震动）的准确测量与探测，光敏电阻有其自身的光谱特性和温度特性，因此在设计中不作精确标定；另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数据处理，从能量利用和传感器节点功能的精简角度考虑，设计中对声光强弱的探测通过设定阈值来给出布尔型输出。
3.15电源模块
实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。
该类电池自放电率小于10％每月，但额定容量较小，限制了节点的生存期，若以两节5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理的设置节点发射极的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的使用寿命。
针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源解决方法研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题.
3.16阻抗匹配网络
CC2430的射频信号采用差分方式，其最佳差分负载阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配电路需要根据这一数值进行调整。
本设计采用50欧姆单极子天线，由于CC2430的射频端口是差分形式具有两个端口，而天线是单端口，因此需要一个巴伦来完成两端口到单端口间的转换。
巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成，如图4所示，包括电感L1、L2、L3和电容C1和两段长的传输线。
3.17Sink节点的硬件设计
无线传感器网络内的信息与外部网络或处理终端间的连接需要通过Sink节点来实现，Sink节点是无线传感器网络与有线设备连接中转站，负责发送上层命令（如查询、分配ID地址等），接收下层节点请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择功能，是无线传感器网络中最重要的一部分。
我们设计的Sink节点带有USB数据口和RS232数据口，两种数据口可以通过开关进行切换，以方便Sink与外部网络或处理终端间的连接。
上图是我们设计的Sink节点的结构框图，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。
TTL与RS232电平转换单元选用MAX3316芯片，该芯片在2.25～3.0V供电即可实现两通道双向电平转换，可直接操作CC2430芯片串行数据线和控制线。
CC2430的外围电路设计与传感器节点相同。
左图为无线传感器实物图。
3.2基于无线传感器网络的楼宇能源供给分布式信息系统的搭建与调试
组建一个完整的Zigbee网状网络包括两个步骤：
网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤：
通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。
3.21网络初始化
Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个Zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求：
1．节点是FFD节点，具备Zigbee协调器的能力；
2．节点还没有与其它网络连接，当节点已经与其它网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个Zigbee网络中有且只有一个网络协调器。
网络初始化的流程如下：
1．确定网络协调器。
首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其它网络里或者网络里是否已经存在协调器。
通过主动扫描，发送一个信标请求命令（Beaconrequestcommand），然后设置一个扫描期限（Tscan—duration），如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为此FFD在其POS内没有协调器，那么此时就可以建立自己的Zigbee网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。
2．进行信道扫描过程。
包括能量扫描和主动扫描两个过程：
首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰。
以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。
接着进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息。
这些信息以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息，找到一个最好的、相对安静的信道，通过记录的结果，选择一个信道，该信道应存在最少的ZigBee网络，最好是没有ZigBee设备。
在主动扫描期问，MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。
3．设置网络ID。
找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符（PANID，取值_<0x3FFF），这个ID在所使用的信道中必须唯一，也不能和其它Zigbee网络冲突，而且不能为广播地址0xFFFF（此地址为保留的地址，不能使用）。
PANID可以通过侦听其它网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取，也可以人为的指定扫描的信道后来确定不和其它网络冲突的PANID。
在Zigbee网络中有两种地址模式：
扩展地址（64位）和短地址（16位），其中扩展地址由IEEE组织分配，用于唯一的设备标识；短地址用于本地网络中的设备标识，在一个网络中，每个设备的短地址必须唯一，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址进行通信。
对于协调器节点来说，短地址通常设定为0x0000；上面步骤完成后，就成功初始化了Zigbee网状网络，之后就等待其它节点的加入。
节点入网时将选择范围内信号最强的父节点（包括协调器）加入网络，成功后将得到一个网络短地址并通过这个地址进行数据的发送和接收，网络拓扑关系和地址就会保存在各自的Flash中。
3.22节点通过协调器加入网络
当Zigbee协调器确定之后，节点首先需要和协调器建立连接加入网络。
为了建立连接，FFD节点需要向协调器提出连接请求，协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点做出响应，节点与协调器建立连接后，才能实现数据的收发。
具体的流程可以分为以下几个步骤：
1．查找网络协调器。
首先会主动扫描查找周围网络的协调器，如果在扫描期限内检测到信标，那么将获得了协调器的有关信息，这时就向协调器发出连接请求。
在选择合适的网络后，上层将请求MAC层对物理层和MAC层的phyCurrentChaanel、macPANID等PIB属性进行相应的设置。
如果没有检测到，间隔一段时间后，节点重新发起扫描。
2．发送关联请求命令（Associaterequestcommand）。
节点将关联请求命令发给协调器，协调器收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到节点的连接请求。
但这并不意味着已经建立连接，只表示协调器已经收到节点的连接请求。
当协调器的MAC层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此节点的加入请求，然后给节点的MAC层发送响应。
3．等待协调器处理。
当节点收到协调器加入请求命令的ACK后，节点的MAC将等待一段时间，接收协调器的连接响应。
在预定的时间内，如果接收到连接响应，它将这个响应向它的上层通告。
而协调器给节点的MAC层发送响应时会设置一个等待响应时间（ZResponseWa#Time）来等待协调器对其加入请求命令的处理，若协调器的资源足够，协调器会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令，则此节点将成功的和协调器建立连接并可以开始通信。
若协调器资源不够，待加入的节点将重新发送请求信息，直到入网成功。
4．发送数据请求命令。
如果协调器在响应时间内同意节点加入，那么将产生关联响应命令（Associateresponsecommand）并先存储这个命令。
当响应时间过后，节点发送数据请求命令（Datarequestcommand）给协调器，协调器收到后立即回复ACK，然后将存储的关联响应命令发给节点。
如果在响应时间到后，协调器还没有决定是否同意节点加入，那么节点将试图从协调器的信标帧中提取关联响应命令，成功的话就可以入网成功，否则重新发送请求信息直到入网成功。
5．回复。
节点收到关联响应命令后，立即向协调器回复一个确认帧（ACK），以确认接收到连接响应命令，此时节点将保存协调器的短地址和扩展地址，并且节点的MLME向上层发送连接确认原语，通告关联加入成功的信息。
上述步骤完成之后，待加入网络的节点应该已经收到协调器的加入请求回复。
如果该请求通过，该节点将成功和协调器建立连接并获得网络地址和其他节点进行通信。
在上述连接的过程中，请求建立连接的节点的上层生成连接请求原语发送给节点的MAC层。
MAC层的MLME接收到这个原语后，先向物理层发送和原语更新phyCurrentchannel和maePANID的值，然后生成一个含有建立连接请求的命令帧发送给指定的协调器。
节点在发送命令帧时使用CSMA．CA算法，首先MLME向物理层发送状态为TXON的收发电路状态转换原语，激活发射电路，使其工作在发射状态。
收到确认原语后再向物理层发送数据请求原语来生成命令帧，等待接收的协调器发送的确认帧。
如果没有收到，那么将重新发送连接请求命令。
如果重新发送aMaxFrameRetries次后仍然没有接收到确认帧，则节点的物理层向上层发送状态为NOACK的连接请求确认原语表示连接请求命令发送失败。
3.23节点通过已有节点加入网络
当靠近协调器的FFD节点和协调器关联成功后，处于这个网络范围内的其它节点就以这些FFD节点作为父节点加入网络了，具体加入网络有两种方式，一种是通过关联（association）方式，就是待加入的节点发起加入网络；另一种是直接（direct）方式，就是待加入的节点具体加入到那个节点下，作为该节点的子节点。
其中关联方式是Zigbee网络中新节点加入网络的主要途径对于一个节点来说只有没有加入过网络的才能进行加入网络。
在这些节点中，有些是曾经加入过网络，但是却与它的父节点失去联系（这样的被称为孤儿节点．），而有些则是新节点。
当是孤儿节点时，在它的相邻表中存有原父节点的信息，于是它可以直接给原父节点发送加入网络的请求信息。
如果父节点有能力同意它加入，于是直接告知它的以前被分配的网络地址，它便入网成功；如果此时它原来的父节点的网络中，子节点数已达最大值，也就是说网络地址已经分配满，父节点便无法批准它加入，它只能以新节点身份重新寻找并加入网络。
而对于新节点来说，它首先会在预先设定的一个或多个信道上通过主动或被动扫描周围它可找到的网络，寻找有能批准自己加入网络的父节点，并把可以找到的所有父节点的资料存入自己的相邻表。
存入相邻表的父节点的资料包括ZigBee协议的版本、堆栈的规范、PANID和可以加入的信息。
在相邻表中所有的父节点中选择一个深度最小的，并对其发出请求信息，如果出现相同最小深度的两个以上的父节点信息，那么随机选取一个发送请求。
如果相邻表中没有合适的父节点信息，那么表示入网失败，终止过程。
如果发出的请求被批准
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