建筑能源系统物联网数据监测与传输质量保障方法

摘要

建筑节能，以提高建筑能源利用效率、降低能源消耗为目标，已成为我国缓解能源供给不足、降低污染物排放，实现建筑能源环境可持续发展的重要课题之一。建筑能耗监测及建筑能源系统物联网(Internet of Building Energy Systems，iBES)为量化考评我国建筑节能工作、促进建筑能效评价与节能改造工作的深入开展，提供了理论基础和技术支持，具有重要的现实和长远意义。能耗数据作为指导建筑系统运行管理、节能诊断和能效评价的基础数据，其正确性和可靠性至关重要。但通过对建筑能耗监测系统的建设和实际运行调研发现，现有建筑能耗监测系统在底层能耗数据监测和网络层数据传输过程中，仍然存在较大的数据质量问题，特别是因感知层信道干扰造成的异常能耗数据、传输层因网络拥塞造成的数据传输障碍等问题亟需进一步解决。为此，本文将以建筑能源系统物联网为平台，通过理论和试验研究、技术开发等手段，以提高建筑能耗监测系统数据监测和数据传输质量为目标，开展以下研究工作。
　　首先，针对建筑能耗监测系统中普遍采用的RS485总线因工作环境恶劣、强电磁干扰等因素引起的通信可靠性较差问题，研究iBES感知层数据监测质量保障方法。以总线的偏置电阻、终端电阻、总线节点数量三个关键参数为研究对象，建立了RS485总线的等效电路模型，通过基尔霍夫电流定律及限流法确定了偏置电阻的合理取值范围，进一步分析了偏置电阻对终端电阻以及总线节点数量的影响。结果表明，偏置电阻的理论最小值为556Ω，最大值为716Ω，当偏置电阻取值为665Ω时，可以确保RS485总线稳定通信的前提下得到总线的最大节点数量，为RS485总线在iBES工程应用提供了技术指导。
　　其次，针对iBES传输层网络结构复杂、网络类型多样化、跨网远距离传输的特点，以能够评价能耗监测网络通信性能的关键参数——网络时延的特性研究为切入点，研究分析iBES网络时延组成，通过S-Ping测量方法从不同角度探究网络时延的分布特性，在此基础上，提出了基于小波滤波-差分自回归滑动平均模型(W-ARIMA)的能耗监测网络时延预测方法。结果表明，W-ARIMA算法具有较高的预测精度，可以实现对网络通信拥塞程度的预判，为优化能耗数据传输奠定基础。
　　第三，针对iBES传输层网络拥塞造成的传输障碍、数据丢失等问题，基于网络时延特性的预测结果，研究改变能耗数据包发包间隔(VPI)和发包大小(VPS)的模糊自适应传输方法。Matlab仿真结果表明，与采用“定时、定量、定间隔”传输方法相比，采用VPI-FATC方法传输时，能耗数据包丢包率下降了23％，采用VPS-FATC方法传输时，丢包率下降了71％;采用VPIS-FATC方法传输时，丢包率下降了79％。
　　最后，在上述理论研究结果的基础上开发了iBES智能数据采集器，其具体智能功能体现在:(1)自配置功能，当遇到网络中断时，可自主读取SD卡中存储的配置信息，避免丢失能耗数据;(2)智能采样功能，可通过变频采样、勒贝格采样方式对能耗数据进行优化采样，在保证能耗数据变化趋势要求的基础上，节约大量的数据存储空间;(3)智能传输控制方法，根据网络拥塞程度动态调整下一时刻能耗数据包的发送时间间隔、数据包大小，适应网络负载变化带来的影响，提高能耗数据传输质量和效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 公共建筑节能迫切要求能耗监测

1．1．2 物联网技术在建筑节能领域发展的必然性

1．1．3 工作基础及研究意义

1．2 楼宇智能化系统与建筑能耗监测系统研究进展

1．2．1 楼宇智能化系统发展进程概述

1．2．2 建筑能耗监测系统研究进展

1．3 物联网技术发展现状分析

1．3．1 物联网在相关行业中的发展与应用

1．3．2 物联网标准研究

1．4 iBES感知层与传输层信道研究进展

1．4．1 感知层信道研究进展

1．4．2 传输层信道研究进展

1．5 本文的研究内容及工作思路

1．5．1 研究内容

1．5．2 工作思路

2 iBES架构及其工程案例分析

2．1 建筑能源系统物联网概述

2．1．1 iBES技术体系

2．1．2 iBES总体架构

2．1．3 iBES能耗评价指标体系

2．1．4 感知层精度保障机制

2．1．5 能耗数据库配置

2．2 iBES工程概述

2．2．1 iBES工程案例1-省级平台项目

2．2．2 iBES工程案例2-市级平台项目

2．2．3 iBES工程案倒3-节约型校园项目

2．2．4 iBES工程案例4-单体建筑项目

2．2．5 iBES典型能耗数据特性分析

2．3 iBES工程中存在的数据质量问题

2．3．1 感知层数据监测过程的数据质量问题

2．3．2 传输层数据传输过程的数据质量问题

2．4 本章小结

3 基于RS485总线参数优化的iBES感知层数据质量保障方法

3．1 iBES感知层RS485总线结构及其影响因素分析

3．1．1 iBES的RS485总线结构

3．1．2 iBES的RS485总线可靠性影响因素分析

3．2 建立感知层RS485总线等效电路模型

3．2．1 RS485总线的等效电路

3．2．2 RS485总线的约束条件

3．3 RS485总线关键参数求解

3．3．1 求解终端电阻

3．3．2 求解偏置电阻

3．3．3 网络节点最大化设计

3．4 本章小结

4 iBES传输层网络时延特性及W-ARIMA预测方法

4．1 iBES传输层网络时延组成

4．2 基于S-Ping的网络时延测量试验

4．2．1 改进的S-Ping测量方法

4．2．2 试验1-网络时延的周期特性

4．2．3 试验2-网络时延的时变特性

4．2．4 试验3-探测包大小对时延的影响

4．2．5 试验4-真实场景网络时延测量

4．3 时延序列小波分解

4．3．1 小波变换原理

4．3．2 iBES网络时延序列小波分解

4．4 基于W-ARIMA模型的网络时延预测

4．4．1 iBES网络时延建模

4．4．2 iBES网络时延预测

4．5 本章小结

5 iBES传输层能耗数据模糊自适应传输方法

5．1 iBES传输层能耗数据传输方法比较

5．2 iBES传输层能耗数据模糊自适应传输控制器设计

5．2．1 Mamdani模糊模型简介

5．2．2 FFSI推理方法简介

5．2．3 基于变包间隔的模糊控制器设计

5．2．4 基于变包大小的模糊控制器设计

5．3 iBES传输层数据模糊自适应传输方法试验研究

5．3．1 网络仿真平台简介

5．3．2 VPI-FATC仿真试验

5．3．3 VPS-FATC仿真试验

5．3．4 VPIS-FATC仿真试验

5．4 本章小结

6 iBES智能数据采集器开发

6．1 数据采集器功能需求

6．2 iBES智能数据采集器的设计与实现

6．2．1 iBES数据采集器整体思路

6．2．2 采集模块设计与实现

6．2．3 存储模块设计与实现

6．2．4 网络模块设计与实现

6．2．5 主控模块设计与实现

6．3 iBES数据采集器与数据中心的通信协议

6．4 iBES智能数据采集器关键技术问题研究

6．4．1 MAC地址绑定

6．4．2 自配置功能

6．4．3 能耗数据采样方法优化

6．4．4 模糊自适应传输算法

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介