摘要:本设计为改善耗能系统运行状况，提高能源利用率，减少建筑能耗，将WIFI技术应用于建筑能耗监测管理方面。提出了一种基于WIFI技术的建筑能耗监测系统的设计方案，给出了系统总体结构图，硬件采用STM32F103C8T6单片机为核心控制器组成无线能耗数据采集监控网络，对建筑能耗数据进行采集，软件基于WIFI实现底层WSN感知和传输网络系统的设计，实现建筑能耗监测管理。
关键字：WIFI WSN 能耗监测
Abstract
In order to improve energy consumption system, improve energy efficiency and reduce building energy consumption, the WIFI technology is applied to the monitoring and management of building energy consumption. A design scheme of building energy consumption monitoring system based on WIFI technology is proposed. The overall structure of the system is given. The hardware uses STM32F103 C8T6 microcontroller as the core controller to form a wireless energy consumption data acquisition and monitoring network to collect building energy consumption data. The software realizes the design of the underlying WSN perceptual and transmission network system based on WIFI, and realizes the monitoring and management of building energy consumption.
Key words: WIFI WSN Energy consumption monitoring
基于WIFI技术的建筑能耗监测管理系统设计
0 引言
我国目前仍正处在城市化进程快速发展阶段，建筑能耗呈稳步上升的趋势。无论公共建筑还是居住建筑，能耗都是相当大的，而建筑能耗是整个节能行业的一个重要组成部分，并越来越引起人们的关注，降低建筑能耗已是刻不容缓。本设计采用STM32F103C8T6单片机为核心控制器组成无线能耗数据采集监控网络，对建筑能耗数据进行采集，软件基于WIFI实现底层WSN感知和传输网络系统的设计，实现了建设、运营成本低，无需布线，尤其适合采集建筑能耗现状的建筑能耗监测系统。
1 系统总体结构设计
本系统采用远程传输等手段及时采集建筑能耗数据，实现对重点建筑能耗的在线监测和动态分析。由数据采集子系统、数据传输子系统和能耗数据监测中心三部分组成，其系统结构框图如图1所示。其中，计量装置是用来度量建筑能耗的仪表及各类传感器的总称，它通过标准接口对其管辖的各类表计传感器的数据信息进行采集、处理和存储，并通过数据传输子系统的信道与能耗监测中心交换数据。监测建筑中的各计量装置、数据采集器和数据采集软件组成数据采集子系统。数据传输子系统负责收集并缓存其管理楼栋区域内监测建筑的能耗数据，并上传到能耗监测中心。
图1 建筑能耗监测系统框图
2 系统硬件设计
2.1 芯片选型
主控制器芯片采用无须转换芯片就可与PC机USB接口进行通信的STM32F103C8T6，该芯片集成A/D、PCA、比较器、专用PWM模块、SPI等高功能接口部件，可大大简化系统外围电路，使设计更加简捷，系统性能更加高效、可靠。
WIFI网络节点采用安信可科技公司生产的片上系统ESP8266来设计。ESP8266采用6*6QFN封装，包含电源、控制和GPIO共计40个引脚。该芯片集成了微处理器、8KB的SRAM和大容量的FLASH用来保存WIFI协议栈。
以太网控制器采用由WIZnet推出的硬件协议栈芯片W5500，该芯片集成TCP/IP协议栈，10/100M以太网数据链路层及物理层，提供SPI接口，通过两个中断引脚和SPI就可以实现与STM32主控制器的通信。
2.2 WIFI网络节点电路设计
WIFI网络节点主要负责启动、配置与协调整个WIFI网络，将主控制器命令下发给网络中的任意一个设备，并且接收网络中设备返回的数据与网络状态信息。WIFI网络节点通过USART接口与主控制器连接，ESP8266的PO2与STM32F103C8T6的PA9引脚连接，PO3与STM32F103C8T6的PA10引脚连接。
2.3 STM32—以太网网关设计
网关控制单元主要负责串行数据帧与以太网帧之间的相互转化，并将转化好的以太网帧发送至上位机。W5500通过SPI与STM32主控制器进行数据通信，即W5500模块的SCLK、MISO及MOSI引脚分别接STM32的SPI2_SCK、SPI2_MI-SO及SPI2_MOSI引脚。
3 系统软件设计
3.1 WIFI节点软件设计
WIFI节点软件设计是基于安信可科技公司开发的Z-Stack协议，通过任务轮询，事件触发来实现任务调度机制。启动时首先进行任务初始化，并发送命令申请加入底层数据采集子系统网络。成功加入网络后，采集器将智能仪表地址、寄存器起始地址和寄存器个数，以及通过CRC16校验产生的校验码按照Modbus协议封装成标准的RTU消息帧，然后向智能仪表发送请求帧。智能电表收到请求帧后首先判断设备地址与自己是否匹配，再进行校验计算，判断无误后，根据请求帧中相应的功能代码返回响应帧。数据采集系统成功读取到智能仪表数据后通过WIFI网络向WIFI节点发送智能仪表读数。
3.2 STM32—以太网通信单元设计
STM32通过SPI方式实现对以太网控制器W5500的控制。当W5500接收到数据后，根据TCP/IP协议栈进行Sock-et编程。通过对W5500初始化，程序进入主循环。当Socket处于关闭状态时，在进行通信之前，先将该Socket初始化，将通信协议配置成TCP，即Sn_MR_TCP。当程序成功执行socket ()函数后，socket0将处于SOCK_INIT状态。此时，作为TCP客户端，就要调用connect ()函数连接远程服务器。待TCP连接的3次握手完成后，socket0的状态将会转变为SOCK_ESTABLISHED 状态。再进入SOCK_ES-TABLISHED 状态后，便可进行数据收发。
4 总结
本系统旨在解决传统的采集器布线复杂、传输距离短等问题，利用WIFI网络的低复杂度、自组网、低功耗等特点，实现了快速准确地采集智能仪表的能耗数据，既保证了数据传输的稳定性，又增强了系统的可扩展性。
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项目基金：河南省高等学校大学生创新训练计计划项目，项目编号：201812746007
论文作者:贺浩,杨瑞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：建筑论文; 数据论文; 网络论文; 以太网论文; 系统论文; 节点论文; 子系统论文; 《电力设备》2019年第4期论文;