導(dǎo)語：建筑節(jié)能運(yùn)行智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

建筑能源消耗占全球能源消耗的近40%，因此使建筑的用能水平提高，使其成為節(jié)能型建筑；超低/近零能耗建筑作為節(jié)能建筑的一種高級(jí)表現(xiàn)形式，他們的出現(xiàn)以及逐步推廣使用，非常有利于控制碳排放、緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染。隨著建筑電氣智能化及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用在建筑中，通過節(jié)能控制策略和系統(tǒng)優(yōu)化，有助于建筑的智能節(jié)能運(yùn)行。

1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足人類的居住或工作環(huán)境的舒適度，建筑系統(tǒng)需要配備供暖、制冷、照明、電梯、通信子系統(tǒng)以及家用電器設(shè)備等，而這些設(shè)備的運(yùn)行必須通過智能控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。智能控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。從功能出發(fā)，硬件系統(tǒng)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、控制中樞、通信和執(zhí)行端四個(gè)主要部分，軟件系統(tǒng)包括算法的運(yùn)行以及控制操作界面的設(shè)計(jì)。如圖1所示。

1.1數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)需要采集取暖、新風(fēng)、空調(diào)和照明等系統(tǒng)相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及如溫度、二氧化碳、濕度、光強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)，用來給控制策略的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。考慮到數(shù)據(jù)采集對(duì)象分布距離較遠(yuǎn)且數(shù)據(jù)較多，因此采用基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)的全面感知、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化程度逐漸提升，此系統(tǒng)就所用物聯(lián)網(wǎng)的多功能傳感芯片和元器件、感知信息融合處理、嵌入式傳感系統(tǒng)。（1）電量參數(shù)采集本系統(tǒng)中選用安科瑞公司生產(chǎn)的DDSD1352多功能儀表采集有功電能、無功電能、三相電壓、三相電流、頻率、功率因數(shù)等電量參數(shù)，該儀表具有電能脈沖輸出功能，可通過RS485通訊接口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。輸入電壓?jiǎn)蜗酁锳C220V；輸入電流為10（60）A，使用時(shí)采用DIN35mm導(dǎo)軌直接安裝即可。（2）室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集溫濕度的采集選取高精度溫濕度傳感器DHT11，它的溫濕度測(cè)量范圍分別為0～50℃和20%～95%RH，適用于建筑物內(nèi)環(huán)境溫濕度的測(cè)量，供電電壓為DC3.3～5.5V，與系統(tǒng)電源匹配，不用單獨(dú)設(shè)置電源，使用方便。該芯片包含電源正、電源地、串行數(shù)據(jù)和一個(gè)串行時(shí)鐘輸入共4個(gè)引腳，使用時(shí)需要在兩個(gè)電源引腳之間設(shè)置濾波電容。光強(qiáng)度采集選擇維芯品牌的GY-485-44009型高精度傳感模塊，P5，P6引腳為數(shù)據(jù)傳輸引腳，該模塊連接接口為串口，由于系統(tǒng)采用RS485通信，因此使用時(shí)需要借助USB轉(zhuǎn)458模塊。選用費(fèi)加羅TGS813傳感器檢測(cè)可燃?xì)怏w；用T6613-2KT6613-5K美國(guó)GE紅外氣體傳感器檢測(cè)二氧化碳。

1.2通信模塊

選用ZigBee模塊設(shè)計(jì)通信部分，當(dāng)在模塊中運(yùn)行不同軟件程序時(shí)可使模塊具有協(xié)調(diào)器功能或節(jié)點(diǎn)功能。具有模擬輸入、數(shù)字輸入、繼電器控制以及RS485接口。該模塊自帶電源以收發(fā)芯片CC2530和功放芯片RFX2401為核心。通過編程接口加載節(jié)點(diǎn)的控制程序；通過功能接口完成系統(tǒng)參數(shù)的配置和數(shù)據(jù)的采集及控制輸出；通過485接口完成相關(guān)的數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)。使用時(shí)模擬量和數(shù)字量通過CC2530的P04TX、P05RX、P06和P07引腳輸入；當(dāng)所接傳感器為電壓型時(shí)，電阻R1-R5以及電容C2不焊接；當(dāng)傳感器為電流型時(shí)，電阻R2、R3以及電容C7不焊接。

1.3控制中樞

控制中樞是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)確保各子系統(tǒng)的功能正常運(yùn)行，然后將各子模塊與主控單元聯(lián)調(diào)融合；需要處理來自數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略算法，通過軟件不斷調(diào)試優(yōu)化系統(tǒng)的功能。包括上位機(jī)控制端和現(xiàn)場(chǎng)控制器兩個(gè)層次。（1）上位機(jī)上位機(jī)終端選擇工控機(jī)，系統(tǒng)軟件以終端設(shè)備為承載平臺(tái)，負(fù)責(zé)控制策略表達(dá)，用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控界面，需要能夠?qū)ㄖ?nèi)各監(jiān)測(cè)對(duì)象運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將實(shí)時(shí)狀態(tài)直觀展現(xiàn)出來；還需要以采集到的數(shù)據(jù)作為判斷依據(jù)對(duì)電氣設(shè)備和窗戶、窗簾等設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。具體包括建筑內(nèi)空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)值顯示以及曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面及報(bào)表打印功能、系統(tǒng)故障診斷及相關(guān)信息提示界面、報(bào)警界面以及權(quán)限設(shè)置界面。（2）現(xiàn)場(chǎng)控制器主控芯片解析處理數(shù)據(jù)后，通過通信模塊發(fā)送相應(yīng)的指令到執(zhí)行端各單元的控制。選擇STM32增強(qiáng)型微控制器為核心設(shè)計(jì)主控單元，根據(jù)系統(tǒng)功能需求確定WLCSP64封裝的有64個(gè)引腳的STM32F103R6芯片為主控芯片，成本低、速度快、性價(jià)比高，具有優(yōu)先級(jí)可編程的中斷系統(tǒng)，同時(shí)它還具有64KB的Flash存儲(chǔ)器與20KB的SRAM存儲(chǔ)器，另外還集成了非常的片內(nèi)外設(shè)資源豐富，如看門狗、定時(shí)器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、I2C接口等。系統(tǒng)時(shí)鐘電路選用典型值8MHz的晶振，為降低輸出失真并快速達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間，在設(shè)置諧振器和負(fù)載電容時(shí)應(yīng)離振蕩器的引腳足夠近。選擇典型值為5pF～25pF之間且具有相同參數(shù)的瓷介電容器為負(fù)載電容；反饋電阻值確定為200kΩ，對(duì)應(yīng)的晶體串行阻抗值確定為30Ω。（3）執(zhí)行端控制中心的控制指令傳輸給終端設(shè)備進(jìn)而通過控制執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的智能控制。本系統(tǒng)中對(duì)窗戶、窗簾、照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備和報(bào)警設(shè)備采用繼電器控制，繼電器輸出控制電路，選用歐姆龍繼電器模組，額定電流為16A，30VDC，線圈電壓為12V/24VDC，線圈功率為0.53W/只，支持1-16路輸出，采用DIN導(dǎo)軌安裝方式。

1.4接口模塊

系統(tǒng)所有模塊的通信協(xié)議均使用了標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，因此需要設(shè)計(jì)RS485接口模塊，以MAX3485為電路主控芯片，將PIN1和PIN4分別連接到ZigBee模塊主控芯片的PIN2和PIN3，為了起到過流保護(hù)和抑制浪涌電壓的作用，需使用2個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和3個(gè)穩(wěn)壓二極管構(gòu)成保護(hù)電路。如果信息傳輸距離超過300m時(shí)，需要設(shè)置抗干擾電阻。

2控制策略優(yōu)化

2.1空調(diào)控制策略

空調(diào)系統(tǒng)是建筑中最大的耗能設(shè)備，在夏季主要供冷，在冬季尤其是在沒有集中供熱的南方地區(qū)，空調(diào)是最主要的供熱設(shè)備；因此要保證居住舒適性及節(jié)能的環(huán)境控制目標(biāo)，需要選擇適合的控制策略對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行智能控制?？刂茀?shù)應(yīng)包含天氣信息、當(dāng)前室內(nèi)溫濕度信息；若為公共建筑則應(yīng)加入建筑的正常營(yíng)業(yè)時(shí)間或辦公時(shí)間，由此來設(shè)定空調(diào)的自動(dòng)啟停時(shí)間點(diǎn)。且記錄室內(nèi)溫濕度及空調(diào)啟停時(shí)間，并將其作為控制系統(tǒng)反饋參數(shù)，依此優(yōu)化控制策略。因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間變化，天氣參數(shù)為隨機(jī)值，因此可以考慮基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型對(duì)空調(diào)能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)或利用專家系統(tǒng)對(duì)空調(diào)運(yùn)行進(jìn)行控制。如預(yù)測(cè)電量消耗信息，則需要室內(nèi)溫度（A）、濕度（H）、人數(shù)（N）和工作時(shí)間（T），作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，輸出定義為每小時(shí)的總電量消耗，進(jìn)而確定網(wǎng)絡(luò)的輸入變量X和輸出變量Y分別為：

2.2照明控制策略

公共建筑的能耗量占比中，照明系統(tǒng)是僅次于空調(diào)系統(tǒng)的第二大能耗使用系統(tǒng)，目前主要通過高能效燈具及智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)節(jié)能。對(duì)公共建筑來講實(shí)行分區(qū)控制、場(chǎng)景控制、智能調(diào)光等能夠達(dá)到較好的節(jié)能效果。也可融入“行為節(jié)能”控制參數(shù)，將一些節(jié)能意識(shí)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)程序中的控制策略，如根據(jù)建筑內(nèi)人的工作時(shí)間來設(shè)定照明設(shè)備的自動(dòng)開啟與關(guān)閉，在正常工作時(shí)間內(nèi)，若實(shí)時(shí)檢測(cè)到室內(nèi)無人的話，則延時(shí)一段時(shí)間關(guān)閉照明設(shè)備。人員的存在情況，若是室內(nèi)無人關(guān)閉該區(qū)域的照明設(shè)備，這個(gè)時(shí)間的設(shè)定需要根據(jù)照明場(chǎng)所的不同個(gè)性化輸入。同時(shí)系統(tǒng)中的各類時(shí)間參數(shù)可以按需設(shè)置，根據(jù)實(shí)際情況分區(qū)設(shè)定。

結(jié)論：

本文以建筑物節(jié)能運(yùn)行為目的設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)，以STM32系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了控制單元，選用DHT11等傳感器采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee無線通信模塊傳輸給主控芯片或上位機(jī)，節(jié)能控制策略軟件程序運(yùn)行后，通過主控單元發(fā)出控制命令給執(zhí)行單元，從而控制各用能設(shè)備的開關(guān)與啟停，使建筑節(jié)能智能運(yùn)行，達(dá)到低碳環(huán)保的環(huán)境效益。

作者：鄭偉南 單位：吉林建筑科技學(xué)院