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淺談基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)設(shè)計論文
一、引言
隨著地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，我國各大城市地鐵線路和地鐵站數(shù)量不斷增加，地鐵站規(guī)模的不斷擴大及其內(nèi)部配套設(shè)施也日趨完善，這使得地鐵系統(tǒng)的能量消耗不斷增加。因此，實現(xiàn)地鐵站的節(jié)能對整個軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能工作至關(guān)重要。目前，地鐵站能耗設(shè)備的節(jié)能管理方面仍存在許多的缺點與不足，如空調(diào)系統(tǒng)部分雖有了集中的控制與調(diào)節(jié)，但未能根據(jù)實際情況而做出更人性化的調(diào)節(jié)與控制;照明系統(tǒng)部分缺乏智能控制，未能根據(jù)實際應(yīng)用情況做出節(jié)能調(diào)節(jié);電梯、自動扶梯雖然自身具有一定節(jié)能設(shè)計，但仍存在著較大的局限性等。針對存在的問題，本文設(shè)計一個基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對地鐵站能耗的集中管理，從而達到有效節(jié)能的效果。
二、地鐵站能耗情況分析
(一)地鐵站能耗分布
地鐵系統(tǒng)運營過程中最大的能量消耗包括車載的運行能耗和地鐵車站的能耗。據(jù)不完全統(tǒng)計，地鐵車站能耗是地鐵系統(tǒng)的主要能耗構(gòu)成，大約占地鐵系統(tǒng)總能耗50%。隨著科技的快速發(fā)展，人們的安全意識也在不斷增強，地鐵車站的能耗呈現(xiàn)著不斷增長的趨勢。如地鐵車站使用了一系列為人身安全而設(shè)計的設(shè)備和設(shè)施，例如安全門、屏蔽門、防火設(shè)備等。與此同時，為了旅客乘車的方便，地鐵站還設(shè)置了相應(yīng)的信息裝置等，這些設(shè)備以及設(shè)施都在各種程度上增加了地鐵站的能耗。
可以看出，地鐵站主要的能耗設(shè)備包括空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯及自動扶梯等車站設(shè)備。
(二)地鐵站能量管理存在的不足
目前，我國在地鐵運營中引進了BAS(BuildingAutomationSystem)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖實現(xiàn)了對各設(shè)備的一般控制，保證了各耗能設(shè)備的正常運行，并在節(jié)能方面也起到了一定的作用，但仍存在著明顯的不足。首先，該系統(tǒng)缺少一種立足于全局、針對地鐵站整體區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的綜合能耗統(tǒng)計分析以及調(diào)度控制的方法。其次，該系統(tǒng)對中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制方法是通過增加控制器數(shù)量來實現(xiàn)對某一部分的節(jié)能控制，這種方法從整個系統(tǒng)的角度看不夠全面而且不太合理。例如，地鐵站某一時段無人或人較少時，地鐵站的設(shè)備卻仍然是全力開著，這樣就算設(shè)備的運行效率非常好，此時設(shè)備所輸出的能量也沒有被有效利用，甚至可以說完全浪費。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為采用的BAS系統(tǒng)并沒有考慮到中央空調(diào)的各個系統(tǒng)之間是彼此關(guān)聯(lián)的，并非完全獨立。也就是說，其節(jié)能主要是限制在對局部的優(yōu)化，而未考慮到輸出的能量是否能被有效利用。從一個整體系統(tǒng)的角度看，我們想要達到的是系統(tǒng)整體能量效率的一個最優(yōu)化。因此，需要一個能夠基于全局以及系統(tǒng)觀念的節(jié)能系統(tǒng)。
此外，對于地鐵車站的用電設(shè)備，例如照明系統(tǒng)、電梯及自動扶梯系統(tǒng)、自動檢售票系統(tǒng)AFC等，目前所采用的均是統(tǒng)一時間打開、統(tǒng)一時間關(guān)斷的方式。例如，每天早上五點半時特定工作人員便將所有的設(shè)備打開，到了晚上十一點半時又統(tǒng)一關(guān)斷，而在這一整天中不管是人員活動高峰時段還是無人之時，所有這些車站設(shè)備均處于時刻運行的狀態(tài)，這又造成了另一嚴重的能源浪費。目前我國雖然針對性地采取了一定的節(jié)能措施，但都局限在局部的節(jié)能，沒能夠從更大程度、更大范圍的角度考慮節(jié)能，因此，地鐵站的節(jié)能工作仍是一項長期任務(wù)。
三、能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
能量管理系統(tǒng)根據(jù)其功能的情況劃分為三個子系統(tǒng):能量的檢測與控制子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及能量管理與調(diào)度子系統(tǒng)。
1.能量的檢測與控制子系統(tǒng)。該部分由大量傳感器節(jié)點組成，而這些分布的傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的末梢神經(jīng)與執(zhí)行部件，具有各異的檢測及控制功能，主要負責(zé)檢測地鐵站能量的實際使用情況，控制車站設(shè)備的能量供給。
2.通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。由WSN(WirelessSensorNetwork，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))組成。該部分傳感器節(jié)點具備無線通信功能，能夠自組織地形成帶有通信功能的無線網(wǎng)絡(luò)。這些擁有著檢測與控制作用的傳感器節(jié)點自行組織在一起而構(gòu)成了多個不同區(qū)域的監(jiān)測與控制網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)與遠端的能量管理服務(wù)器相連，組合成為更大的多級通信網(wǎng)絡(luò)，從而把各個子系統(tǒng)連接起來變成一個整體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
3.能量管理與調(diào)度子系統(tǒng)。在能量檢測的基礎(chǔ)上，對能量進行按需的動態(tài)分配與優(yōu)化調(diào)度。
(二)系統(tǒng)工作原理
首先，通過能量的檢測與控制子系統(tǒng)檢測地鐵站相關(guān)能量參數(shù)，比如站廳或站臺的照度、溫度與濕度，燈具及風(fēng)機的開關(guān)狀態(tài)，人員的活動情況，其他車站設(shè)備應(yīng)用情況等。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)傳送到系統(tǒng)的遠端能量管理服務(wù)器。該服務(wù)器具備數(shù)據(jù)庫功能，有著強大的數(shù)據(jù)分析能力以及數(shù)據(jù)處理能力，其接收到數(shù)據(jù)后先存入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)分析與處理獲得能量的傳輸效率、利用效率及能量需求。然后，根據(jù)能量效率及能量需求，利用相關(guān)能量管理策略從而制定能量調(diào)度任務(wù)。最后，通過通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)將相應(yīng)的能量分配與調(diào)度信息傳達到各傳感器節(jié)點，從而對有關(guān)設(shè)備的用能進行控制。例如車站照明系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)部分，感知傳感器如果感測到有人，這時候節(jié)點將進行能量各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，包括采集地鐵站(站廳或站臺等)的光照度、溫度、人的活動情況、風(fēng)機或者照明設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)等，隨后這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器。服務(wù)器對地鐵站(站廳或站臺等)光照度與設(shè)定照度的差值、溫度與設(shè)定溫度的差值、人員活動頻度等進行分析:若當(dāng)前光照度較設(shè)定值低，說明需要加大照明;若當(dāng)前溫度較設(shè)定值高，說明需要加大冷氣。服務(wù)器將根據(jù)有關(guān)算法獲取該區(qū)域?qū)嶋H所需要的能量值(如多少冷量)，而后根據(jù)實際需求將能量控制命令發(fā)布給地鐵站(站廳或站臺等)的傳感器節(jié)點，控制打開風(fēng)機或者照明設(shè)備，如需加大冷氣，則給冷凍泵下達能量調(diào)度信息，增加冷凍泵的冷量輸出，實現(xiàn)在能量合理利用并且環(huán)境溫度適中、舒服的基礎(chǔ)上達到一個能量供需的平衡。又如自然光能夠滿足實際需要時，節(jié)點能夠調(diào)節(jié)燈管亮度變低或者是直接關(guān)閉照明設(shè)備。假如感知傳感器感測到無人時，能夠自動將風(fēng)機與照明設(shè)備關(guān)閉，從而實現(xiàn)節(jié)能。
四、系統(tǒng)的硬件組成及軟件功能
(一)系統(tǒng)的組成
構(gòu)建基于無線傳感器的地鐵站能量管理系統(tǒng)，將地鐵站的各個主要用電設(shè)備進行無線網(wǎng)絡(luò)連接，采集及分析用電設(shè)備的運行狀態(tài)，統(tǒng)計出車站設(shè)備用電狀態(tài)及能耗，并給出最優(yōu)節(jié)電方案及實現(xiàn)措施。
ARM(S3C2410A)模塊處理人機界面和記錄工作。用戶可以通過人機界面設(shè)定系統(tǒng)所需要的各種參數(shù)，將各個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行匯集、分析、顯示、存儲、處理，向上可實現(xiàn)對外部網(wǎng)絡(luò)的連接，為遠程控制的實現(xiàn)提供便利，而向下可與各子系統(tǒng)間進行通信。
CC2538(基于ARMCortexM3的MCU)組建各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)器及控制器節(jié)點，是系統(tǒng)的主要組成部分。CC2538實現(xiàn)兩部分功能，一是實現(xiàn)ZigBee終端節(jié)點功能，將各種類型傳感器數(shù)據(jù)進行采集、存儲，并實現(xiàn)對終端設(shè)備的控制;二是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，采集各終端的設(shè)備數(shù)據(jù)，并負責(zé)建立基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)連接。
(二)系統(tǒng)的軟件功能
1.上位機主要是將子節(jié)點采集到的各種信息進行翻譯、存儲、顯示，將控制信息經(jīng)過處理后，發(fā)送到子節(jié)點執(zhí)行，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。
2.協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，它的主要任務(wù)是負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動、發(fā)現(xiàn)在它所及范圍里面的終端節(jié)點，組織節(jié)點，然后逐個為節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器按照命令要求，完成各個終端節(jié)點傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)的接收工作，并對數(shù)據(jù)進行處理，同時向上位機傳輸數(shù)據(jù)。
3.ZigBee終端節(jié)點將各種傳感器所采集到的各種不同類型的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，ZigBee終端節(jié)點一啟動便開始進行硬件以及協(xié)議棧的初始化，而在協(xié)議棧初始化的過程中依照任務(wù)的優(yōu)先等級給所有的任務(wù)進行空間的分配。終端節(jié)點能夠完成網(wǎng)絡(luò)自動的搜索以及加入網(wǎng)絡(luò)的功能，在終端節(jié)點自動加入網(wǎng)絡(luò)時，將向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出請求綁定的信息，然后等待協(xié)調(diào)器節(jié)點的綁定響應(yīng)。如果成功，則綁定完成，進而構(gòu)建起了與協(xié)調(diào)器之間的通信，并且在綁定成功后，終端節(jié)點會定時地將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。
五、結(jié)論
基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)，采用了基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建的能量管理系統(tǒng)對地鐵站車站設(shè)備能耗情況實行統(tǒng)一檢測、分析、管理與調(diào)度，從而實現(xiàn)了對地鐵車站的真正節(jié)能，可見該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，將系統(tǒng)節(jié)能思路擴展到地鐵線路、車輛站段等軌道交通行業(yè)，將有著巨大的發(fā)展空間。
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