基于物联网技术的楼宇能耗监控系统设计与实现

摘要

随着社会的进步，人们对能源的需求日益增多，能源短缺已经成为制约经济发展的重要原因之一。现有的能耗监控系统多为总线模式，存在成本高、布线受到楼宇格局限制、不利于扩展和维护等缺陷。本文在研究现有能耗监控系统的基础上，结合电能检测技术、Zigbee无线通信技术和嵌入式技术设计并实现了一套楼宇能耗监控系统。主要工作如下:
　　(1)设计了基于物联网技术的楼宇能耗监控系统架构，主要由无线监控网络和监控管理平台两部分组成，其中无线监控网络分为监控节点、路由节点和协调器;监控管理平台分为监控终端和网络终端。
　　(2)完成无线监控网络的构建，包括监控节点、路由节点以及协调器的软硬件设计。可以通过监控节点监测楼宇任意分区能耗情况，并将监测结果上传至监控终端，同时也可以执行监控终端下发的操作指令。
　　(3)完成监控终端软硬件设计，包括网络接口、LCD接口、USB接口等电路的设计以及嵌入式Linux系统移植、监控终端应用软件开发。可以实现监控节点管理、数据实时显示、动态曲线绘制、历史数据查询、操作指令发送等功能，还可以通过短信与手机进行信息交互。
　　(4)完成网络终端搭建，包括Boa服务器搭建、CGI程序编写和Web网页界面设计，通过网络对多个楼宇的监控终端进行控制，进而可以远程管理整个监控系统的运行。
　　(5)构建了基于PSR-ELM的楼宇能耗预测算法，并借助现有能耗监控系统的历史数据，对该算法的有效性进行了验证。根据预测结果与实际值的对比分析，该算法能够较为准确的对楼宇能耗进行短期预测。
　　(6)对本设计的楼宇能耗监控系统各部分的软硬件性能进行测试。测试结果表明，系统运行状态良好，数据传输稳定，各方面功能已经达到了设计要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 物联网技术研究现状

1．2．2 建筑能耗监控研究现状

1．3 论文的主要内容及章节安排

第二章 楼宇能耗监控系统整体框架设计

2．1 系统需求分析

2．2 系统整体结构

2．2．1 无线通信技术选择

2．2．2 监控终端处理器选择

2．2．3 监控终端操作系统选择

2．3 本章小结

第三章 楼宇能耗监控系统硬件设计

3．1 无线监控网络电路设计

3．1．1 监控节点电路设计

3．1．2 路由节点和协调器电路设计

3．1．3 电源模块设计

3．2 监控终端电路设计

3．2．1 监控终端底板电路设计

3．2．2 监控终端PCB板设计

3．2．3 监控终端核心板简介

3．3 GSM／GPRS模块设计

3．4 本章小结

第四章 无线监控网络软件设计

4．1．2 监控节点程序设计

4．1．3 路由节点和协调器程序设计

4．1．4 用电检测模块校准

4．1．5 AES加密算法和NV操作

4．2 系统通信协议制定

4．2．1 无线监控网络通信协议

4．2．2 手机短信通信协议

4．3 本章小结

第五章 监控管理平台软件设计

5．1 嵌入式Linux系统移植

5．1．1 嵌入式Linux开发环境搭建

5．1．2 Bootloader移植

5．1．3 Linux内核移植

5．1．4 根文件系统移植

5．2 监控终端应用软件开发

5．2．1 Qt环境构建

5．2．2 SQLite数据库移植

5．2．3 设备驱动程序设计

5．2．4 图形用户界面设计

5．3 网络终端软件设计

5．3．1 Boa服务器构建

5．3．2 Web界面设计

5．4 本章小结

第六章 楼宇能耗预测研究

6．1 能耗预测方法

6．1．1 经典数学统计法

6．1．2 人工智能法

6．2 基于PSR-ELM的楼宇能耗预测算法

6．2．1 相空间重构

6．2．2 嵌入维数确定

6．2．3 时间延迟选取

6．2．4 ELM算法原理

6．2．5 PSR-ELM组合算法

6．3 案例分析

6．3．1 混沌性判断

6．3．2 预测结果分析

6．4 本章小结

第七章 楼宇能耗监控系统集成与测试

7．1 无线监控网络测试

7．1．1 Zigbee组网测试

7．1．2 用电检测模块精度测试

7．2 监控终端测试

7．2．1 监控节点设置功能测试

7．2．2 监控节点报警功能测试

7．2．3 曲线绘制功能测试

7．3 手机短信功能测试

7．3．1 短信提示功能测试

7．3．2 短信查询功能测试

7．4 网络终端测试

7．4．1 Boa服务器测试

7．4．2 网页访问测试

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

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