基于WSNs的智能建筑能量管理系统研究与实现

摘要

能源问题被世界公认为人类面临的四大生存问题之一。目前，世界能源形势极为严峻，节能降耗势在必行。建筑在使用过程中所消耗的能量在社会总能耗中占有相当大的比例，而且大部分既有建筑能耗不合理，存在较大的节能空间，因此建筑节能具有重大意义。目前，针对建筑的节能建设及既有建筑的节能改造，多采用基于有线网络的楼宇自动化系统（BAS），通过对空调系统、照明系统等的控制实现建筑节能。但是，BAS的子系统之间相互独立，难以从整体上分析和控制建筑能耗，而且有线网络存在布线复杂、成本高、容量小、功耗大等缺点，难以实现大规模部署和全面覆盖要求，因此无法全面检测建筑能量需求和能效状态，实现合理有效的节约能源。针对该问题，本文研发了一种基于无线传感器网络技术的建筑能量管理系统。 本文研究了智能建筑能量管理系统结构，分析了基于有线网络的能量管理系统存在的缺点和不足；测试了建筑内无线传输的信道衰落、穿墙能力等特性，研究了合理的节点部署及网络规划；在此基础上，设计了基于无线传感器网络的建筑能量管理系统，包括能量检测控制节点、汇聚节点的软硬件设计及通信网络协议的设计。本文设计了一种“两线平行带状”Mesh拓扑结构网络；采用了基于“滑动统计平均”丢包率（PLR）及接收信号强度（RSSI）的相结合的动态邻居发现策略；针对该应用背景提出一种新的基于局部信息的路由算法——“世代路由”；针对该路由算法，提出了一种新的数据结构——“交叉二叉树”。最后，对不同工况下节点的功耗、无线传感器网络建立时间、网络延迟、世代路由搜索复杂度及系统节能效果做了相应的实验、测试和评估。 结果表明，该系统具有如下特点：①功耗低，包含20个节点的网络平均功耗小于1瓦，远低于传统基于RS—485网络平均功耗；②网络性能满足应用需求，2．4kbps低速率下，10层网络自组织时间小于11秒，网络延迟小于1．7秒，路由搜索复杂度为O（N）：⑧节能效果显著，平均可节约30％的能量；④成本低廉、无需布线、易扩展、方便维护。因此，该系统适用于智能建筑能量管理系统，尤其适用于既有建筑的节能改造。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景及实际意义

1.2国内外研究现状

1.2.1建筑节能技术现状

1.2.2无线传感器网络应用现状

1.2.3 WSNs技术在建筑应用中的难点

1.3主要研究内容及安排

1.3.1主要研究内容

1.3.2章节安排

1.4论文创新点

第二章能量管理系统

2.1能量管理系统概述

2.2系统结构及工作原理

2.2.1系统结构

2.2.2工作原理

2.3能量的检测与控制

2.3.1能量的检测

2.3.2能量的控制

2.4通信网络

2.5能量管理与调度

第三章节点设计

3.1能量检测控制节点设计

3.1.1微控制单元

3.1.2感测单元

3.1.3控制单元

3.1.4射频单元

3.1.5软件设计

3.1.6节点低功耗设计

3.2汇聚节点设计

3.2.1微控制单元

3.2.2以太网接口

3.2.3软件设计

第四章建筑内WSNs应用研究与实现

4.1建筑内WSNs应用研究

4.1.1电磁环境测试

4.1.2节点部署

4.1.3网络规划

4.2 WSNs体系结构

4.2.1网络体系结构

4.2.2协议体系结构

4.3物理层设计

4.3.1物理层功能及实现

4.3.2物理层帧结构

4.4 MAC子层设计

4.4.1 MAC子层功能及实现

4.4.2 MAC子层帧结构

4.4.3传输可靠性机制

4.5网络层设计

4.5.1网络层功能及实现

4.5.2网络层帧格式

4.5.3网络拓扑控制

4.5.4邻居发现

4.5.5路由协议

4.6应用层设计

4.6.1应用层功能及实现

4.6.2应用层帧结构

4.7跨层设计

第五章系统测试与结论

5.1网络功耗测试

5.2网络性能测试

5.2.1网络建立时间

5.2.2网络时延

5.2.3路由搜索复杂度

5.3节能效果测试

第六章总结与展望

6.1研究总结

6.2相关工作展望

附录

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文