物聯網技術在能源管理系統中的應用

苗天揚++師云秋++李伯陽

摘要：闡述了物聯網的概念，分析了物聯網的組成，提出了基于 Zigbee技術的能源管理系統設計方案，給出了物聯網能源管理系統的組成、工作流程及軟件系統、硬件系統邏輯結構，描述了利用Python語言平臺、Zigbee數據通訊、云計算實現遠程能源管理。系統運行結果表明運用物聯網技術的能源管理系統穩定可靠，總結了系統的優點，最后展望了物聯網的應用價值和技術的發展前景，并指出物聯網發展面臨的困難。

關鍵詞：物聯網；Zigbee；無線；能源管理；云計算

引言

無所不在的物聯網通信時代即將來臨，物聯網被專家及多個國家認為是繼互聯網浪潮之后的又一次科技革命。不管是 IBM 提出的智慧地球，還是溫總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯網將是當下最熱門最具競爭性的產業。傳統的能源管理系統一般需要布設現場總線，然后將現場設備連接到一臺電腦進行數據處理并向用戶顯示界面，當數據量較大時可能需要單獨的數據處理服務器，而如果需要實現跨地區的遠程管理，更是需要在互聯網上架設一臺專門的服務器，這樣，不僅需要投入服務器等網絡設備以及開發相應的服務軟件，系統的維護除現場級設備和總線鏈路外還需要 IT部門的管理員協助維護服務器設備，避免服務器故障而造成損失。因此，將物聯網技術引入到遠程能源管理系統中來，底層運用無線傳感網絡連接現場傳感器及設備，上層使用托管的云計算服務，消除現場級布線的煩惱，使用云計算的強大能力，又可以消除網絡硬件的投入及日常的 IT維護，同時可以輕松實現基于WEB服務的遠程管理。由于本文所述的能源管理系統采用Digi公司提供的平臺及解決方案，因此，在系統具體實現的設計均按照Digi平臺的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺和解決方案來討論物聯網的構架、問題，及前景。

1 什么是物聯網

1.1 物聯網的定義。目前國內對物聯網也還沒有一個統一的標準定義，只是在大體的技術框架上做了一個概念性的表述：通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網就字面意義上理解就是“物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。從物聯網本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，

1.2 物聯網的組成。物聯網的結構見下圖，它主要由三大塊組成：一，包括各類傳感器、控制器等數據采集控制設備，及構成這些設備互聯的底層傳感網絡組成的設備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識別，以及傳感網絡，組成了物聯網的底層基礎。二，將底層傳感器數據傳輸到互聯網上的網絡層。網絡層運用各種接入技術：如以太網、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛星通訊等，最終接入互聯網。云技術強大的存儲、查詢、計算能力，也都歸屬在這一層。三，根據客戶自身需求，利用感知數據或狀態為用戶提供有效的特定服務的應用層。應用層是對感知數據的一種特定形式的呈現。

2 能源管理系統設計

2.1 工作原理。本能源管理系統主要實現對區域內地燈的智能管理，采用基于Digi 公司的 iDigi 解決方案，感知層采用 Zigbee 無線通訊技術。由于 Zigbee網絡具有設備成本低、設備體積小、省電、網絡自愈能力強等特點，非常適合廣泛應用在智能家庭、工業控制、能源管理、醫療監控等物聯網領域。網關和傳感器、智能電燈開關器組成一個 Zigbee 私域網絡，實現相互之間的連接。網關可進行本地邏輯運算，實現本地智能，并通過互聯網與基于云計算的 iDigi 平臺進行數據交換。用戶應用服務程序向 iDigi 平臺發送請求，查詢并獲取 Zigbee 網絡中的相關數據，以及向 Zigbee 網絡發送數據。而用戶，只需要在任何可以接入互聯網的地方，使用瀏覽器訪問客戶應用即可。

2.2 系統結構

（1）現場采集執行器：由Digi公司的 Xbee 溫度和亮度一體傳感器完成現場溫度和亮度的采集；基于 Digi 公司Xbee 系列模塊開發的開關控制器完成對電燈的開、關操作。

（2）本地數據處理：由Digi公司的 CPX4網關讀取現場傳感器數值，讀取開關控制器的各路開關狀態，并控制開關。網關中運行的Python程序還可根據條件智能的控制電燈的開關，將本地數據適當處理后，根據需要再將數據上傳至 iDigi 云平臺。

（3）iDigi云計算平臺：由 Digi 公司提供的服務，是一種托管服務。提供數據存儲、數據查詢、設備管理等功能。iDigi平臺存儲Zigbee 網關上傳的數據，并響應應用服務程序數據查詢請求，轉發指令請求至網關操作現場開關控制器實現電燈的管理。

（4）應用服務程序：運行于 Google 云技術服務平臺，基于 Google App Engine 開發的 web應用程序，具有權限的用戶在任何可以接入互聯網的地方，使用 Web瀏覽器登錄，即可查看該能源管理系統中的電燈狀態，以及環境溫度、亮度信息。

2.3 硬件設計

硬件部分除了溫度、亮度傳感器采用 Digi 公司的 Xbee Sensor 系列傳感器，網關采用支持GPRS 和以太網的 ConnectPortX4 產品外，Zigbee 智能開關由基于 Digi 公司的 Xbee 模塊進行設計。智能開關中的 Xbee 模塊接收來自 Zigbee 網絡的控制指令，然后輸出數字量 IO 的狀態來控制固態繼電器的開或關斷。

2.4 軟件設計

2.4.1 Zigbee 網關軟件。所選用網關支持 Python 語言編程，運行于網關上的軟件程序使用 Digi 公司的 DIA設備集成應用技術平臺。該平臺面向對象，可擴展性好，可自行通過擴展設備驅動代碼將第三方設備集成進系統。該平臺下軟件運行方式以加載設備驅動代碼的方式進行，對特定設備、特定功能都抽象成設備驅動代碼。對電燈控制的功能抽象成一個電燈控制類，該類的控制方法流程圖。

2.4.2 應用軟件?；?Google云技術的 App Engine 應用程序引擎，使用 Python 語言開發，發布后可使用appspot.com域上的免費域名來為應用程序提供服務。

3 系統綜述

系統的實施過程幾乎不需要布線施工，現場采用Zigbee 無線通訊技術，接入互聯網后運用云計算技術，又不需要基礎設備、不需要 IT 設備維護，使得項目施工工作量減少，施工周期大幅縮短。由于 Google的云計算服務按需收費，從目前系統運行情況看，沒有超出 Google App Engine 服務每個月的免費限額，所以目前還不需要為使用 Google 云計算平臺付費，而Google 的收費標準也不高。該系統經過幾個月的運行，授權用戶成員可隨時隨地查看監控狀態信息，以及人為控制電燈狀態，一切運行正常，未發生不響應或錯誤響應等異?，F象，證明系統穩定可靠。該系統的穩定運行，說明物聯網技術在能源管理系統中可以得到很好的應用，證明該物聯網構架解決方案可行、可靠，且具有很強的優勢。

4 結束語

物聯網技術在此能源管理系統中取得了成功的應用，通過設定一些閾值及條件，電燈可依照亮度傳感器的感知數據及夏令、冬令時間自行開關，實現了物物感知、智能控制的效果，而云技術的運用實現了免IT基礎設施的用戶應用即時發布，徹底消除了 IT 設備采購周期、IT維護等因素的影響。運用物聯網技術將使人們的生活更加便捷、更加智能化，物聯網技術將會越來越多的被應用，物聯網應用也會從目前的局限于一個工廠、一棟樓宇的局域感知型物聯網，向大范圍、眾多不同設備互聯的廣域感知型物聯網發展。但是由于當前物聯網技術還沒有相關統一的標準體系，且物聯網本身的定義還存在爭論，因此，全面普及的大范圍廣域物聯網還有許多路要走。

參考文獻：

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