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淺談基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統設計論文
一、引言
隨著(zhù)地鐵建設的不斷發(fā)展，我國各大城市地鐵線(xiàn)路和地鐵站數量不斷增加，地鐵站規模的不斷擴大及其內部配套設施也日趨完善，這使得地鐵系統的能量消耗不斷增加。因此，實(shí)現地鐵站的節能對整個(gè)軌道交通系統的節能工作至關(guān)重要。目前，地鐵站能耗設備的節能管理方面仍存在許多的缺點(diǎn)與不足，如空調系統部分雖有了集中的控制與調節，但未能根據實(shí)際情況而做出更人性化的調節與控制;照明系統部分缺乏智能控制，未能根據實(shí)際應用情況做出節能調節;電梯、自動(dòng)扶梯雖然自身具有一定節能設計，但仍存在著(zhù)較大的局限性等。針對存在的問(wèn)題，本文設計一個(gè)基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統，以實(shí)現對地鐵站能耗的集中管理，從而達到有效節能的效果。
二、地鐵站能耗情況分析
(一)地鐵站能耗分布
地鐵系統運營(yíng)過(guò)程中最大的能量消耗包括車(chē)載的運行能耗和地鐵車(chē)站的能耗。據不完全統計，地鐵車(chē)站能耗是地鐵系統的主要能耗構成，大約占地鐵系統總能耗50%。隨著(zhù)科技的快速發(fā)展，人們的安全意識也在不斷增強，地鐵車(chē)站的能耗呈現著(zhù)不斷增長(cháng)的趨勢。如地鐵車(chē)站使用了一系列為人身安全而設計的設備和設施，例如安全門(mén)、屏蔽門(mén)、防火設備等。與此同時(shí)，為了旅客乘車(chē)的方便，地鐵站還設置了相應的信息裝置等，這些設備以及設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備包括空調系統、照明系統、電梯及自動(dòng)扶梯等車(chē)站設備。
(二)地鐵站能量管理存在的不足
目前，我國在地鐵運營(yíng)中引進(jìn)了BAS(BuildingAutomationSystem)系統，該系統雖實(shí)現了對各設備的一般控制，保證了各耗能設備的正常運行，并在節能方面也起到了一定的作用，但仍存在著(zhù)明顯的不足。首先，該系統缺少一種立足于全局、針對地鐵站整體區域內用電設備的綜合能耗統計分析以及調度控制的方法。其次，該系統對中央空調系統的節能控制方法是通過(guò)增加控制器數量來(lái)實(shí)現對某一部分的節能控制，這種方法從整個(gè)系統的角度看不夠全面而且不太合理。例如，地鐵站某一時(shí)段無(wú)人或人較少時(shí)，地鐵站的設備卻仍然是全力開(kāi)著(zhù)，這樣就算設備的運行效率非常好，此時(shí)設備所輸出的能量也沒(méi)有被有效利用，甚至可以說(shuō)完全浪費。之所以會(huì )出現這樣的情況，是因為采用的BAS系統并沒(méi)有考慮到中央空調的各個(gè)系統之間是彼此關(guān)聯(lián)的，并非完全獨立。也就是說(shuō)，其節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(gè)整體系統的角度看，我們想要達到的是系統整體能量效率的一個(gè)最優(yōu)化。因此，需要一個(gè)能夠基于全局以及系統觀(guān)念的節能系統。
此外，對于地鐵車(chē)站的用電設備，例如照明系統、電梯及自動(dòng)扶梯系統、自動(dòng)檢售票系統AFC等，目前所采用的均是統一時(shí)間打開(kāi)、統一時(shí)間關(guān)斷的方式。例如，每天早上五點(diǎn)半時(shí)特定工作人員便將所有的設備打開(kāi)，到了晚上十一點(diǎn)半時(shí)又統一關(guān)斷，而在這一整天中不管是人員活動(dòng)高峰時(shí)段還是無(wú)人之時(shí)，所有這些車(chē)站設備均處于時(shí)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能措施，但都局限在局部的節能，沒(méi)能夠從更大程度、更大范圍的角度考慮節能，因此，地鐵站的節能工作仍是一項長(cháng)期任務(wù)。
三、能量管理系統的結構及工作原理
(一)系統結構
能量管理系統根據其功能的情況劃分為三個(gè)子系統:能量的檢測與控制子系統、通信網(wǎng)絡(luò )子系統以及能量管理與調度子系統。
1.能量的檢測與控制子系統。該部分由大量傳感器節點(diǎn)組成，而這些分布的傳感器節點(diǎn)是系統的末梢神經(jīng)與執行部件，具有各異的檢測及控制功能，主要負責檢測地鐵站能量的實(shí)際使用情況，控制車(chē)站設備的能量供給。
2.通信網(wǎng)絡(luò )子系統。由WSN(WirelessSensorNetwork，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ))組成。該部分傳感器節點(diǎn)具備無(wú)線(xiàn)通信功能，能夠自組織地形成帶有通信功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這些擁有著(zhù)檢測與控制作用的傳感器節點(diǎn)自行組織在一起而構成了多個(gè)不同區域的監測與控制網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)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(gè)子系統連接起來(lái)變成一個(gè)整體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。
3.能量管理與調度子系統。在能量檢測的基礎上，對能量進(jìn)行按需的動(dòng)態(tài)分配與優(yōu)化調度。
(二)系統工作原理
首先，通過(guò)能量的檢測與控制子系統檢測地鐵站相關(guān)能量參數，比如站廳或站臺的照度、溫度與濕度，燈具及風(fēng)機的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，人員的活動(dòng)情況，其他車(chē)站設備應用情況等。采集的數據經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò )子系統傳送到系統的遠端能量管理服務(wù)器。該服務(wù)器具備數據庫功能，有著(zhù)強大的數據分析能力以及數據處理能力，其接收到數據后先存入數據庫，通過(guò)數據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度任務(wù)。最后，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )子系統將相應的能量分配與調度信息傳達到各傳感器節點(diǎn)，從而對有關(guān)設備的用能進(jìn)行控制。例如車(chē)站照明系統及空調系統部分，感知傳感器如果感測到有人，這時(shí)候節點(diǎn)將進(jìn)行能量各參數的數據采集，包括采集地鐵站(站廳或站臺等)的光照度、溫度、人的活動(dòng)情況、風(fēng)機或者照明設備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，隨后這些數據通過(guò)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)光照度與設定照度的差值、溫度與設定溫度的差值、人員活動(dòng)頻度等進(jìn)行分析:若當前光照度較設定值低，說(shuō)明需要加大照明;若當前溫度較設定值高，說(shuō)明需要加大冷氣。服務(wù)器將根據有關(guān)算法獲取該區域實(shí)際所需要的能量值(如多少冷量)，而后根據實(shí)際需求將能量控制命令發(fā)布給地鐵站(站廳或站臺等)的傳感器節點(diǎn)，控制打開(kāi)風(fēng)機或者照明設備，如需加大冷氣，則給冷凍泵下達能量調度信息，增加冷凍泵的冷量輸出，實(shí)現在能量合理利用并且環(huán)境溫度適中、舒服的基礎上達到一個(gè)能量供需的平衡。又如自然光能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要時(shí)，節點(diǎn)能夠調節燈管亮度變低或者是直接關(guān)閉照明設備。假如感知傳感器感測到無(wú)人時(shí)，能夠自動(dòng)將風(fēng)機與照明設備關(guān)閉，從而實(shí)現節能。
四、系統的硬件組成及軟件功能
(一)系統的組成
構建基于無(wú)線(xiàn)傳感器的地鐵站能量管理系統，將地鐵站的各個(gè)主要用電設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，采集及分析用電設備的運行狀態(tài)，統計出車(chē)站設備用電狀態(tài)及能耗，并給出最優(yōu)節電方案及實(shí)現措施。
ARM(S3C2410A)模塊處理人機界面和記錄工作。用戶(hù)可以通過(guò)人機界面設定系統所需要的各種參數，將各個(gè)節點(diǎn)采集的數據進(jìn)行匯集、分析、顯示、存儲、處理，向上可實(shí)現對外部網(wǎng)絡(luò )的連接，為遠程控制的實(shí)現提供便利，而向下可與各子系統間進(jìn)行通信。
CC2538(基于A(yíng)RMCortexM3的MCU)組建各子系統協(xié)調器及控制器節點(diǎn)，是系統的主要組成部分。CC2538實(shí)現兩部分功能，一是實(shí)現ZigBee終端節點(diǎn)功能，將各種類(lèi)型傳感器數據進(jìn)行采集、存儲，并實(shí)現對終端設備的控制;二是實(shí)現ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器功能，采集各終端的設備數據，并負責建立基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接。
(二)系統的軟件功能
1.上位機主要是將子節點(diǎn)采集到的各種信息進(jìn)行翻譯、存儲、顯示，將控制信息經(jīng)過(guò)處理后，發(fā)送到子節點(diǎn)執行，從而實(shí)現對整個(gè)系統的控制和監測。
2.協(xié)調器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵部分，它的主要任務(wù)是負責網(wǎng)絡(luò )的啟動(dòng)、發(fā)現在它所及范圍里面的終端節點(diǎn)，組織節點(diǎn)，然后逐個(gè)為節點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò )地址。協(xié)調器按照命令要求，完成各個(gè)終端節點(diǎn)傳輸的各類(lèi)數據的接收工作，并對數據進(jìn)行處理，同時(shí)向上位機傳輸數據。
3.ZigBee終端節點(diǎn)將各種傳感器所采集到的各種不同類(lèi)型的數據發(fā)送到協(xié)調器節點(diǎn)，ZigBee終端節點(diǎn)一啟動(dòng)便開(kāi)始進(jìn)行硬件以及協(xié)議棧的初始化，而在協(xié)議棧初始化的過(guò)程中依照任務(wù)的優(yōu)先等級給所有的任務(wù)進(jìn)行空間的分配。終端節點(diǎn)能夠完成網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)的搜索以及加入網(wǎng)絡(luò )的功能，在終端節點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，將向協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)出請求綁定的信息，然后等待協(xié)調器節點(diǎn)的綁定響應。如果成功，則綁定完成，進(jìn)而構建起了與協(xié)調器之間的通信，并且在綁定成功后，終端節點(diǎn)會(huì )定時(shí)地將數據發(fā)送到協(xié)調器。
五、結論
基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統，采用了基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，構建的能量管理系統對地鐵站車(chē)站設備能耗情況實(shí)行統一檢測、分析、管理與調度，從而實(shí)現了對地鐵車(chē)站的真正節能，可見(jiàn)該系統具有顯著(zhù)的節能效果。隨著(zhù)軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，將系統節能思路擴展到地鐵線(xiàn)路、車(chē)輛站段等軌道交通行業(yè)，將有著(zhù)巨大的發(fā)展空間。
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