物联网技术在能源管理系统中的应用[1]

物联网技术在能源管理系统中的应用Theapplicationofinternetofthings-basedenergymanagementsystem宋谦迪进国际(香港)有限公司上海代表处上海市200030摘要：阐述了物联网的概念，分析了物联网的组成，提出了基于Zigbee技术的能源管理系统设计方案，给出了物联网能源管理系统的组成、工作流程及软件系统、硬件系统逻辑结构，描述了利用Python语言平台、Zigbee数据通讯、云计算实现远程能源管理。系统运行结果表明运用物联网技术的能源管理系统稳定可靠，总结了系统的优点，最后展望了物联网的应用价值和技术的发展前景，并指出物联网发展面临的困难。关键词：物联网Zigbee无线能源管理云计算Abstract:Expoundtheconceptoftheinternetofthings,analyzeitscomponents,andprovidethesolutionofenergymanagementsystembasedonZigbee,describethecomponents,flow,softwarestructureandhardwarelogicstructureofthesystem,alsodescribetheachievementofthesystemusingPythonlanguageplatform,Zigbeecommunication,andcloudcomputing.Theresultofthesystemoperationindicatesthesystemisstableandreliable,andsummarizedtheadvantageofthesystem.Finally,theapplicationvalueandthefuturetechnologydevelopmentareoutlined,andalsopointouttheproblemaboutthedevelopmentoftheinternetofthings.Keywords:TheinternetofthingsZigbeeWirelessSmartenergyCloudcomputing0引言无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，还是温总理在无锡提出的感知中国，都意味着物联网将是当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面，当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器，而如果需要实现跨地区的远程管理，更是需要在互联网上架设一台专门的服务器，这样，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备，避免服务器故障而造成损失。因此，将物联网技术引入到远程能源管理系统中来，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用托管的云计算服务，消除现场级布线的烦恼，使用云计算的强大能力，又可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护，同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用Digi公司提供的平台及解决方案，因此，在系统具体实现的设计均按照Digi平台的要求，但这并不影响借鉴和参考此平台和解决方案来讨论物联网的构架、问题，及前景。1什么是物联网1.1物联网的定义目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述：通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。1.2物联网的组成物联网的结构见图1，它主要由三大块组成：一，包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。二，将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力，也都归属在这一层。三，根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。图1物联网组成结构图2能源管理系统设计2.1工作原理本能源管理系统主要实现对区域内地灯的智能管理，采用基于Digi公司的iDigi解决方案，感知层采用Zigbee无线通讯技术。由于Zigbee网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点，非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和传感器、智能电灯开关器组成一个Zigbee私域网络，实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算，实现本地智能，并通过互联网与基于云计算的iDigi平台进行数据交换。用户应用服务程序向iDigi平台发送请求，查询并获取Zigbee网络中的相关数据，以及向Zigbee网络发送数据。而用户，只需要在任何可以接入互联网的地方，使用浏览器访问客户应用即可。系统原理见图2。能源管理应用层网络层感知层车辆监控智能家居农田灌溉环境监控以太网3GWi-FiInternet、云计算平台传感器射频标签智能终端执行器各类总线、无线传输网、网关GPRS卫星通讯图2系统原理图2.2系统结构本能源管理系统由现场采集执行器、本地数据处理、iDigi云计算平台、应用服务程序等几个部分组成。其系统结构见图3。图3系统结构框图(1)现场采集执行器：由Digi公司的Xbee温度和亮度一体传感器完成现场温度和亮度的采集；基于Digi公司Xbee系列模块开发的开关控制器完成对电灯的开、关操作。(2)本地数据处理：由Digi公司的CPX4网关读取现场传感器数值，读取开关控制器的各路开关状态，并控制开关。网关中运行的Python程序还可根据条件智能的控制电灯的开关，将本地数据适当处理后，根据需要再将数据上传至iDigi云平台。(3)iDigi云计算平台：由Digi公司提供的服务，是一种托管服务。提供数据存储、数据查询、设备管理等功能。iDigi平台存储Zigbee网关上传的数据，并响应应用服务程序数据查询请求，转发指令请求至网关操作现场开关控制器实现电灯的管理。ZigbeeInternetInternetZigbee温度、亮度传感器Zigbee智能开关现场采集执行器Zigbee网关本地数据处理iDigi云平台（设备管理、数据存储、查询）iDigi云计算平台应用服务程序基于googleapp云技术平台的web应用服务(4)应用服务程序：运行于Google云技术服务平台，基于GoogleAppEngine开发的web应用程序，具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方，使用Web浏览器登录，即可查看该能源管理系统中的电灯状态，以及环境温度、亮度信息。2.3硬件设计硬件部分除了温度、亮度传感器采用Digi公司的XbeeSensor系列传感器，网关采用支持GPRS和以太网的ConnectPortX4产品外，Zigbee智能开关由基于Digi公司的Xbee模块进行设计。设计原理图见图4。图4智能开关硬件原理图智能开关中的Xbee模块接收来自Zigbee网络的控制指令，然后输出数字量IO的状态来控制固态继电器的开或关断。2.4软件设计2.4.1Zigbee网关软件所选用网关支持Python语言编程，运行于网关上的软件程序使用Digi公司的DIA设备集成应用技术平台。该平台面向对象，可扩展性好，可自行通过扩展设备驱动代码将第三方设备集成进系统。该平台下软件运行方式以加载设备驱动代码的方式进行，对特定设备、特定功能都抽象成设备驱动代码。对电灯控制的功能抽象成一个电灯控制类，该类的控制方法流程图见图5。图5电灯控制类控制方法流程图类的代码片断如下：classlightControl(DeviceBase):#定义电灯控制类def__init__(self,name,core_services):#初始化可控制220V~触点接控制的电灯数字IO24VDC3.3VDC220V~电压转换模块Xbee模块固态继电器YYN开始亮度值大于高阈值，且电灯处于开状态？亮度值小于低阈值，且电灯处于关状态？关闭电灯，刷新状态标示，输出关灯信息打开电灯，刷新状态标示，输出开灯信息结束Nself.__name=nameself.__core=core_servicessettings_list=[#定义配置参数列表Setting(name=lightsensor,type=str,required=True),#亮度传感器名称Setting(name=lamp,type=str,required=True),#电灯名称Setting(name='lux_threshold_l',type=float,required=False,#亮度下阈值default_value=10.0,#设置默认值为10luxverify_function=lambdax:x0),Setting(name='lux_threshold_h',type=float,required=False,#亮度上阈值default_value=200.0,#设置默认值为200luxverify_function=lambdax:x0),]property_list=[#定义属性列表ChannelSourceDeviceProperty(name=light_on,#定义电灯开关type=Boolean,initial=Sample(0,Boolean(False,STYLE_ONOFF)),perms_mask=DPROP_PERM_GET,options=DPROP_OPT_AUTOTIMESTAMP),]defstart(self):#定义驱动加载方法，加载设备时被调用iflightsensor.lux=lux_threshold_handlamp.status==’on’:#当亮度传#感器值大于等于亮度上限值，且电灯处于开状态时print关闭电灯self.__state=’off’self.property_set(light_on,#设置电灯开关属性为‘关’Sample(0,Boolean(False,STYLE_ONOFF)))Elseiflightsensor.lux=lux_threshold_landlamp.status==’off’:#当亮#度传感器值小于等于亮度下限值，且灯处于关闭状态时print打开电灯self.__state=’on’self.property_set(light_on,#设置电灯开关属性为‘开’Sample(0,Boolean(True,STYLE_ONOFF)))returnTrue2.4.2应用软件基于Google云技术的AppE