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淺談基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)設計論文
一、引言
隨著地鐵建設的不斷發(fā)展，我國各大城市地鐵線路和地鐵站數量不斷增加，地鐵站規(guī)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(tǒng)的能量消耗不斷增加。因此，實現(xiàn)地鐵站的節(jié)能對整個軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能工作至關重要。目前，地鐵站能耗設備的節(jié)能管理方面仍存在許多的缺點與不足，如空調系統(tǒng)部分雖有了集中的控制與調節(jié)，但未能根據實際情況而做出更人性化的調節(jié)與控制;照明系統(tǒng)部分缺乏智能控制，未能根據實際應用情況做出節(jié)能調節(jié);電梯、自動扶梯雖然自身具有一定節(jié)能設計，但仍存在著較大的局限性等。針對存在的問題，本文設計一個基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對地鐵站能耗的集中管理，從而達到有效節(jié)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(tǒng)運營過程中最大的能量消耗包括車載的運行能耗和地鐵車站的能耗。據不完全統(tǒng)計，地鐵車站能耗是地鐵系統(tǒng)的主要能耗構成，大約占地鐵系統(tǒng)總能耗50%。隨著科技的快速發(fā)展，人們的安全意識也在不斷增強，地鐵車站的能耗呈現(xiàn)著不斷增長的趨勢。如地鐵車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、屏蔽門、防火設備等。與此同時，為了旅客乘車的方便，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(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯及自動扶梯等車站設備。
(二)地鐵站能量管理存在的不足
目前，我國在地鐵運營中引進了BAS(BuildingAutomationSystem)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖實現(xiàn)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(jié)能方面也起到了一定的作用，但仍存在著明顯的不足。首先，該系統(tǒng)缺少一種立足于全局、針對地鐵站整體區(qū)域內用電設備的綜合能耗統(tǒng)計分析以及調度控制的方法。其次，該系統(tǒng)對中央空調系統(tǒng)的節(jié)能控制方法是通過增加控制器數量來實現(xiàn)對某一部分的節(jié)能控制，這種方法從整個系統(tǒng)的角度看不夠全面而且不太合理。例如，地鐵站某一時段無人或人較少時，地鐵站的設備卻仍然是全力開著，這樣就算設備的運行效率非常好，此時設備所輸出的能量也沒有被有效利用，甚至可以說完全浪費。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為采用的BAS系統(tǒng)并沒有考慮到中央空調的各個系統(tǒng)之間是彼此關聯(lián)的，并非完全獨立。也就是說，其節(jié)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。從一個整體系統(tǒng)的角度看，我們想要達到的是系統(tǒng)整體能量效率的一個最優(yōu)化。因此，需要一個能夠基于全局以及系統(tǒng)觀念的節(jié)能系統(tǒng)。
此外，對于地鐵車站的用電設備，例如照明系統(tǒng)、電梯及自動扶梯系統(tǒng)、自動檢售票系統(tǒng)AFC等，目前所采用的均是統(tǒng)一時間打開、統(tǒng)一時間關斷的方式。例如，每天早上五點半時特定工作人員便將所有的設備打開，到了晚上十一點半時又統(tǒng)一關斷，而在這一整天中不管是人員活動高峰時段還是無人之時，所有這些車站設備均處于時刻運行的狀態(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(jié)能措施，但都局限在局部的節(jié)能，沒能夠從更大程度、更大范圍的角度考慮節(jié)能，因此，地鐵站的節(jié)能工作仍是一項長期任務。
三、能量管理系統(tǒng)的結構及工作原理
(一)系統(tǒng)結構
能量管理系統(tǒng)根據其功能的情況劃分為三個子系統(tǒng):能量的檢測與控制子系統(tǒng)、通信網絡子系統(tǒng)以及能量管理與調度子系統(tǒng)。
1.能量的檢測與控制子系統(tǒng)。該部分由大量傳感器節(jié)點組成，而這些分布的傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的末梢神經與執(zhí)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際使用情況，控制車站設備的能量供給。
2.通信網絡子系統(tǒng)。由WSN(WirelessSensorNetwork，無線傳感器網絡)組成。該部分傳感器節(jié)點具備無線通信功能，能夠自組織地形成帶有通信功能的無線網絡。這些擁有著檢測與控制作用的傳感器節(jié)點自行組織在一起而構成了多個不同區(qū)域的監(jiān)測與控制網絡，通過以太網與遠端的能量管理服務器相連，組合成為更大的多級通信網絡，從而把各個子系統(tǒng)連接起來變成一個整體的神經網絡。
3.能量管理與調度子系統(tǒng)。在能量檢測的基礎上，對能量進行按需的動態(tài)分配與優(yōu)化調度。
(二)系統(tǒng)工作原理
首先，通過能量的檢測與控制子系統(tǒng)檢測地鐵站相關能量參數，比如站廳或站臺的照度、溫度與濕度，燈具及風機的開關狀態(tài)，人員的活動情況，其他車站設備應用情況等。采集的數據經通信網絡子系統(tǒng)傳送到系統(tǒng)的遠端能量管理服務器。該服務器具備數據庫功能，有著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，利用相關能量管理策略從而制定能量調度任務。最后，通過通信網絡子系統(tǒng)將相應的能量分配與調度信息傳達到各傳感器節(jié)點，從而對有關設備的用能進行控制。例如車站照明系統(tǒng)及空調系統(tǒng)部分，感知傳感器如果感測到有人，這時候節(jié)點將進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、人的活動情況、風機或者照明設備的開關狀態(tài)等，隨后這些數據通過通信網絡傳送給服務器。服務器對地鐵站(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、人員活動頻度等進行分析:若當前光照度較設定值低，說明需要加大照明;若當前溫度較設定值高，說明需要加大冷氣。服務器將根據有關算法獲取該區(qū)域實際所需要的能量值(如多少冷量)，而后根據實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(jié)點，控制打開風機或者照明設備，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，實現(xiàn)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能量供需的平衡。又如自然光能夠滿足實際需要時，節(jié)點能夠調節(jié)燈管亮度變低或者是直接關閉照明設備。假如感知傳感器感測到無人時，能夠自動將風機與照明設備關閉，從而實現(xiàn)節(jié)能。
四、系統(tǒng)的硬件組成及軟件功能
(一)系統(tǒng)的組成
構建基于無線傳感器的地鐵站能量管理系統(tǒng)，將地鐵站的各個主要用電設備進行無線網絡連接，采集及分析用電設備的運行狀態(tài)，統(tǒng)計出車站設備用電狀態(tài)及能耗，并給出最優(yōu)節(jié)電方案及實現(xiàn)措施。
ARM(S3C2410A)模塊處理人機界面和記錄工作。用戶可以通過人機界面設定系統(tǒng)所需要的各種參數，將各個節(jié)點采集的數據進行匯集、分析、顯示、存儲、處理，向上可實現(xiàn)對外部網絡的連接，為遠程控制的實現(xiàn)提供便利，而向下可與各子系統(tǒng)間進行通信。
CC2538(基于ARMCortexM3的MCU)組建各子系統(tǒng)協(xié)調器及控制器節(jié)點，是系統(tǒng)的主要組成部分。CC2538實現(xiàn)兩部分功能，一是實現(xiàn)ZigBee終端節(jié)點功能，將各種類型傳感器數據進行采集、存儲，并實現(xiàn)對終端設備的控制;二是實現(xiàn)ZigBee網絡協(xié)調器功能，采集各終端的設備數據，并負責建立基于Zigbee的無線網絡連接。
(二)系統(tǒng)的軟件功能
1.上位機主要是將子節(jié)點采集到的各種信息進行翻譯、存儲、顯示，將控制信息經過處理后，發(fā)送到子節(jié)點執(zhí)行，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。
2.協(xié)調器是整個網絡的關鍵部分，它的主要任務是負責網絡的啟動、發(fā)現(xiàn)在它所及范圍里面的終端節(jié)點，組織節(jié)點，然后逐個為節(jié)點分配網絡地址。協(xié)調器按照命令要求，完成各個終端節(jié)點傳輸的各類數據的接收工作，并對數據進行處理，同時向上位機傳輸數據。
3.ZigBee終端節(jié)點將各種傳感器所采集到的各種不同類型的數據發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點，ZigBee終端節(jié)點一啟動便開始進行硬件以及協(xié)議棧的初始化，而在協(xié)議棧初始化的過程中依照任務的優(yōu)先等級給所有的任務進行空間的分配。終端節(jié)點能夠完成網絡自動的搜索以及加入網絡的功能，在終端節(jié)點自動加入網絡時，將向協(xié)調器節(jié)點發(fā)出請求綁定的信息，然后等待協(xié)調器節(jié)點的綁定響應。如果成功，則綁定完成，進而構建起了與協(xié)調器之間的通信，并且在綁定成功后，終端節(jié)點會定時地將數據發(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(tǒng)，采用了基于ZigBee的無線網絡，構建的能量管理系統(tǒng)對地鐵站車站設備能耗情況實行統(tǒng)一檢測、分析、管理與調度，從而實現(xiàn)了對地鐵車站的真正節(jié)能，可見該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，將系統(tǒng)節(jié)能思路擴展到地鐵線路、車輛站段等軌道交通行業(yè)，將有著巨大的發(fā)展空間。
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