基于GSM/GPRS建筑能耗远程监控系统

lgh009

摘要：本文首先阐述了我国大型公共建筑高能耗的现状，以及建立大型公共建筑能耗监测平台的必要性。以天津市某一大型商业建筑为例，探讨了基于GSM/GPRS数据传输技术的建筑能耗远程监控系统，介绍了系统架构，工作模式，传输技术，使用的设备及安装要求，同时，对数据中心的软件构成和功能做了说明。经近半年实际运行考核，该系统工作正常，正确反映了被监控建筑的电能分项能耗情况。为进一步推进能耗统计，能源审计，能效测评等工作提供了基础数据，同时，也为降低建筑能耗，提高建筑能效，提供决策依据和参考。

0 引言

2005年建筑能耗已达全社会终端总能耗的27.5％[1]。而随着我国城镇化进程的加快，每年新增20亿m2建筑，建筑能耗占社会终端的总能耗比例将继续提高。因此，建筑能耗的高低将直接关系到我国未来能源供给状况。同时，我国大型公共建筑能耗高、能效低问题日益突出。文献[2]指出，北京市的宾馆、饭店、商厦、写字楼等大型公共建筑全年耗电量接近全市居民生活用电的一半。另据清华大学的实测调查，上海9栋商用楼全年一次耗能量超过日本相应商业建筑节能标准规定指标近45％[3]。一方面，我国大型公共建筑能耗巨大，另一方面，我们也缺乏直接数据为决策的指定提供基础和参考。因此，建立大型公共建筑能耗监测平台，对全国重点城市重点建筑能耗进行实时监测，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，为政府政策的制定和决策提供参考，并为高能耗建筑的进一步节能改造准备条件成为必然。

本文针对天津某大型商业建筑建立了基于GSM/GPRS建筑能耗远程监控系统，介绍了其通讯方式，系统总体结构，数据采集终端和数据中心。由于该系统针对建筑能耗进行了分项计量，并上传至数据中心，该系统可获得建筑日能耗值（电耗）和各分项能耗数据，为降低其建筑能耗，提高能效，提供决策依据和参考。

1 能耗分项

由于供热计量表，煤气表与水表需要得到相关主管部门或单位的同意，因此，本系统只对电能进行了分项计量。为了更好的反映建筑能耗水平，科学地指导决策和管理水平，首先对被监测单位施行现场勘察，主要包括建筑用能系统的调研，确定电能的分项，全面考察仪表终端安装条件。其中，确定电耗的分项是重中之重，分项的合适与否决定着科学反映建筑能耗的程度。经现场调研其被监测电能分项为5大项，13子项（图1)

图 1电能的分项

通过较为细致的分项计量，判断其能耗是否符合正常能耗水平，可定性的分析其设备是否在设计工况下运行，系统是否运转正常。

2GPRS

GPRS（GeneralPacket Radio Service）是通用分组无线业务的简称，通过多个GSM时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达115kb/s；不同的网络用户共享同一组GPRS信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用功能信道资源，GPRS能够随时为用户提供透明的IP通道，能够直接访问Internet中的所有站点和资源；采用信道复用技术，每一个GPRS用户都能够实现永远在线；同时，其还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等，更为重要的是相对于短信息等其他无线数据通信业务，GPRS的价格优势也相当明显[4-5]

目前，天津地区中国移动公司推出的GPRS上网业务包月制服务较为经济，使得GPRS作为实现远程数据传输成为一种非常经济使用的方式。

3 系统架构

3.1 系统整体结构

建筑能耗远程监控系统由两大部分组成，无线通讯模块的数据采集系统和数据中心。其系统总体框图见图2

图 2系统总体框图

3.2 GSM工作模式与GPRS工作模式

该系统根据实际情况，设有两种工作模式：GSM工作模式和GPRS工作模式。GSM工作模式是以移动通信部门运营商提供的短信息服务作为数据采集终端和数据中心之间的通信方式。GPRS方式是通过中国移动公司所提供的无线通信服务网络的实时通信。

当处在GSM工作模式时，数据中心要求加装接收单元，当终端采用GSM消息模式上传数据时，接收单元接收通过短信息发送的数据，并上传至数据中心[4]。

当处在GPRS工作模式时，数据中心计算机必须有一个公网IP地址。并且这个公网IP地址是数据采集终端所知的，因此，数据采集终端可以通过建筑TCP连接寻找到数据中心，当数据采集终端找到数据中心时，此时，数据中心记录数据采集终端的动态IP，建立了数据采集终端与数据中心间的通信。

具体采用那种工作模式，用户可以根据自己的要求在数据中心操作节目上选择相应的工作模式。

4 建筑内部数据采集系统

4.1数据采集终端

采用具有高可靠性、带有现场总线连接的分布式I/O控制器构成数据采集末端，向数据中心上传存储的建筑能耗数据。数据采集终端对测量仪表的数据进行简单处理后，存储一天的数据，第二天凌晨将当天的数据全部上传给数据中心。

4.2测量仪表

测量仪表担负着最基层的数据采集任务，其监测的能耗数据可以通过有线连接（屏蔽线、RS485 总线）或无线连接方式，实时传送至该建筑的数据采集末端。

4.3设备及安装要求

（1）数据采集末端应具备如下功能：

①接受测量仪表传来的标准信号。应能接收三种信号形式：电流信号（4～20mA）、电压信号（0～10V）和脉冲信号；

②具有分布I/O 功能，模块之间可采用现场总线连接方式，具有带电插拔功能；

③应具备无线采集接入功能，对于距离数据采集末端较远的测量仪表，可采用无线传输方式；

④可靠性高，平均无故障时间不少于10 万小时；

⑤具有数学运算功能；

⑥可存储至少2000 个数据；

⑦可运用电话线/GPRS/互联网上传数据；

⑧具备RS232 或RS485 接口，可与现场计算机（预留）进行数据通信；

（2）测试仪表应满足如下要求：

①可靠性高，平均无故障运行时间应在5年以上；

②计量数据准确，应有计量仪表检验合格证；

③功能适用，满足数据采集的基本要求即可；

④上传数据信号可采用下列三种方式中的一种，电压、电流、脉冲信号；

⑤成本低

（3）在楼内布线考虑如下条件：

①建筑测量仪表（或变送器）应优先采用电信号或RS485通信方式进行连接。当连线距离小于50m时，可采用屏蔽线连接；当连线距离大于50m时，由于屏蔽线电流或电压信号衰减较大，应采用RS485 通信方式进行I/O 模块的连接，其有效距离可达1200m；

②当现场条件不满足采用电信号或RS485通信方式条件时，可采用无线方式进行连接

③为了保证监测数据的独立性，能耗数据远程传输系统尽量不与建筑原有自动控制系统（BAS）发生信息互连和共享，即独立布置能耗数据远程传输系统。

（4）预留显示功能计算机接口

考虑到节约工程造价，数据采集末端只具有存储、运算功能，不具有分析功能，因此，如果要实时分析建筑运行状况和能耗信息，将通过系统内预留接口，可选配计算机与数据采集终端相连接以便对建筑运行进行监视、分析和管理。该计算机的工作状况不影响整个数据采集系统的正常工作，只承担显示功能，监视数据是否能够正常监测，传输，并进行相应的能耗数据分析，显示各种图表，趋势和比较等功能。

4.4安装设备数量

根据现场实际情况，并达到预期能耗数据采集要求，共安装具有远传功能的数字式电能表34台；电流互感器34台；接口模块2台；数据采集终端1台。

4.5 数据采集终端与数据中心的传输方式

在GSM短信工作模式下，直接通过短信交换数据；在GPRS工作模式下，直接经TCP/IP协议栈在数据采集终端和数据中心间传递。

5 数据中心

数据中心是在不同的工作模式下，具有不同的组成，即当工作在GSM模式下，数据中心将配备接收单元；但当工作在GPRS工作模式下时则不需要接收单元。

5.1 数据中心的软件构成

数据中心软件主要包括三个层面，即三个模块，人机交互界面，数据的调用与处理；通讯接口。同时，依靠调用数据库内数据提供数据展示平台。

（1）人机交互界面：其目的是便于操作人员操作，提供可视化图形操作界面，接收用户操作指令，通过调用数据库，执行显示相关数据的功能。

（2）数据的调用与处理：主要保存并处理数据，为系统的所有数据提供唯一的通道和接口。

（3）通讯接口：从数据采集终端接收数据，当工作在GSM模式下为串口，数据有接收单元中转；当工作在GPRS模式下时，数据通过网络传送。同时，该模块担负数据的报文解析，并向数据调用与处理模块或人机交互界面模块进行提交，响应人机交互界面或数据处理模块的请求。

5.2 数据中心软件功能

数据中心软件应具备设置数据更新的时间间隔，访问历史数据，报警，打印报表和实时即历史曲线，图表的绘制，并预留相应扩展功能，例如，同类公共建筑能耗比较功能，分项比较功能，基本信息查询功能，表计能耗数据计算，建筑能耗数据汇总、上报数据发送、采集数据展示程序、系统管理程序、数据同步等。

5.3 接收单元

当数据中心工作在GSM短信模式下，数据中心必须要配备接收单元作为中转，数据上行时, 接收单元接收来自终端的短消息, 并通过RS232串行通信，将数据发给监控中心；数据下行时，监控中心通过串口将数据发给接收单元,接收单元再通过短信将其发送给数据采集终端[4]。

6结束语

本系统采用较为先进的GSM/GPRS公共无线通信网络技术，实现建筑分项能耗的自动采集，自动汇总及分析，该系统能够得到大型公共建筑实时能耗并为降低其建筑能耗，提高建筑能效，提供决策依据和参考，为进一步推进能耗统计，能源审计，能效测评等工作提供了基础数据。同时，该系统数据中心设在天津大学，经近半年实际运行，该系统工作正常，正确反映了被监控建筑的电能分项能耗情况。