本文是一篇物联网技术论文研究， 本设计实现了低功耗广域物联网技术的能耗采集节点与能耗采集网关硬件设计。完成了低功耗广域物联网协议、网关程序和服务器程序开发。能耗采集节点通过对智能水表、智能电表进行数据采集，数据经过低功耗广域物联网无线传输汇集至网关，网关对汇集的数据进行重组打包经过无线网络发送至服务器，用户在智能手机或者电脑上使用浏览器便可远程访问能耗管理系统。本文最后对能耗管理系统进行相关测试，测试包括低功耗广域物联网通信质量测试，网关不间断工作稳定性测试，能耗管理系统软件功能测试。该系统能够实现了远程采集管理智能楼宇能耗数据，其具有覆盖广，抗干扰能力强，功耗低等特点。经过测试，该系统符合设计要求，具有广泛的应用前景。该系统具有如下优势：
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是维持人们日常生活和科学技术发展的基础条件。随着经济的飞速发展，能源的需求量越来越大。能源紧缺问题日益严重，可能会成为人类生存所面临的首要问题。虽然我国能源的总量多，但是人口基数大，导致人均资源低于世界平均水平，加上过去几十年对能源的过度开采，国内能源的数量不能跟上经济的发展，使得我国每年需要从国外进口大量的能源[1]。能源的开发和使用方法没有得到有效的改善，导致能源的需求侧与供给侧的矛盾愈发剧烈[2]。
1.1 研究背景及意义
能源是维持人们日常生活和科学技术发展的基础条件。随着经济的飞速发展，能源的需求量越来越大。能源紧缺问题日益严重，可能会成为人类生存所面临的首要问题。虽然我国能源的总量多，但是人口基数大，导致人均资源低于世界平均水平，加上过去几十年对能源的过度开采，国内能源的数量不能跟上经济的发展，使得我国每年需要从国外进口大量的能源[1]。能源的开发和使用方法没有得到有效的改善，导致能源的需求侧与供给侧的矛盾愈发剧烈[2]。
楼宇作为人们活动的基本生活场所，随着我国人口向城市的转移，楼宇的数量越来越多，楼宇在使用过程中消耗的能源占全国能源的比例越来越大，急剧加大了能源的消耗[3-5]。有关调查报告分析显示 2013—2017 年国内楼宇建筑消耗的总能源越来越多，建筑能耗已经在全国的能源消耗总量中占到了 34%。我国三个“耗能大户”中，楼宇耗能已经与交通耗能和工业耗能并列成为其中之一。对全球而言，建筑能耗在全球能耗总量的占比已经到达了 41%[6]。目前我国在能源利用方面存在浪费大、效率低的现象。我国政府高度重视智能楼宇建筑节能工作，对于目前国内楼宇耗能高的现状，2016 年国务院颁布《“十三五”节能减排综合工作方案》[7]，明确了“十三五”节能减排工作的主要目标和重点任务。国内在楼宇能耗监测方面的技术相对落后，楼宇节能的相关方案和政策没有得到完整的实施[8]，使得楼宇能耗情况不能被详细了解。对楼宇的节能任务来说有着巨大的重任，迫切需要积极的方法并利用现代科学技术加以解决[9-11]。
目前，我国楼宇能耗管理系统方面的技术相对落后，大部分采用有线传输的方式，例如 485 总线、CAN 总线。但有线传输施工难度大、成本高、灵活性差，使得采集的数据不够精确，无法系统分析楼宇能耗分布情况。随着物联网技术、互联网技术、传感器技术和智能控制技术的融合与发展，无线智能楼宇能耗管理系统引起了人们广泛关注。与传统的有线能耗管理系统相比，无线能耗管理系统具有数据准确、实时性高、灵活性高、稳定性高、施工难度低、成本低等优点。进行无线智能楼宇能耗系统的研究，具有很好的应用前景，可以产生很高的经济价值，能够有效促进我国建筑节能减排工作的推进。
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1.2 国内外研究现状
上个世纪七十年代，国外一些发达国家就已经意识到建筑物能耗在社会能耗中的占比会越来越高，并且能源日益短缺，于是各国积极寻找节能环保的办法。1976 年，英国最先开始对建筑物的能耗数据进行统计，并建立能耗数据库。1977年，美国成立专门的能源信息管理部门来调查全国的能耗情况，该部门建立的数据库也被广泛应用[12,13]。德国政府在已有的指标体系外，还增加了制度、经费和人员的制定标准，从而规范化了能耗监测。瑞典的 Karl-Erik 等人设计出一种实时监测建筑能耗的方法和技术（The Energy Barometer），这种技术可以降低天气对产生能耗数据的影响[14]。20 世纪末，日本也开始对建筑能耗监测系统进行研究，对一些企业的能耗进行监测并记录数据，而且向企业免费提供计量设备和技术指导。欧洲委员会也曾启动“欧洲高效低耗建筑（EULEB）”工程[15]，专门研究建筑能耗问题。该工程通过分析和研究一定数量的低能耗建筑，建立了高效低耗建筑数据库，并在建筑能耗监测系统上有了新的方法。
1.2 国内外研究现状
上个世纪七十年代，国外一些发达国家就已经意识到建筑物能耗在社会能耗中的占比会越来越高，并且能源日益短缺，于是各国积极寻找节能环保的办法。1976 年，英国最先开始对建筑物的能耗数据进行统计，并建立能耗数据库。1977年，美国成立专门的能源信息管理部门来调查全国的能耗情况，该部门建立的数据库也被广泛应用[12,13]。德国政府在已有的指标体系外，还增加了制度、经费和人员的制定标准，从而规范化了能耗监测。瑞典的 Karl-Erik 等人设计出一种实时监测建筑能耗的方法和技术（The Energy Barometer），这种技术可以降低天气对产生能耗数据的影响[14]。20 世纪末，日本也开始对建筑能耗监测系统进行研究，对一些企业的能耗进行监测并记录数据，而且向企业免费提供计量设备和技术指导。欧洲委员会也曾启动“欧洲高效低耗建筑（EULEB）”工程[15]，专门研究建筑能耗问题。该工程通过分析和研究一定数量的低能耗建筑，建立了高效低耗建筑数据库，并在建筑能耗监测系统上有了新的方法。
目前，国外相对成熟的智能楼宇能耗监测系统有英国的 ESP-r、法国施耐德的能源管理系统、以色列 ARAD 公司的基于总线通信的能耗检测技术、加拿大的HOTZ000、美国能源控制公司（AEC）设计的能源管理系统、Intellon 公司开发的基于电力载波通信的能耗检测系统、霍尼韦尔公司的能源管理系统（EMS）、西门子公司的能源监测与控制系统（EMC）、瑞典 ABB 公司开发的无线通信的能耗检测系统等[16,17]。
相比国外的研究，国内对能耗管理系统领域的研究起步晚，目前我国的能耗监测技术还是比较落后的。随着国家城市的发展，公共建筑能耗的增大，引起了国家政府部门高度重视。八十年代后期政府加大投入力度开始开发专属于我国公共建筑的能耗监测系统，我国科研机构有力地推动了在这方面的研究工作。国内很多知名高校和企业开始积极参与建筑能耗监测的研究工作。2004-2006 年，北京市政府依托清华大学建筑节能研究中心，初期完成了大型公共建筑能耗监测系统的示范工程。2007 我国政府出台了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》等一系列指导文件，积极组建能耗管理系统。截至 2017年底，上海市实现了对 1500 座大型建筑的实时监测[18-28]。
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相比国外的研究，国内对能耗管理系统领域的研究起步晚，目前我国的能耗监测技术还是比较落后的。随着国家城市的发展，公共建筑能耗的增大，引起了国家政府部门高度重视。八十年代后期政府加大投入力度开始开发专属于我国公共建筑的能耗监测系统，我国科研机构有力地推动了在这方面的研究工作。国内很多知名高校和企业开始积极参与建筑能耗监测的研究工作。2004-2006 年，北京市政府依托清华大学建筑节能研究中心，初期完成了大型公共建筑能耗监测系统的示范工程。2007 我国政府出台了《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》等一系列指导文件，积极组建能耗管理系统。截至 2017年底，上海市实现了对 1500 座大型建筑的实时监测[18-28]。
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第 2 章 能耗管理系统总体设计
2.1 物联网组网方案
物联网的拓扑结构有三种，通过对星状网络、树状网络、网状网络分析对比，提出了基于树形结构的低功耗广域物联网能耗管理系统的的组网方案。
1．星状网络拓扑结构
星状拓扑结构也称为集中控制型网络。该网络中各个节点呈星状分布，采用单跳结构，其拓扑结构如图 2.1 所示。网络中协调节点作为中心节点，其他的子节点与中心节点构成单线相连的网络结构。各个子节点都需要通过中心节点进行数据上报，并且任何一个需要向上或者向下发送数据包的节点，都是以直接的方式或者间接的方式通过中心节点进行传输，由中心节点发送到需要发送的节点。因此，在星状网络结构中，子节点的负担往往很小，中心节点的压力非常大，而节点传输数据的效率在很大程度上依赖于节点的性能。星状网络结构符合网络子节点较少、网络覆盖范围小、通讯信息量较少的传感器网络的要求[39]。
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2.2 总体方案设计
传统的能耗管理系统采用的是有线传输的方式，但它存在成本高、布线复杂、难以维护的问题。本文设计了一套基于低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统，该系统采用无线传输的方式，免去了布线，终端和中继采用电池供电，免去了维护成本，且其低功耗的性能大大延长了使用寿命。能耗管理系统的总体架构设计如图 2.4 所示，该系统主要由低功耗广域物联网、网关和服务器组成。该系统采用蜂窝布网的方式，在一个基站内布置多个中继，用来转发能耗采集终端的能耗数据。低功耗广域物联网通过自组织方式实现灵活组网，其具有长距离、低功耗和穿透性强的特点，该网络非常适合智能楼宇能耗管理系统。
能耗管理系统的终端设备由于周围墙体的阻挡使终端信号大幅衰减，如果采用星状网络则需要比较多的集中器进行数据的集中和上传，而集中器（基站）所连接的 GPRS 模块功耗要求较高，在建筑内难以找到合适且大量的供电点给集中器供电，因此并不适合本系统的应用场景。另外网状结构组网有扩容方便，覆盖范围广等优点，但是在低功耗的要求下，网状结构复杂的组网算法和网络维护成本也无法满足终端和中继对电量的要求。因此，本系统设计使用较为适合建筑内场景的树状组网结构。树状结构是星状结构的进一步拓展和延伸，使一个基站的覆盖范围大大提升，而在数据正常的情况下网络维护成本低，易于组网实现数据稳定性传输。
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2.1 物联网组网方案
物联网的拓扑结构有三种，通过对星状网络、树状网络、网状网络分析对比，提出了基于树形结构的低功耗广域物联网能耗管理系统的的组网方案。
1．星状网络拓扑结构
星状拓扑结构也称为集中控制型网络。该网络中各个节点呈星状分布，采用单跳结构，其拓扑结构如图 2.1 所示。网络中协调节点作为中心节点，其他的子节点与中心节点构成单线相连的网络结构。各个子节点都需要通过中心节点进行数据上报，并且任何一个需要向上或者向下发送数据包的节点，都是以直接的方式或者间接的方式通过中心节点进行传输，由中心节点发送到需要发送的节点。因此，在星状网络结构中，子节点的负担往往很小，中心节点的压力非常大，而节点传输数据的效率在很大程度上依赖于节点的性能。星状网络结构符合网络子节点较少、网络覆盖范围小、通讯信息量较少的传感器网络的要求[39]。
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2.2 总体方案设计
传统的能耗管理系统采用的是有线传输的方式，但它存在成本高、布线复杂、难以维护的问题。本文设计了一套基于低功耗广域物联网的智能楼宇能耗管理系统，该系统采用无线传输的方式，免去了布线，终端和中继采用电池供电，免去了维护成本，且其低功耗的性能大大延长了使用寿命。能耗管理系统的总体架构设计如图 2.4 所示，该系统主要由低功耗广域物联网、网关和服务器组成。该系统采用蜂窝布网的方式，在一个基站内布置多个中继，用来转发能耗采集终端的能耗数据。低功耗广域物联网通过自组织方式实现灵活组网，其具有长距离、低功耗和穿透性强的特点，该网络非常适合智能楼宇能耗管理系统。
能耗管理系统的终端设备由于周围墙体的阻挡使终端信号大幅衰减，如果采用星状网络则需要比较多的集中器进行数据的集中和上传，而集中器（基站）所连接的 GPRS 模块功耗要求较高，在建筑内难以找到合适且大量的供电点给集中器供电，因此并不适合本系统的应用场景。另外网状结构组网有扩容方便，覆盖范围广等优点，但是在低功耗的要求下，网状结构复杂的组网算法和网络维护成本也无法满足终端和中继对电量的要求。因此，本系统设计使用较为适合建筑内场景的树状组网结构。树状结构是星状结构的进一步拓展和延伸，使一个基站的覆盖范围大大提升，而在数据正常的情况下网络维护成本低，易于组网实现数据稳定性传输。
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第 3 章 能耗管理系统硬件设计 .................................... 9
3.1 能耗数据采集节点电路设计 ...................................... 9
3.1.1 节点硬件总体设计 ................................. 10
3.1.2 处理器电路设计 ..................................10
第 4 章 能耗管理系统软件设计 .................................... 30
4.1 通信协议设计 ........................................... 30
4.1.1 P-ALOHA ................................... 30
4.1.2 S-ALOHA ............................................ 30
第 5 章 能耗管理系统测试 ............................................. 37
5.1 基本测试 ....................................... 37
5.1.1 点对点通信测试 .................................. 37
5.1.2 组网测试 ...................................... 38
第 5 章 能耗管理系统测试
5.1 基本测试
5.1.1 点对点通信测试
为了验证无线模块的数据传输的可靠性，将测试程序烧写到无线模块，分别将两个模块的 UART1 通过 USB 转串口连接，USB 接口的一端连接至 PC 机的 USB口，其无线通信模块实物图如图 5.1 所示。在 PC 上运行串口调试助手，选择对应的 COM 口，波特率设置为 115200，给模块上电进行收发测试，收发测试效果如图 5.2 所示。图 5.2 中左边的串口助手可以观看到发送模块的相关信息，信息显示该模块处于一直发送状态，发送的数据为 0x11223344。图 5.2 中右边的串口助手可以看到接收模块的相关信息，日志信息显示接收的数据为 0x11223344，接收的信号强度为-9dbm。测试表明，节点点对点通信成功，通信质量满足设计要求。
5.1.1 点对点通信测试
为了验证无线模块的数据传输的可靠性，将测试程序烧写到无线模块，分别将两个模块的 UART1 通过 USB 转串口连接，USB 接口的一端连接至 PC 机的 USB口，其无线通信模块实物图如图 5.1 所示。在 PC 上运行串口调试助手，选择对应的 COM 口，波特率设置为 115200，给模块上电进行收发测试，收发测试效果如图 5.2 所示。图 5.2 中左边的串口助手可以观看到发送模块的相关信息，信息显示该模块处于一直发送状态，发送的数据为 0x11223344。图 5.2 中右边的串口助手可以看到接收模块的相关信息，日志信息显示接收的数据为 0x11223344，接收的信号强度为-9dbm。测试表明，节点点对点通信成功，通信质量满足设计要求。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本设计实现了低功耗广域物联网技术的能耗采集节点与能耗采集网关硬件设计。完成了低功耗广域物联网协议、网关程序和服务器程序开发。能耗采集节点通过对智能水表、智能电表进行数据采集，数据经过低功耗广域物联网无线传输汇集至网关，网关对汇集的数据进行重组打包经过无线网络发送至服务器，用户在智能手机或者电脑上使用浏览器便可远程访问能耗管理系统。本文最后对能耗管理系统进行相关测试，测试包括低功耗广域物联网通信质量测试，网关不间断工作稳定性测试，能耗管理系统软件功能测试。该系统能够实现了远程采集管理智能楼宇能耗数据，其具有覆盖广，抗干扰能力强，功耗低等特点。经过测试，该系统符合设计要求，具有广泛的应用前景。该系统具有如下优势：
6.1 总结
本设计实现了低功耗广域物联网技术的能耗采集节点与能耗采集网关硬件设计。完成了低功耗广域物联网协议、网关程序和服务器程序开发。能耗采集节点通过对智能水表、智能电表进行数据采集，数据经过低功耗广域物联网无线传输汇集至网关，网关对汇集的数据进行重组打包经过无线网络发送至服务器，用户在智能手机或者电脑上使用浏览器便可远程访问能耗管理系统。本文最后对能耗管理系统进行相关测试，测试包括低功耗广域物联网通信质量测试，网关不间断工作稳定性测试，能耗管理系统软件功能测试。该系统能够实现了远程采集管理智能楼宇能耗数据，其具有覆盖广，抗干扰能力强，功耗低等特点。经过测试，该系统符合设计要求，具有广泛的应用前景。该系统具有如下优势：
（2） 远距离。自组织多跳网络确保广域物联网覆盖。
（3） 定制度高。自主研发的低功耗广域物联网节点、底层通信协议已成功实施多个项目，如：无线网络温控器监控、变电站温湿度无线监控、智能井盖监测、智能消防栓监测以及智能无线抄表系统。
参考文献（略）