導語：建筑節能運行智能控制系統設計探討一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

建筑能源消耗占全球能源消耗的近40%，因此使建筑的用能水平提高，使其成為節能型建筑；超低/近零能耗建筑作為節能建筑的一種高級表現形式，他們的出現以及逐步推廣使用，非常有利于控制碳排放、緩解能源危機和環境污染。隨著建筑電氣智能化及相關技術的發展，越來越多的智能控制系統應用在建筑中，通過節能控制策略和系統優化，有助于建筑的智能節能運行。

1控制系統設計

為滿足人類的居住或工作環境的舒適度，建筑系統需要配備供暖、制冷、照明、電梯、通信子系統以及家用電器設備等，而這些設備的運行必須通過智能控制系統才能實現節能運行。智能控制系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。從功能出發，硬件系統應包括數據采集、控制中樞、通信和執行端四個主要部分，軟件系統包括算法的運行以及控制操作界面的設計。如圖1所示。

1.1數據采集

系統需要采集取暖、新風、空調和照明等系統相關的運行數據，以及如溫度、二氧化碳、濕度、光強度等環境數據，用來給控制策略的設計與優化提供數據支撐。考慮到數據采集對象分布距離較遠且數據較多，因此采用基于物聯網的數據采集系統，物聯網的全面感知、智能化以及網絡化程度逐漸提升，此系統就所用物聯網的多功能傳感芯片和元器件、感知信息融合處理、嵌入式傳感系統。（1）電量參數采集本系統中選用安科瑞公司生產的DDSD1352多功能儀表采集有功電能、無功電能、三相電壓、三相電流、頻率、功率因數等電量參數，該儀表具有電能脈沖輸出功能，可通過RS485通訊接口與上位機實現數據交換。輸入電壓單相為AC220V；輸入電流為10（60）A，使用時采用DIN35mm導軌直接安裝即可。（2）室內環境參數采集溫濕度的采集選取高精度溫濕度傳感器DHT11，它的溫濕度測量范圍分別為0～50℃和20%～95%RH，適用于建筑物內環境溫濕度的測量，供電電壓為DC3.3～5.5V，與系統電源匹配，不用單獨設置電源，使用方便。該芯片包含電源正、電源地、串行數據和一個串行時鐘輸入共4個引腳，使用時需要在兩個電源引腳之間設置濾波電容。光強度采集選擇維芯品牌的GY-485-44009型高精度傳感模塊，P5，P6引腳為數據傳輸引腳，該模塊連接接口為串口，由于系統采用RS485通信，因此使用時需要借助USB轉458模塊。選用費加羅TGS813傳感器檢測可燃氣體；用T6613-2KT6613-5K美國GE紅外氣體傳感器檢測二氧化碳。

1.2通信模塊

選用ZigBee模塊設計通信部分，當在模塊中運行不同軟件程序時可使模塊具有協調器功能或節點功能。具有模擬輸入、數字輸入、繼電器控制以及RS485接口。該模塊自帶電源以收發芯片CC2530和功放芯片RFX2401為核心。通過編程接口加載節點的控制程序；通過功能接口完成系統參數的配置和數據的采集及控制輸出；通過485接口完成相關的數據傳遞任務。使用時模擬量和數字量通過CC2530的P04TX、P05RX、P06和P07引腳輸入；當所接傳感器為電壓型時，電阻R1-R5以及電容C2不焊接；當傳感器為電流型時，電阻R2、R3以及電容C7不焊接。

1.3控制中樞

控制中樞是整個系統的核心，負責確保各子系統的功能正常運行，然后將各子模塊與主控單元聯調融合；需要處理來自數據采集端的數據，執行控制策略算法，通過軟件不斷調試優化系統的功能。包括上位機控制端和現場控制器兩個層次。（1）上位機上位機終端選擇工控機，系統軟件以終端設備為承載平臺，負責控制策略表達，用組態軟件設計監控界面，需要能夠對建筑內各監測對象運行進行監測并將實時狀態直觀展現出來；還需要以采集到的數據作為判斷依據對電氣設備和窗戶、窗簾等設備進行開關控制。具體包括建筑內空氣質量相關參數的實時數值顯示以及曲線顯示界面、歷史數據查詢界面及報表打印功能、系統故障診斷及相關信息提示界面、報警界面以及權限設置界面。（2）現場控制器主控芯片解析處理數據后，通過通信模塊發送相應的指令到執行端各單元的控制。選擇STM32增強型微控制器為核心設計主控單元，根據系統功能需求確定WLCSP64封裝的有64個引腳的STM32F103R6芯片為主控芯片，成本低、速度快、性價比高，具有優先級可編程的中斷系統，同時它還具有64KB的Flash存儲器與20KB的SRAM存儲器，另外還集成了非常的片內外設資源豐富，如看門狗、定時器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、I2C接口等。系統時鐘電路選用典型值8MHz的晶振，為降低輸出失真并快速達到穩定時間，在設置諧振器和負載電容時應離振蕩器的引腳足夠近。選擇典型值為5pF～25pF之間且具有相同參數的瓷介電容器為負載電容；反饋電阻值確定為200kΩ，對應的晶體串行阻抗值確定為30Ω。（3）執行端控制中心的控制指令傳輸給終端設備進而通過控制執行器實現相應設備的智能控制。本系統中對窗戶、窗簾、照明設備、空調設備和報警設備采用繼電器控制，繼電器輸出控制電路，選用歐姆龍繼電器模組，額定電流為16A，30VDC，線圈電壓為12V/24VDC，線圈功率為0.53W/只，支持1-16路輸出，采用DIN導軌安裝方式。

1.4接口模塊

系統所有模塊的通信協議均使用了標準Modbus協議，因此需要設計RS485接口模塊，以MAX3485為電路主控芯片，將PIN1和PIN4分別連接到ZigBee模塊主控芯片的PIN2和PIN3，為了起到過流保護和抑制浪涌電壓的作用，需使用2個自恢復保險絲和3個穩壓二極管構成保護電路。如果信息傳輸距離超過300m時，需要設置抗干擾電阻。

2控制策略優化

2.1空調控制策略

空調系統是建筑中最大的耗能設備，在夏季主要供冷，在冬季尤其是在沒有集中供熱的南方地區，空調是最主要的供熱設備；因此要保證居住舒適性及節能的環境控制目標，需要選擇適合的控制策略對空調系統運行進行智能控制。控制參數應包含天氣信息、當前室內溫濕度信息；若為公共建筑則應加入建筑的正常營業時間或辦公時間，由此來設定空調的自動啟停時間點。且記錄室內溫濕度及空調啟停時間，并將其作為控制系統反饋參數，依此優化控制策略。因為室內環境參數隨時間變化，天氣參數為隨機值，因此可以考慮基于BP神經網絡的模型對空調能耗進行預測或利用專家系統對空調運行進行控制。如預測電量消耗信息，則需要室內溫度（A）、濕度（H）、人數（N）和工作時間（T），作為BP神經網絡的輸入，輸出定義為每小時的總電量消耗，進而確定網絡的輸入變量X和輸出變量Y分別為：

2.2照明控制策略

公共建筑的能耗量占比中，照明系統是僅次于空調系統的第二大能耗使用系統，目前主要通過高能效燈具及智能控制系統的應用實現節能。對公共建筑來講實行分區控制、場景控制、智能調光等能夠達到較好的節能效果。也可融入“行為節能”控制參數，將一些節能意識轉化為系統程序中的控制策略，如根據建筑內人的工作時間來設定照明設備的自動開啟與關閉，在正常工作時間內，若實時檢測到室內無人的話，則延時一段時間關閉照明設備。人員的存在情況，若是室內無人關閉該區域的照明設備，這個時間的設定需要根據照明場所的不同個性化輸入。同時系統中的各類時間參數可以按需設置，根據實際情況分區設定。

結論：

本文以建筑物節能運行為目的設計了智能控制系統，以STM32系列單片機為核心設計了控制單元，選用DHT11等傳感器采集室內環境參數，并通過ZigBee無線通信模塊傳輸給主控芯片或上位機，節能控制策略軟件程序運行后，通過主控單元發出控制命令給執行單元，從而控制各用能設備的開關與啟停，使建筑節能智能運行，達到低碳環保的環境效益。

作者：鄭偉南 單位：吉林建筑科技學院