淺談基於WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統設計論文

一、引言

隨着地鐵建設的不斷髮展，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，這使得地鐵系統的能量消耗不斷增加。因此，實現地鐵站的節能對整個軌道交通系統的節能工作至關重要。目前，地鐵站能耗設備的節能管理方面仍存在許多的缺點與不足，如空調系統部分雖有了集中的控制與調節，但未能根據實際情況而做出更人性化的調節與控制;照明系統部分缺乏智能控制，未能根據實際應用情況做出節能調節;電梯、自動扶梯雖然自身具有一定節能設計，但仍存在着較大的侷限性等。針對存在的問題，本文設計一個基於WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統，以實現對地鐵站能耗的集中管理，從而達到有效節能的效果。

二、地鐵站能耗情況分析

(一)地鐵站能耗分佈

地鐵系統運營過程中最大的能量消耗包括車載的執行能耗和地鐵車站的能耗。據不完全統計，地鐵車站能耗是地鐵系統的主要能耗構成，大約佔地鐵系統總能耗50%。隨着科技的快速發展，人們的安全意識也在不斷增強，地鐵車站的能耗呈現着不斷增長的趨勢。如地鐵車站使用了一系列爲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，爲了旅客乘車的方便，地鐵站還設定了相應的資訊裝置等，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、照明系統、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，該系統雖實現了對各設備的一般控制，保證了各耗能設備的正常執行，並在節能方面也起到了一定的作用，但仍存在着明顯的不足。首先，該系統缺少一種立足於全局、針對地鐵站整體區域內用電設備的綜合能耗統計分析以及調度控制的方法。其次，該系統對中央空調系統的節能控制方法是透過增加控制器數量來實現對某一部分的節能控制，這種方法從整個系統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着，這樣就算設備的執行效率非常好，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。之所以會出現這樣的情況，是因爲採用的BAS系統並沒有考慮到中央空調的各個系統之間是彼此關聯的，並非完全獨立。也就是說，其節能主要是限制在對局部的優化，而未考慮到輸出的能量是否能被有效利用。從一個整體系統的角度看，我們想要達到的是系統整體能量效率的一個最優化。因此，需要一個能夠基於全局以及系統觀念的節能系統。

此外，對於地鐵車站的用電設備，例如照明系統、電梯及自動扶梯系統、自動檢售票系統AFC等，目前所採用的均是統一時間開啟、統一時間關斷的方式。例如，每天早上五點半時特定工作人員便將所有的設備開啟，到了晚上十一點半時又統一關斷，而在這一整天中不管是人員活動高峯時段還是無人之時，所有這些車站設備均處於時刻執行的狀態，這又造成了另一嚴重的能源浪費。目前我國雖然針對性地採取了一定的節能措施，但都侷限在局部的節能，沒能夠從更大程度、更大範圍的角度考慮節能，因此，地鐵站的節能工作仍是一項長期任務。

三、能量管理系統的結構及工作原理

(一)系統結構

能量管理系統根據其功能的情況劃分爲三個子系統:能量的檢測與控制子系統、通信網絡子系統以及能量管理與調度子系統。

1.能量的檢測與控制子系統。該部分由大量傳感器節點組成，而這些分佈的傳感器節點是系統的末梢神經與執行部件，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。由WSN(WirelessSensorNetwork，無線傳感器網絡)組成。該部分傳感器節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。這些擁有着檢測與控制作用的傳感器節點自行組織在一起而構成了多個不同區域的監測與控制網絡，透過以太網與遠端的能量管理服務器相連，組合成爲更大的多級通信網絡，從而把各個子系統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。在能量檢測的基礎上，對能量進行按需的動態分配與優化調度。

(二)系統工作原理

首先，透過能量的檢測與控制子系統檢測地鐵站相關能量參數，比如站廳或站臺的照度、溫度與溼度，燈具及風機的開關狀態，人員的活動情況，其他車站設備應用情況等。採集的數據經通信網絡子系統傳送到系統的遠端能量管理服務器。該服務器具備數據庫功能，有着強大的數據分析能力以及數據處理能力，其接收到數據後先存入數據庫，透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。然後，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。最後，透過通信網絡子系統將相應的能量分配與調度資訊傳達到各傳感器節點，從而對有關設備的用能進行控制。例如車站照明系統及空調系統部分，感知傳感器如果感測到有人，這時候節點將進行能量各參數的數據採集，包括採集地鐵站(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等，隨後這些數據透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域實際所需要的能量值(如多少冷量)，而後根據實際需求將能量控制命令發佈給地鐵站(站廳或站臺等)的傳感器節點，控制開啟風機或者照明設備，如需加大冷氣，則給冷凍泵下達能量調度資訊，增加冷凍泵的冷量輸出，實現在能量合理利用並且環境溫度適中、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，節點能夠調節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，從而實現節能。

四、系統的硬件組成及軟件功能

(一)系統的組成

構建基於無線傳感器的地鐵站能量管理系統，將地鐵站的各個主要用電設備進行無線網絡連接，採集及分析用電設備的執行狀態，統計出車站設備用電狀態及能耗，並給出最優節電方案及實現措施。

ARM(S3C2410A)模組處理人機介面和記錄工作。用戶可以透過人機介面設定系統所需要的.各種參數，將各個節點採集的數據進行彙集、分析、顯示、存儲、處理，向上可實現對外部網絡的連接，爲遠程控制的實現提供便利，而向下可與各子系統間進行通信。

CC2538(基於ARMCortexM3的MCU)組建各子系統協調器及控制器節點，是系統的主要組成部分。CC2538實現兩部分功能，一是實現ZigBee終端節點功能，將各種類型傳感器數據進行採集、存儲，並實現對終端設備的控制;二是實現ZigBee網絡協調器功能，採集各終端的設備數據，並負責建立基於Zigbee的無線網絡連接。

(二)系統的軟件功能

1.上位機主要是將子節點採集到的各種資訊進行翻譯、存儲、顯示，將控制資訊經過處理後，發送到子節點執行，從而實現對整個系統的控制和監測。

2.協調器是整個網絡的關鍵部分，它的主要任務是負責網絡的啓動、發現在它所及範圍裏面的終端節點，組織節點，然後逐個爲節點分配網絡地址。協調器按照命令要求，完成各個終端節點傳輸的各類數據的接收工作，並對數據進行處理，同時向上位機傳輸數據。

ee終端節點將各種傳感器所採集到的各種不同類型的數據發送到協調器節點，ZigBee終端節點一啓動便開始進行硬件以及協議棧的初始化，而在協議棧初始化的過程中依照任務的優先等級給所有的任務進行空間的分配。終端節點能夠完成網絡自動的搜尋以及加入網絡的功能，在終端節點自動加入網絡時，將向協調器節點發出請求綁定的資訊，然後等待協調器節點的綁定響應。如果成功，則綁定完成，進而構建起了與協調器之間的通信，並且在綁定成功後，終端節點會定時地將數據發送到協調器。

五、結論

基於WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統，採用了基於ZigBee的無線網絡，構建的能量管理系統對地鐵站車站設備能耗情況實行統一檢測、分析、管理與調度，從而實現了對地鐵車站的真正節能，可見該系統具有顯著的節能效果。隨着軌道交通行業的不斷髮展，將系統節能思路擴展到地鐵線路、車輛站段等軌道交通行業，將有着巨大的發展空間。