论文总字数：24297字

摘 要

建筑能耗在社会的总体能源消耗中占有极大的比重，通过建筑能源管理系统能够有效地对建筑能耗进行监测和管理，因此成为节能减排的重要途径。而现有的建筑能源管理系统所使用的通讯架构为有线网，安装成本大，且后期拓展不易。相对于有线网络，无线网络安装便捷且网络易于拓展的特点使其更加适合于建筑能源管理系统的通讯架构。

基于此背景，本文围绕建筑能源管理系统的无线通讯方案设计展开了研究工作，首先对建筑能源管理系统进行了介绍，包括定义及一般架构，对各个层次进行了阐述，并对其所能实现的功能进行了一般性介绍。然后对市面上几种的主流无线技术的特性了一般性的介绍及比较，选出比较贴合建筑要求的几种无线技术进行了进一步的介绍和比较，为下一步无线方案的选提供依据。然后针对建筑属性，选择不同建筑场景下的通讯方案。最终选择了有线网与无线网结合的通讯方案，在房间内和楼层内进行通讯时使用EnOcean技术，在楼层间和楼宇间进行通讯时使用以太网进行传输。最后根据选择的通讯方案搭建了一套系统通讯架构，对系统通讯架构各部分的属性进行了详细说明，并对选择的通讯方案进行在建筑实践中的可靠性、信息安全、收益与成本、优势方面的可行性论证。

关键词：建筑能源管理系统（BEMS），无线通讯，EnOcean

Abstract

Building energy possess great proportion of the total energy consumption in society, can effectively monitor and manage building energy consumption through building energy management system, thus becoming an important way to energy conservation. The communication infrastructure existing building energy management systems used for cable network, install large cost and difficult post-expansion. Compared with wired networks, wireless networks are easy to install and easy to expand network features make it more suitable for building energy management systems communications architecture.

Based on this background, the paper focuses on building energy management system for wireless communications program designed to expand the research work, first for building energy management systems were introduced, including definitions and general framework for all levels are described, and it can be achieved it features a general introduction. Then the characteristics of the market in several mainstream wireless technology a general introduction and compare elect more fit the architectural requirements of several wireless technologies are further described and compared, provide the basis for the election of the next wireless solutions. Then for building property, select the communication scheme different architectural scenarios. I chose the wired network and wireless network communications solutions combined, in the room of communication using EnOcean technology, the use of Ethernet in the time between floor and transmit communication within buildings and floors. Finally, according to the selected communication scheme to build a system communication architecture, communications infrastructure system for properties of each part is described in detail, and the selected communication program in architectural practice in reliability, information security, benefits and cost advantages feasibility demonstration.

Key Words: Building Energy Management System (BEMS), Wireless Communication, EnOcean

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1. 2 无线技术在建筑能源管理系统中的应用 1

1.3 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 建筑能源管理系统 4

2.1 建筑能源管理系统的定义 4

2.1 分项计量设备 5

2.2 数据采集管理器 6

2.3 数据传输网络 6

2.4 建筑能耗管理平台 7

第三章 通讯方案 8

3.1主流无线技术特性介绍及比较 8

3.2 EnOcean技术介绍 11

3.3房间内通讯方案 12

3.4 楼层内通讯方案 12

3.5楼层间通讯方案 13

3.6 楼宇间通讯方案 13

第四章 通讯架构及可行性论证 15

4.1 通讯架构 15

4.2可行性论证 17

第五章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

致 谢 22

参考文献 23

第一章 绪论

1.1 引言

建筑能源管理系统包含了对水、电、气等各种能源的监测和管理，据国际能源协会发布的报告，建筑能耗占社会总体能耗的25％—30％之间。在建筑消耗的能源中，冷热源系统、空调设备、通风系统占建筑总能源消耗的50%以上，其次是照明产品，占建筑总能耗的25%以上。2011年，国家提出的“十二五”规划提出要更加注重节能减排，规定了具体的减排指标，而通过建筑能源管理系统对建筑能源进行智能化控制是实现节能减排的有效措施之一，不仅对保护环境与节约能源具有重要意义，而且还能改善提高人们的工作、学习、生活的质量，前景十分广阔，含义广泛，意义重大而深远^[1]。

在建筑能源管理系统中，相对于有线技术，无线技术所具有的特性使它更加适合在建筑能源管理系统中应用。建筑能源管理系统需要通过监测建筑环境来完成功能，而要对建筑环境进行监测，就要在建筑内布置大量传感装置。由以往的实践经验可知，在建筑中使用有线网络的做法需要花费不菲的安装费用，而且也会对建筑本身造成损伤(特别是对已经存在的建筑而言)。而无线技术不需要像有线技术那样进行繁重的布线工作，大大降低了工程的成本。

在不久的将来，无线技术将会作为有线架构的补充，在建筑能源管理系统的设备部署方面发挥重要作用，从而更快更精准地对建筑节能做出针对性分析，发现现有能源使用的问题，提出改善方案，提高能源效率，真正帮助企业实现节能增效^[2]。

1. 2 无线技术在建筑能源管理系统中的应用

随着人们对建筑能源管理系统功能的要求的提高，其需要实现的功能也不断增多，进而也要求部署更多的传感器来监测建筑环境。如果使用有线技术来来进行数据传输，就要求部署数量众多的的线缆，这无疑会增加成本；而且使用过多的线缆也会导致发生故障的可能性大大提高，故障的检测和排除也会非常困难，使得日常维护工作非常繁重。相比之下无线网络具有成本低、安装简单、后期费用低等优势，更加适合应用于建筑物的环境监测。

与有线通讯网络相比，在建筑能源管理系统中使用无线通讯网络具有诸多优点：

（1）在建筑能源管理系统的通讯网络安装中，通常耗时最长、对环境影响最大的是综合布线系统，而使用无线通讯网络就可以减少关于布线的大部分工作量。

（2）在使用有线通讯网络的建筑能源管理系统中，传感器的部署位置常常会受到网络信息点的限制，后期网络的扩大会非常困难。而无线通讯网络则不然，在安装完成后，覆盖区域内的任意位置都可以直接接入已有的网络。

（3）由于有线通讯网络后期拓展比较困难，使得设计者在设计的时候必须充分考虑未来发展的需要，因此不得不在规划初期预设大量后期可能不怎么用的到的的网络信息点；而如果网络的发展超出了预先的设计，就需要重新进行一次网络的设计工作，带来了大量的工作量。而无线网络易于拓展，可以极大地减少后期网络拓展的工作量。

（4）对于有线通讯网络来说，在进行建系统改造的时候，需要在消除旧系统和布置新系统方面花费大量的费用，而无线通讯网络可扩展性使得系统的改造只需要很少的花费。

无线通讯网络的结构与其应用目的有很大关系，不同的应用对通讯网络的要求可能截然不同。与其它应用中的无线通讯网络相比，建筑能源管理系统中的无线通讯网络具有这些特点：

（1）网络的使用时间长。建筑能源管理系统中的无线通讯网络一般要求具有长达几十年的使用时间，而其它应用中的无线通讯网络对使用时间的要求一般很低，如用于战场数据采集的通讯网络一般只要求具有短短几天的使用时间。

（2）网络可以进行人工维护。建筑能源管理系统中的传感器节点可以通过人工来进行安装，也可以通过人工来更换电池。另外，建筑能源管理系统中对有些节点也可以使用有线充电的方式为节点持续供能。

（3）传感器节点的数目多。随着人们对建筑能源管理系统的智能化程度的要求越来越高，为了提供更加舒适节能的工作生活环境，需要安装的传感器数目也越来越多，现在一个建筑能源管理系统中安装的传感器节点可能多达数十万个。

（4）通讯网络由多种类型的传感器节点构成。建筑能源管理系统的通讯网络由分布在不同区域不同类型的传感器组成，这些传感器互相配合进行工作，实现了对建筑环境的全方位监测。

（5）与有线网络并存。相对于无线网络来说，有线网络的传输稳定性更高、抗干扰能力更强，因此系统的主干线可以使用有线网络来充当。

（6）网络拓扑结构的不完全控制。虽然系统通讯网络的传感器节点是通过人工安装的，但是其安装的位置一般要有建筑物的物理环境来决定，因此不可能完全符合主观意愿。

就目前的发展状况来看，要将无线通讯网络广泛地应用于建筑能源管理系统中还必须解决以下问题：

（1）网络的连通性：影响建筑物内无线信号传输的因素非常多，信号可能受到各种障碍物或电子信号的干扰，因此在预先进行通讯网络设计的时候首先要考虑怎样合理的选择节点的安装位置和发射功率以使得网络的连通性负荷要求。

（2）能量效率：在建筑能源管理系统中，虽然可以通过人工更换节点的电池，但是由于很多节点安装在人们比较不方便到达的位置，如地板下、墙壁中、天花板里等，使得对人力物力的消耗非常严重。因此，在进行预先进行通讯网络设计的时候不仅要考虑如何延长节点的使用周期，还要考虑通讯网络中各个节点能量使用的均衡性问题，尽可能使这些节点的具有大致相近的使用周期，以方便能统一的进行电池更换。

（3）传感器节点的成本问题：由于目前传感器的成本还较高，而建筑能源管理系统的无线通讯网络需要使用为数众多的传感器，因此要将无线通讯网络大哥们应用于建筑能源管理系统中，就需要价格更加低廉的传感器。

（4）传感器节点的管理：由于在建筑能源管理系统的无线通讯网络中存在大量不同类型的网络节点，为使这些节点能够有效地互相配合惊喜工作以实现环境监测功能，就需要设计一个专门的系统。

（5）安全问题：信息安全问题是在使用无线通讯网络首先要考虑的问题，也是将无线通讯网络大规模地应用于建筑能源管理系统中的前提。

2002 年美国供热、制冷与空气调节工程师学会（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE）在华盛顿州 Richland 市的太平洋西北国家实验室对在建筑能源管理系统中使用无线通讯网络所能够产生的效益进行了评估。2005 年，美国 Bechtel 公司在在它承建的一些项目中使用了无线通讯网络，并打算进一步应用于智能家居和城市交通等方面。2007 年， 英国利兹大学启动了“智能安全家居”计划，他们在墙体内安装了各种分项计量无线传感器来采集相关数据，如温度、湿度和煤气泄漏情况等，并以此为用户实现远程控制和安全警报的功能。

目前在楼控领域中应用的主流产品是使用 BACnet、TCP/IP等通信协议的有线产品，因此要在楼控领域中应用无线技术的话，一个可行的办法是在无线网络和这些有线网络之间建立数据连接，为此美国的 ERS（Embedded Research Solutions）公司开发出了基于ZigBee 通信协议的无线网络与 BACnet/IP有线网络互连的智能网关，从而实现了BACnet/IP有线网络与ZigBee无线通讯网络之间的数据交互^[3]。而在国内，深圳绿拓公司也开发出了基于EnOcean通信协议的无线网络与TCP/IP 或BACnet/IP网络互连的智能网关，能够实现类似的功能。

1.3 本文的研究目的和主要研究内容

本文提出了一种适用于建筑能源管理系统的无线通讯方案。包括以下部分：

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