基于分布式传感网络的小区供暖控制系统及方法.pdf

本发明公开了一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统及方法，包括若干用于定时采集楼宇的外界环境信息的传感器节点，以及服务器，所述的服务器根据传感器节点采集到的环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。本通过实时采集每一栋楼宇当前所处的光照、温度、湿度以及受相邻楼影的覆盖影响，准确的估算出每一栋每一层住户当前所处的温度环境，再集总数据，通过模拟退火算法，对每一户实施有针对性的，准确的供暖。在保证住户生活环境舒适的基础上，最大程度节约能源。

权利要求书
1.  一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统，其特征在于，包括若干用于定时采集楼宇的外界环境信息的传感器节点，以及服务器；
所述的服务器根据传感器节点采集到的外界环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。

2.  如权利要求1所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制系统，其特征在于，每个传感器节点包括温度传感器、湿度传感器和光照传感器，传感器节点与楼宇中的各个单元一一对应。

3.  一种基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)定时采集各个楼宇的外界环境信息；
(2)根据所述的外界环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。

4.  如权利要求3所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述各个楼宇的外界环境信息包括小区内每单元的一楼处的温度、湿度和光照强度。

5.  如权利要求4所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中对应时刻小区所在位置的太阳高度角通过如下公式计算得到：

其中，hs为太阳高度角，δ为小区所在位置的太阳赤道纬度，为小区所在位置的纬度，ω为太阳时角，以当地正午为0°；上午为负，每时-15°；下午为正，每时+15°。

6.  如权利要求4所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体如下：
(2-1)根据太阳高度角和当地历史气象数据计算当前时刻的室内空气综合温度；
(2-2)针对每一个单元，根据当前时刻的室内空气综合温度以及该单 元一楼处的温度确定当前的天气是否对阴影产生影响：
(a)若有影响，则集中供暖；
(b)否则，判断当前时刻该单元是否进入阴影，并根据判断结果以及当前时刻该单元对应的外界环境信息采用模拟退火算法计算每一户的实际所需供暖量以进行供暖控制。

7.  如权利要求6所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(2-1)通过如下步骤计算当前时刻该单元的室内空气综合温度：
(2-11)根据当地历史气象数据和各个历史气象数据对应时刻的太阳高度角构建该单元的室内温度模型；
(2-12)利用所述的室内温度模型根据当前时刻的太阳高度角构建计算当前时刻该单元的室内空气综合温度。

8.  如权利要求6所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(b)中通过如下方法判断当前时刻该单元是否进入阴影：
若该单元所在栋内各个单元的温度和光照强度满足如下条件：
(b1)除该单元以外，其他各个单元对应的温度和室内空气综合温度的偏差在10％以内，
(b2)该单元的光照强度比其余各个单元的光照强度的小，且与其余各单元的光照强度偏差大于30％，
则判断结果为当前时刻该单元进入阴影；
否则，判断判断结果为当前时刻该单元未进入阴影。

9.  如权利要求8所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(b)中当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度和光照强度采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量。

10.  如权利要求8所述的基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，其特征在于，所述步骤(b)中当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度、光照强度以及进入阴影的时间采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量。

说明书基于分布式传感网络的小区供暖控制系统及方法
技术领域
本发明涉及智能家居技术领域，具体涉及一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统及方法。
背景技术
西方发达国家大规模开展建筑节能已持续了四十多年，其建筑具有舒适度高，能耗低的特点。比如法国从1974年起用法律形式正式规定了采暖居住建筑的节能制标，从1984年至1990年，法国的建筑能耗从占社会总能耗的42％～45％降至28％。如今欧洲已建成极为严格的零能耗住宅标准、令二氧化碳排放标准和能源自给标准，西方发达国家在建筑节能领域已遥遥领先。
中国的建筑节能水平与西方发达国家相比具有很大差距，而且我国大多数地区具有四季分明的气候特点，不能简单使用寒冷地区或炎热地区的建筑设计策略指望用某种材料来解决不同季节之全然不同的要求，而应该采取按时按需精确供应的小规模集中化控制策略，针对同一气候小环境量身制定控温测量。我国自身的人均资源占有本就很低(约为世界平均水平的50％)，节约能源是我国的基本国策之一，而建筑资源消耗在能源总消耗中所占比例很高(1999年占27.8％)，总量很大，因此深入持续地进行建筑节能工作具有十分重大的意义。
当今中国一线城市人口密度高，住宅楼密度大，楼层高，北方城市冬天采暖能耗逐年增加，产生的大气污染(如雾霾)已经严重的影响了城市居民的日常生活。相比之下，北方大部分城市依旧采用老式的集中供暖，全天供暖等方式为居民供暖，已经无法满足现代城市对节能、环保的需求。
根据国家相关规定(设计规范)，小区住宅楼间距需满足冬至日日照时间不低于1小时(房子最底层窗户)。而在北方高人口密度的住宅区，在不 供暖的前提下，冬天有日照和没有日照时，室内温度是相差很大的(根据文献数据，最大时同一时间温差达到7K)。因此，对不同光照条件的楼层进行针对性的供暖是非常必要的。由于住宅楼宇朝向并不统一，若想准确的测得每户的楼影覆盖情况并不容易。本发明通过在各个单元门口增加环境参数测量传感器的方法，对整个楼宇的光照情况进行估算，用很少的成本解决了该问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本实发明提供了一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统及方法。
一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统，包括若干用于定时采集楼宇的外界环境信息的传感器节点，以及服务器；
所述的服务器根据传感器节点采集到的外界环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。
本发明中通过实时采集每一栋楼宇当前所处的外界环境信息，准确的估算出每一栋每一层住户当前所处的温度环境，再集总数据，通过模拟退火算法，对每一户实施有针对性的，准确的供暖。在保证住户生活环境舒适的基础上，最大程度节约能源。
作为优选，每个传感器节点包括温度传感器、湿度传感器和光照传感器。相应的所述的环境信息包括各个楼宇对应的传感器安装位置的温度、湿度以及光照强度。
为达到为每一户供暖的实时精确控制，所述的传感器节点与楼宇中的各个单元一一对应。此外，由于现有的小区中各个单元均装有门口机，为便于实现，本发明中各个传感器节点集成于门口机中。
为便于进行通信传输，同一幢楼各个单元的传感器节点采集到的环境数据线打包后作为一个整体发送给服务器，即每一幢楼对应一个父节点，以不该幢楼中各个单元的传感器节点集作为子节点，各个子节点直接与相应的父节点通信，将采集到的环境信息线发送给父节点，由父节点作为中转，统一发送给服务器。其中子节点与相应的父节点、父节点与服务器之间通过无线 网络进行通信，如通过以太网/Wifi/3G/4G等。
对应时刻小区所在位置的太阳高度角通过如下公式计算得到：

其中，hs为太阳高度角，δ为小区所在位置的太阳赤道纬度，为小区所在位置的纬度，ω为太阳时角，以当地正午为0°；上午为负，每时-15°；下午为正，每时+15°。
太阳高度角在不同季节变化情况不同，因此，作为优选，本发明中传感器节点定时采集环境信息的时间间隔可以依据季节进行调整。通常情况下该时间间隔为1.5～1.5小时。
本发明还提供了一种基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，包括如下步骤：
(1)定时采集各个楼宇的外界环境信息，所述各个楼宇的外界环境信息包括小区内每单元的一楼处的温度、湿度和光照强度；
(2)根据所述的外界环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。
其中，所述步骤(2)中对应时刻小区所在位置的太阳高度角通过如下公式计算得到：

其中，hs为太阳高度角，δ为小区所在位置的太阳赤道纬度，为小区所在位置的纬度，ω为太阳时角，以当地正午为0°；上午为负，每时-15°；下午为正，每时+15°。
作为优选，所述步骤(2)具体如下：
(2-1)根据太阳高度角和当地历史气象数据计算当前时刻的室内空气综合温度；
当地历史气象数据为当前时刻之前一段时间内的历史气象数据，本发明中至少为当前时刻前两周内的历史气象数据。
(2-2)针对每一个单元，根据当前时刻的室内空气综合温度以及该单元一楼处的温度确定当前的天气是否对阴影产生影响：
(a)若有影响，则集中供暖；
(b)否则，判断当前时刻该单元是否进入阴影，并根据判断结果以及当前时刻该单元对应的外界环境信息采用模拟退火算法计算每一户的实际所需供暖量以进行供暖控制。
本发明中步骤(2-1)通过如下步骤计算当前时刻该单元的室内空气综合温度：
(2-11)根据当地历史气象数据和各个历史气象数据对应时刻的太阳高度角构建该单元的室内温度模型；
本发明中得到室内温度模型为：
T0=a*∠sun*ραw+b,]]>
其中，T0为室内空气综合温度，∠sun为太阳高度角，ρ为墙体的吸收系数，αw为墙体外表面对流换热系数，a，b为天气因素反映对室内温度影响的拟合参数，通过拟合得到。
ρ和αw取决于墙体材料等外界物理因素，为已知量。
(2-12)利用所述的室内温度模型根据当前时刻的太阳高度角构建计算当前时刻该单元的室内空气综合温度。
所述步骤(2-2)针对每一个单元，若满足以下三个影响条件中的任意一个，则确定当前的天气对阴影产生影响，否则，确定当前的天气对阴影产生影响；
影响条件如下：
条件1：H>HR，
条件2：若HS<H<HR，且T<TS，
条件3：若H<HF，且I<IF，T<T0，
其中，H、T和I分别为当前时刻该单元对应的湿度、温度和光照强度；HR为下雨湿度阈值，HS和TS分别为下雪湿度阈值和温度阈值，HF、IF分别为雾霾湿度阈值和光照强度阈值，T0为当前时刻该单元的室内空气综合温度。
所述步骤(b)中通过如下方法判断当前时刻该单元是否进入阴影：
若该单元所在栋内各个单元的温度和光照强度满足如下条件：
(b1)除该单元以外，其他各个单元对应的温度和室内空气综合温度的 偏差在10％以内，
(b2)该单元的光照强度比其余各个单元的光照强度的小，且与其余个单元的光照强度偏差大于30％，
则判断结果为当前时刻该单元进入阴影；
否则，判断判断结果为当前时刻该单元未进入阴影。
所述步骤(b)中当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度和光照强度采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量。
所述步骤(b)中当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度、光照强度以及进入阴影的时间采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量。
模拟退火算法来源于固体退火原理，将固体加温至充分高，再让其徐徐冷却，升温时，固体内部粒子随温升变为无序状，内能增大，而徐徐冷却时粒子渐趋有序，在每个温度都达到平衡态，最后在常温时达到基态，内能减为最小。因此该算法在对温度进行搜索寻优时具有天生的优势。而且在面对大量复杂的随机参数时，模拟退火算法能有效地避免陷入局部极值的情况发生。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
通过实时采集每一栋楼宇当前所处的光照、温度、湿度以及受相邻楼影的覆盖影响，准确的估算出每一栋每一层住户当前所处的温度环境，再集总数据，通过模拟退火算法，对每一户实施有针对性的，准确的供暖。在保证住户生活环境舒适的基础上，最大程度节约能源。
附图说明
图1为本实施例的基于分布式传感网络的小区供暖控制系统。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
一种基于分布式传感网络的小区供暖控制系统，包括若干用于定时采集各个楼宇的外界环境信息的传感器节点，以及服务器。
服务器根据传感器节点采集到的环境信息，以及对应时刻小区的所在位置的太阳高度角计算各个小区内每户实际应供暖量以进行供暖控制。
每个传感器节点包括温度传感器、湿度传感器和光照传感器。相应的，环境信息包括各个传感器节点安装位置处的温度、湿度以及光照强度。
为达到为每一户供暖的实时精确控制，传感器节点与楼宇中的各个单元一一对应。此外，由于现有的小区中各个单元均装有门口机，为便于实现，本实施例中各个传感器节点集成于门口机中。
如图1所示，本实施例的小区供暖控制系统包括两栋楼宇，分别为楼宇A和楼宇B，每栋楼宇具有四个单元，每个单元对应的门口机依次为门口机(一)，门口机(二)，门口机(三)和门口机(四)，各个门口机和服务器通过以太网/Wifi/3G/4G进行通信连接。
本实施中门口机基于单片机实现控制功能，还设有Wifi/3G/4G通信模块进行无线通信。
每栋楼宇对应设有与服务器进行通信连接的供暖控制器。
为节省成本，直接采用小区的内网进行通信，由小区内的服务器统一分配控制任务到供暖控制器，再由每组的楼内服务器(是否就是供暖控制器，若是中央空调控制，则提供给供暖控制器，若是各户自行控温，则由门口机将数据分发给各户，各户自行完成控温)分配给各个单元门口机和单元供暖控制，而现有的小区中楼宇A的控制器以楼宇B的供暖控制器作为中继与服务器通信。
由于传感器节点是定时采集环境信息，即说明传送给服务器的环境信息中实际上包含有时间信息(即有时间戳)。因此，服务器接收到传感器节点采集到的环境信息后首先确定该环境信息的对应的获取时刻，然后计算对应时刻小区的所在位置的太阳高度角，计算公式如下：

其中，hs为太阳高度角，δ为太阳赤道纬度，为测点纬度，ω为太阳时角，以当地正午为0°；上午为负，每时-15°；下午为正，每时+15°。
太阳高度角在不同季节变化情况不同，因此，本实施例中传感器节点定时采集环境信息的时间间隔可以依据季节进行调整。通常情况下该时间间隔 为1.5～1.5小时。
为便于进行通信传输，实际应用时，可将同一栋楼宇中各个单元的传感器节点采集到的环境信息数据线打包后作为一个整体发送给服务器，即每一幢(栋)楼宇对应一个父节点，以该幢楼宇中各个单元的传感器节点集作为子节点，各个子节点直接与相应的父节点通信，将采集到的环境信息发送给父节点，由父节点作为中转，统一发送给服务器。其中子节点与相应的父节点、父节点与服务器之间通过以太网/Wifi/3G/4G进行通信连接。
利用基于分布式传感网络的小区供暖控制方法，包括如下步骤：
(1)定时采集各个楼宇的外界环境信息，所述各个楼宇的外界环境信息包括小区内每单元的一楼处的温度、湿度和光照强度；
(2)根据所述的环境信息，以及对应时刻小区所在位置的太阳高度角对小区进行供暖控制。
本实施例中步骤(2)中对应时刻小区所在位置的太阳高度角通过如下公式计算得到：

其中，hs为太阳高度角，δ为小区所在位置的太阳赤道纬度，为小区所在位置的纬度，ω为太阳时角，以当地正午为0°；上午为负，每时-15°；下午为正，每时+15°。
所述步骤(2)具体如下：
(2-1)根据太阳高度角和当地历史气象数据计算当前时刻的室内空气综合温度，具体如下：
(2-11)根据当地历史气象数据和各个历史气象数据对应时刻的太阳高度角构建该单元的室内温度模型；
本实施例中得到室内温度模型为：
T0=a*&angle;sun*ραw+b,]]>
其中，T0为室内空气综合温度，∠sun为太阳高度角，ρ为墙体的吸收系数αw为墙体外表面对流换热系数，a、b为天气因素反映对室内温度影响的拟合参数，通过拟合得到。
(2-12)利用该室内温度模型根据当前时刻的太阳高度角构建计算当前时刻该单元的室内空气综合温度。
当地历史气象数据为当前时刻之前一段时间内的历史气象数据，本实施例中为当前时刻前两周内的历史气象数据。
(2-2)针对每一个单元，根据当前时刻的室内空气综合温度以及该每单元一楼处的温度确定当前的天气是否对阴影产生影响：
(a)若有影响，则集中供暖；
(b)否则，判断当前时刻该单元是否进入阴影，并根据判断结果以及当前时刻该单元对应的外界环境信息采用模拟退火算法计算每一户的实际所需供暖量以进行供暖控制。
根据判断结果计算每一户的实际所需供暖量方法如下：
当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度和光照强度采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量；
当判断结果为当前时刻该单元进入阴影，则根据该单元对应的温度、湿度、光照强度以及进入阴影的时间采用模拟退火算法计算该单元内各户的实际供所需暖量。
本实施例中步骤(2-2)针对每一个单元，若满足以下三个影响条件中的任意一个，则确定当前的天气对阴影产生影响，否则，确定当前的天气对阴影产生影响；影响条件如下：
条件1：H>HR，
条件2：若HS<H<HR，且T<TS，
条件3：若H<HF，且I<IF，T<T0，
其中，H、T和I分别为当前时刻该单元对应的湿度、温度和光照强度；HR为下雨湿度阈值，HS和TS分别为下雪湿度阈值和温度阈值，HF、IF分别为雾霾湿度阈值和光照强度阈值，T0为当前时刻该单元的室内空气综合温度。
本实施例中步骤(b)中通过如下方法判断当前时刻该单元是否进入阴影：
若该单元所在栋内各个单元的温度和光照强度满足如下条件：
(b1)除该单元以外，其他各个单元对应的温度和室内空气综合温度的 偏差在10％以内，
(b2)该单元的光照强度比其余各个单元的光照强度的小，且与其余各单元的光照强度偏差大于30％，
则判断结果为当前时刻该单元进入阴影；
否则，判断判断结果为当前时刻该单元未进入阴影。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。