浅谈基于WSN低碳型智能地铁站能量管理系统设计

　　一、引言
　　随着地铁建设的不断发展，我国各大城市地铁线路和地铁站数量不断增加，地铁站规模的不断扩大及其内部配套设施也日趋完善，这使得地铁系统的能量消耗不断增加。因此，实现地铁站的节能对整个轨道交通系统的节能工作至关重要。目前，地铁站能耗设备的节能管理方面仍存在许多的缺点与不足，如空调系统部分虽有了集中的控制与调节，但未能根据实际情况而做出更人性化的调节与控制;照明系统部分缺乏智能控制，未能根据实际应用情况做出节能调节;电梯、自动扶梯虽然自身具有一定节能设计，但仍存在着较大的局限性等。针对存在的问题，本文设计一个基于WSN低碳型智能地铁站能量管理系统，以实现对地铁站能耗的集中管理，从而达到有效节能的效果。
　　二、地铁站能耗情况分析
　　(一)地铁站能耗分布
　　地铁系统运营过程中最大的能量消耗包括车载的运行能耗和地铁车站的能耗。据不完全统计，地铁车站能耗是地铁系统的主要能耗构成，大约占地铁系统总能耗50%。随着科技的快速发展，人们的安全意识也在不断增强，地铁车站的能耗呈现着不断增长的趋势。如地铁车站使用了一系列为人身安全而设计的设备和设施，例如安全门、屏蔽门、防火设备等。与此同时，为了旅客乘车的方便，地铁站还设置了相应的信息装置等，这些设备以及设施都在各种程度上增加了地铁站的能耗。
　　可以看出，地铁站主要的能耗设备包括空调系统、照明系统、电梯及自动扶梯等车站设备。
　　(二)地铁站能量管理存在的不足
　　目前，我国在地铁运营中引进了BAS(BuildingAutomationSystem)系统，该系统虽实现了对各设备的一般控制，保证了各耗能设备的正常运行，并在节能方面也起到了一定的作用，但仍存在着明显的不足。首先，该系统缺少一种立足于全局、针对地铁站整体区域内用电设备的综合能耗统计分析以及调度控制的方法。其次，该系统对中央空调系统的节能控制方法是通过增加控制器数量来实现对某一部分的节能控制，这种方法从整个系统的角度看不够全面而且不太合理。例如，地铁站某一时段无人或人较少时，地铁站的设备却仍然是全力开着，这样就算设备的运行效率非常好，此时设备所输出的能量也没有被有效利用，甚至可以说完全浪费。之所以会出现这样的情况，是因为采用的BAS系统并没有考虑到中央空调的各个系统之间是彼此关联的，并非完全独立。也就是说，其节能主要是限制在对局部的优化，而未考虑到输出的能量是否能被有效利用。从一个整体系统的角度看，我们想要达到的是系统整体能量效率的一个最优化。因此，需要一个能够基于全局以及系统观念的节能系统。
　　此外，对于地铁车站的用电设备，例如照明系统、电梯及自动扶梯系统、自动检售票系统AFC等，目前所采用的均是统一时间打开、统一时间关断的方式。例如，每天早上五点半时特定工作人员便将所有的设备打开，到了晚上十一点半时又统一关断，而在这一整天中不管是人员活动高峰时段还是无人之时，所有这些车站设备均处于时刻运行的状态，这又造成了另一严重的能源浪费。目前我国虽然针对性地采取了一定的节能措施，但都局限在局部的节能，没能够从更大程度、更大范围的角度考虑节能，因此，地铁站的节能工作仍是一项长期任务。
　　三、能量管理系统的结构及工作原理
　　(一)系统结构
　　能量管理系统根据其功能的情况划分为三个子系统:能量的检测与控制子系统、通信网络子系统以及能量管理与调度子系统。
　　1.能量的检测与控制子系统。该部分由大量传感器节点组成，而这些分布的传感器节点是系统的末梢神经与执行部件，具有各异的检测及控制功能，主要负责检测地铁站能量的实际使用情况，控制车站设备的能量供给。
　　2.通信网络子系统。由WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)组成。该部分传感器节点具备无线通信功能，能够自组织地形成带有通信功能的无线网络。这些拥有着检测与控制作用的传感器节点自行组织在一起而构成了多个不同区域的监测与控制网络，通过以太网与远端的能量管理服务器相连，组合成为更大的多级通信网络，从而把各个子系统连接起来变成一个整体的神经网络。
　　3.能量管理与调度子系统。在能量检测的基础上，对能量进行按需的动态分配与优化调度。
　　(二)系统工作原理
　　首先，通过能量的检测与控制子系统检测地铁站相关能量参数，比如站厅或站台的照度、温度与湿度，灯具及风机的开关状态，人员的活动情况，其他车站设备应用情况等。采集的数据经通信网络子系统传送到系统的远端能量管理服务器。该服务器具备数据库功能，有着强大的数据分析能力以及数据处理能力，其接收到数据后先存入数据库，通过数据分析与处理获得能量的传输效率、利用效率及能量需求。然后，根据能量效率及能量需求，利用相关能量管理策略从而制定能量调度任务。最后，通过通信网络子系统将相应的能量分配与调度信息传达到各传感器节点，从而对有关设备的用能进行控制。例如车站照明系统及空调系统部分，感知传感器如果感测到有人，这时候节点将进行能量各参数的数据采集，包括采集地铁站(站厅或站台等)的光照度、温度、人的活动情况、风机或者照明设备的开关状态等，随后这些数据通过通信网络传送给服务器。服务器对地铁站(站厅或站台等)光照度与设定照度的差值、温度与设定温度的差值、人员活动频度等进行分析:若当前光照度较设定值低，说明需要加大照明;若当前温度较设定值高，说明需要加大冷气。服务器将根据有关算法获取该区域实际所需要的能量值(如多少冷量)，而后根据实际需求将能量控制命令发布给地铁站(站厅或站台等)的传感器节点，控制打开风机或者照明设备，如需加大冷气，则给冷冻泵下达能量调度信息，增加冷冻泵的冷量输出，实现在能量合理利用并且环境温度适中、舒服的基础上达到一个能量供需的平衡。又如自然光能够满足实际需要时，节点能够调节灯管亮度变低或者是直接关闭照明设备。假如感知传感器感测到无人时，能够自动将风机与照明设备关闭，从而实现节能。
　　四、系统的硬件组成及软件功能
　　(一)系统的组成
　　构建基于无线传感器的地铁站能量管理系统，将地铁站的各个主要用电设备进行无线网络连接，采集及分析用电设备的运行状态，统计出车站设备用电状态及能耗，并给出最优节电方案及实现措施。
　　ARM(S3C2410A)模块处理人机界面和记录工作。用户可以通过人机界面设定系统所需要的各种参数，将各个节点采集的数据进行汇集、分析、显示、存储、处理，向上可实现对外部网络的连接，为远程控制的实现提供便利，而向下可与各子系统间进行通信。
　　CC2538(基于ARMCortexM3的MCU)组建各子系统协调器及控制器节点，是系统的主要组成部分。CC2538实现两部分功能，一是实现ZigBee终端节点功能，将各种类型传感器数据进行采集、存储，并实现对终端设备的控制;二是实现ZigBee网络协调器功能，采集各终端的设备数据，并负责建立基于Zigbee的无线网络连接。
　　(二)系统的软件功能
　　1.上位机主要是将子节点采集到的各种信息进行翻译、存储、显示，将控制信息经过处理后，发送到子节点执行，从而实现对整个系统的控制和监测。
　　2.协调器是整个网络的关键部分，它的主要任务是负责网络的启动、发现在它所及范围里面的终端节点，组织节点，然后逐个为节点分配网络地址。协调器按照命令要求，完成各个终端节点传输的各类数据的接收工作，并对数据进行处理，同时向上位机传输数据。
　　3.ZigBee终端节点将各种传感器所采集到的各种不同类型的数据发送到协调器节点，ZigBee终端节点一启动便开始进行硬件以及协议栈的初始化，而在协议栈初始化的过程中依照任务的优先等级给所有的任务进行空间的分配。终端节点能够完成网络自动的搜索以及加入网络的功能，在终端节点自动加入网络时，将向协调器节点发出请求绑定的信息，然后等待协调器节点的绑定响应。如果成功，则绑定完成，进而构建起了与协调器之间的通信，并且在绑定成功后，终端节点会定时地将数据发送到协调器。
　　五、结论
　　基于WSN低碳型智能地铁站能量管理系统，采用了基于ZigBee的无线网络，构建的能量管理系统对地铁站车站设备能耗情况实行统一检测、分析、管理与调度，从而实现了对地铁车站的真正节能，可见该系统具有显著的节能效果。随着轨道交通行业的不断发展，将系统节能思路扩展到地铁线路、车辆站段等轨道交通行业，将有着巨大的发展空间。