基于开源平台和物联网的建筑能源改造环境监测系统外文翻译资料

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基于开源平台和物联网的建筑能源改造环境监测系统

摘 要

本文介绍了一个基于开源平台和物联网的低成本建筑环境监测系统的设计与开发。为了实现这一目标，采用了带有传感器的无线微控制器来采集环境数据。从传感器获得的信息被收集并存储在闪速存储卡中，并且同时经由WiFi被发送到云。这些数据存储在一个在线电子表格中，允许我们实时访问这些信息。

另一方面，对从传感器获得的结果进行了比较分析，并因此制定了若干指导方针，以便为每个项目选择最合适的环境传感器。最后，通过分析该装置的能量性能并提供与数据存储及其开发成本相关的信息，对该装置进行了额外的评估。

当前的研究表明，开发建筑行业监控系统的能力是明显的，这种能力也可以扩展到智能环境的多个应用。通过这些平台开发项目将使未来的研究能够解决监测活动中的现有障碍。

关键词：建筑和环境监测；发展自由；室内空气质量；物联网；开源平台

1. 简介

如今，城市正经历着根本性的运营变革。这些被称为“智能城市”的新模式旨在通过使用信息和通信技术（ICT），利用收集到的周围环境数据，改善公民的生活质量 [1] 。这种新的情况使公民能够与构成城市的新智能元素（如基础设施、建筑和建筑 [SICB] ）进行更多的互动。由于其影响，这一现象引起了学术界和学术界的极大兴趣 [2] 。

此外，物联网（IoT）是支持智能城市及其综合集成银行实现这些目标的重要技术之一。优化交通 [4] 和停车管理 [5]，开发漏水检测 [6] 和管理系统 [7]，改进建筑物 [8] 或冰箱 [9] 等电器的能源性能，这些都是该技术应用于城市建筑和服务的不同规模的例子

在SICB背景下，建筑是欧洲能源的主要消费者之一。该部门目前占最终总能源消耗的40%，因此，其改进有助于实现能源目标 [10] 。2009年，建筑中68%的最终能源消耗在欧洲家庭中。住宅中的这种能源消耗是由于供暖、冷却、热水、烹饪和电器造成的，然而主要的用途是空间供暖，占住宅消耗的70% [11] 。

三分之一的住宅建筑建于1960年以前，近84%的住宅建筑至少有20年历史 [12] 。₂考虑到建筑物的使用年限与能耗密切相关，按照新标准翻修建筑物的围护结构，具有很大的节能和减少CO排放的潜力。住宅行业的年增长率约为1%，而大多数国家近年来的新建筑建造率正在下降，这反映了当前金融危机对建筑行业的影响 [11] 。新建筑可以按照新的高标准建造，但目标是改善现有的条件建筑物这些代表了绝大多数的建筑存量，其中低能耗的城市建筑占主导地位，因此需要能源优化。

在能源翻新中，考虑的一个方面是对建筑物的监测，作为优化这种类型的内部设施的工具。其中的主要原因是，这允许对翻新过程之后获得的改进程度进行定量比较，特别注意诸如能耗、内部舒适度、空气质量或热包络的特性等特征参数。然而，有些时候这些监测活动由于成本过高和需要的资源超过大多数项目的规模而无法开展 [13] 。

另一方面，与开放软硬件应用趋势密切相关的研究方向之一就是开放软硬件的应用趋势。其中一个分支是众所周知的开放源码平台（OSP），由于它与社区共享知识，OSP允许开发自主开发的项目 [14] 。此外，使用这种技术的一个应用是环境监测 [15] 。这使得与建筑物的环境行为相关的研究能够以更容易的方式进行，从而促进决策过程。

研究小组以往在建筑能源监测 [13,16,17] 和审查最新技术水平 [18-24] 方面的经验使人们能够发现某些差距、问题和新的备选方案。具有有限数量的测量变量、高采集成本、低数据存储容量、需要使用不同的平台或设备来执行测量或不能实时查阅记录的数据的监测设备通常是监测活动中提出的一些最常见的问题。这些原因推动了以下重新搜索的发展，目的是为了解决监测点的现有挑战。对它和智能城市地区创新系统的开发而言，上述新兴工具和技术的结合已成为必不可少的。

本文的目的是建立一种自主开发的监测模式，以跟踪建筑物的环境状况，并使其适用于其他智能环境。它基于OSP并采用IoT将数据即时发送到云。本文重点介绍了该监控设备的设计与开发，并给出了在实际案例中实现该监控设备的适用性。这将测试将其作为一种工具应用于在价格、部署、连接和传输数据的便利性以及开发自由发挥重要作用的大型项目中进行监控的机会。

2. 背景

2.1. 建筑物监测

建筑物监控是一个非常有用的工具在多个领域。在国内层面上，家庭能源监控和自动化可以通过对其电器的概述，使消费者更明智、更合理地利用能源 [25] 。然而，这项研究对于不同的目的是有价值的。开发热特性化方法 [17] 或使用诸如用于建筑物能量模拟的校准和验证的馈送数据等信息 [26] 是其他形式的监测用途的明确例子。

在国内部门，监测的目标之一是通过向用户提供有关能源问题的信息来减少能源消耗。根据Darby[27]的观点，这一信息基于三个原则：对能源使用的认识、用户行为的改变以及在解释现有反馈之后对能源消耗发生的变化的理解。同一作者指出，在绝大多数情况下，能源用户看不到家庭消费。这就是为什么他分析了不同类型的反馈作为学习工具对租户能量行为的影响。它显示了通过“提供实时电表读数”实现的直接反馈如何实现5-15%的节能，而通过间接反馈（计费）获得的节能为0-10%。

正如Shaikh[28]的研究表明的，“一般认为，没有意识到的活动也可以增加三分之一的建筑物的能源性能。”此外，通过在建筑物中使用智能自动化，可以实现30%的潜在节能。

简而言之，毫无疑问，测量和自动化的优势，以及其实施对于所有利益相关者（租户、建筑技术人员、能源经理、研究人员、政策开发人员等）对建筑物的能源优化的极大兴趣。然而，尚未实现的挑战(互操作性、安全性、成本、传感器开发潜力和缺乏信通技术基础设施)[29]阻碍了其大规模有效应用的目标[10、30、31]。这就是为什么今天我们需要更多具有大规模部署能力的开放工具。

2.2. 物联网

物联网（IoT）被称为下一次工业革命或互联网的下一次发展。它将影响企业、政府和消费者如何通过互联网连接的传感器、摄像头、手持设备、智能手机和其他智能IoT设备与物理世界交互。根据Cisco[32]的说法，IoT只是连接到互联网的“事物或对象”多于连接到人的时间点。该公司指出，这一点发生在2008至2009年间，智能手机和平板电脑的使用呈指数级增长。

IoT理念的主要力量是它将对日常生活的各个方面和潜在用户的行为产生高度影响。IoT是一种旨在提高日常设备连接性的技术范例。这就是为什么在未来几年，这种类型的技术的增长和使用将会因其在多个领域的应用而呈指数级增长。据预测，到2020年，目前估计使用的64亿IoT设备总数将达到208[34]-50[32] 亿。

IoT围绕着机器对机器（M2M）通信的增加而旋转，无线通信包括集成的传感器和交流调节器，这些传感器和交流调节器可以帮助用户远程监控和控制设备，并且可以方便地进行监控。在这种新的范式中，智能设备将收集数据、相互传输信息或上下文，并利用云计算和类似的技术协同处理形成过程。最后，要么提示人类采取行动，要么机器本身将自动行动。这种范式转变为工程创造了许多挑战和机遇 [36] 。

鉴于监测部门的重要性以及未来几年IoT的增长趋势，若干公司在该部门不断取得进展。此外，可用作存储、可视化和共享数据的工具的因特网服务器 [38-41] 的列表正在扩大，从而使其能够在监测方法方面迈出进一步的一步。

总之，IoT是许多工作领域和重新搜索的必要工具。同时，与OSP相结合的IoT将转变为一种强大的技术，允许用户开发系统，并实时了解和决策周围的环境。正如我们所指出的，这一方面在最近的时代已经成为头等大事。

3. 研究

Atzori等人 [33] 指出，对促进物联网作出的任何重大贡献都必须是在不同知识领域开展协同活动的结果。在此外，由于OSPs是一个研究工具，并且除了允许项目开发方面的完全自由外，还被认为适合与IoT结合用于开发建筑物监测项目。

本节介绍了所开展的研究工作，并对以下各节的研究结果和结论进行了介绍。本节将显示的第一个方面包括在整个研究过程中进行的方法。在此之后，将介绍开发监控设备所遵循的过程。最后，给出了用该设备进行监测试验，以验证其在真实条件下的正确运行情况。

图1. 研究期间采用的方法流程图

3.1. 方法

本研究采用的方法和步骤由图1. 它由三个不同的阶段组成。

最初阶段从澄清哪些是监测的目标和要满足的挑战开始。这一步骤非常重要，因为它将决定调查的前进方向。随后，有必要对现有技术的现状进行审查，以促进质量研究，并利用关于该主题的现有知识滋养自己。

下一阶段包括进行物理监测的所有必要步骤，从拟议设备的设计和组装到建筑物内设备的收集。该阶段包括在线实时监测记录的参数，以查看它们的演变并检查其正确操作。

在最后阶段，一旦从设备收集数据，我们就开始确认存储在设备的物理内存，这些内存记录在云中。然后对结果进行分析，目的是获得不同评价参数之间的关系，检测模式的存在，并对记录值进行统计评价。

一旦对研究结果进行了分析，即可得出研究结论，并为今后的监测工作提出补充或改进意见，从而总结研究成果。

3.2. 原型的开发

目前市场上的测量系统和传感器种类繁多，具有不同的复杂程度和功能。最佳解决方案的选择是一个挑战，它取决于多种因素和监测需求 [29] 。在现有情况下，待开发的设备应满足以下要求：

• 是一个非侵入性的系统。
• 是一种低成本的开发设备。
• 拥有开发设备以满足特定需求的自由。
• 具有无线数据传输功能。
• 在失去无线连接和/或失去电源的情况下具有数据收集安全性。
• 具有较高的数据存储容量。
• 提供现场和在线实时查阅记录数据的可能性。

考虑到上述需要，开发了满足这些要求的装置。系统主要由一个具有两种功能的微控制器组成。

一方面，它将管理来自通过不同协议与微控制器通信的不同传感器的输入。第二个功能是允许查阅和分析所收集的信息。为此目的，提出了三种类型的二进化论产出。

首先，为了向用户提供直接信息，已经布置了OLED屏幕以允许查阅所收集的现场信息，从而显示实时登记的值。其次，原型通过microSD卡配备了存储系统，允许安全地存储感官信息。使用这种方法的优点之一是我们提供了一个大容量的存储系统，并且使用户和技术人员可以方便地访问数据，因为它是一种常用和广泛使用的标准。最后，为了访问来自任意位置的信息，通过将信息经由WiFi从微控制器经由路由器传输到GoogleDriveSpreadform存储系统来使用IoT平台。为此，执行了一系列步骤。第一个步骤包括使用编程代码将记录的变量与微控制器和传感器转换为文本字符串，并使用变量分隔符元素以随后方便数据处理，在这种情况下是元素“；”使用。随后，通过编程代码，通过GET生成web请求，该GET除了包含先前生成的文本串之外，还添加必要的数据以能够传输信息(主机、标识码和安全码)。最后，文本字符串到达电子表格，在那里它们被转换回数值，变量通过前面的分号分隔符在列中排序。使用电子表格的原因是因为它是一个广泛使用的、可自由访问的平台，允许授权用户实时收集、显示和共享注册的信息。图2示出了实时记录在Google平台上的具有开发的原型的数据的示例。

我们要指出的是，对于传感器的选择，除了数据采集的准确性外，我们还考虑了类型

图2. 通过Google电子表格的云服务提取同时收集的数据

使用的通信协议和所需连接的数量。也就是说，一般而言，每个传感器单元需要连接到板，因此根据可用板输入的数量，可以使用的传感器的数量存在限制。然而，由于融合了OSPs的数字功能，趋势是采用使用“集成电路间”（I2C）通信协议的传感器。这种协议的一个特点是它可以通过两条连接线在微控制器和传感器之间传输信息。第一个引脚用于负责数据传输的串行数据 (SDA)，第二个引脚是负责指示数据读取时间的串行时钟 (SCL) 。因此，该协议允许通过最多128个设备的相同串行总线并行连接，因为每个组件具有两位的唯一地址。这使得可以减少将传感器连接到微控制器所需的引脚数，从而避免使用多路复用系统或几个互连的微控制器。

就板的选择而言，现在基于Raspberry [42] 和基于Arduino [43] 的是两个最常用的平台。虽然前者的容量和功率都很大，因为它是由一台小型单板机组成的，但同时它的操作需要一个操作系统，因此项目的复杂性增加了。另一方面，Arduino平台允许以非常简单的方式开发项目，因为它简化了对输入和输出的控制，并且在要求非常高可靠性的应用中具有优于Raspberry的优势，因为它的操作由微控制器控制 [44] 。由于项目的性质，只需要控制数据的输入和输出，它将基于Arduino平台。最后，开发板必须能够开发IoT专业，因此，开发板必须集成WiFi连接，从而避免使用屏蔽或加密狗，同时还要安装所需的硬件。

所开发的数据采集系统的具体特点如下：

• 电子板：它基于功能强大的ESP- 8266 WiFi mi-croController。它是一个32位处理器，运行速度在80Mhz到160 Mhz之间，具有4Mb的闪存。该板有11个数字I/O引脚，1个模拟输入引脚，其尺寸为34.2 times; 26.6mm。它可以通过微型US

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