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

A.Martiacute;n-Gariacute;n^a,⁎，JAMillaacute;n-Garciacute;a^a，A.Baiuml;ri^b，J.Millaacute;n-Medel^c，JM Sala-Lizarraga^d

摘要

本文涉及低成本建筑环境监测系统的设计和开发，它基于开源平台和物联网。为了实现这一目标，已经使用具有附加传感器的无线微控制器来收集环境数据。从传感器获得的信息被收集并存储在一张闪存卡中，并且同时通过WiFi发送到云端。此数据存储在在线电子表格中，允许我们实时访问信息。

另一方面，对从传感器获得的结果进行比较分析的方法已经被实施了，由此为每个项目选择最合适的环境传感器制定了若干指导指南。最后，通过分析其能源性能并提供与数据存储及开发成本相关的信息，对设备进行了额外的评估。

目前的研究表明，开发建筑行业监控系统的能力很强，也可以扩展到智能环境的多种应用。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. 介绍

如今，城市正在经历着激进的运营改革。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）收集有关周围环境的数据来改善公民的生活质量[1]。这种新情况使公民能够更有效地与构成城市的新智能元素经行交互，例如基础设施，建筑和建筑物（SICB）。由于其影响，这一现象引起了学术界和工业界的极大兴趣[2]。

此外，物联网（IoT）使支持智慧城市及其SICB实现这些目标的重要技术之一[3]。交通优化[4]和停车管理[5]，漏水检测[6]和管理系统[7]的发展，建筑物[8]或冰箱等设备[9]的能源性能改善是该技术应用于城市建筑和服务的不同规模。

在SICB范围内，建筑物是欧洲能源的主要消费者之一。该部门目前占最终总能源损耗的40%。因此，其改进有助于实现能源目标[10]。在2009年，建筑物中使用的最终能源的68%是在欧洲家庭消费的。家庭能源消耗是由于供暖，制冷，热水，烹饪和电器，但主要用途是空间供暖，占住宅消耗量的70%[11]。

所有住宅建筑中有三分之一是在1960年之前建造的，而且将近84%是至少有220年历史的建筑[12]。考虑到建筑物的年龄与其能源消耗密切相关，建筑围护结构的翻新达到了新的标准，这使得能源和CO₂排放节约的潜力巨大。住宅部门的年增长率约为1%，而近年来大多数国家的新建筑建设率正在下降，这反映了当前金融危机对建筑业的影响[11]。新建筑可以按照新的高标准建造，但目标是改善现有条件的建筑物。这些代表了低能建筑占主导地位的建筑群的绝大部分，因此需要能源优化。

在能源翻新中，预期的一个方面是监测建筑物作为优化这种类型干预的工具。除其他以外，主要的原因是这允许对翻新过程后所获得的改进程度进行定量比较，特别注意特征参数，例如，能源损耗、内部舒适度、空气质量或热包洛特性等。但是，有时这些监测活动由于成本过高而无法进行，因为它们需要的资源超过大多数项目的能力[13]。

另一方面，其中一个具有重要意义的研究领域与开发软件和硬件的应用趋势有关。其中一个分支是著名的开源平台（OSP），它允许开发自行开发的项目，这要归功于它与社区的共享知识[14]。此外，该技术的应用之一是环境监测[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，这反过来又有助于决策过程。

建筑能源监测研究小组以前的经验[13,16,17]和现有技术的回顾[18-24]使得可以发现某些差距，问题和新的替代方案。监测设备具有测量变量数量有限，购置成本高，数据存储容量低，需要使用不同平台或设备进行测量或无法实时查阅记录的数据的监测设备通常在监测运动中提出的一些常见的问题。这些原因推动了以下研究的发展，目的是解决监测部门的现有挑战。为此，在智能城市区域内开创新系统，上述新兴工具和技术的结合变得至关重要。

本文的目标是构建一个自行开发的监控原型，以跟踪建筑物的环境条件，并使其适用于其他智能环境。它基于OSP，并使用物联网即时将数据发送到云端。本文重点介绍监测设备的设计和开发，并提供其在实际案例研究中的适用性。这将测试其监控大型项目的工具的可能性，其中价格，易部署性，连接性和数据传输以及开发自由的发展中起着至关重要的作用。

2. 背景

2.1．建筑监测

建筑物监测是多个领域中非常有用的工具。在家庭层面里，家庭能源监控和自动化可以通过概述其设备来激励消费者更有效，更明智地使用能源[25]。然而，该研究对于不同的目的是有价值的。热特征化方法[17]的发展或使用诸如用于校准和验证建筑物能量模拟的馈送数据的信息[26]是其他形式的监测使用的明显例子。

在国内部门，监测的目标之一是通过向用户提供能源问题的信息来减少能源消耗。根据Darby[27]的观点，这些信息基于三个原则：能源使用知识，用户行为的变化以及对可用反馈解释后能源消耗变化的理解。同一作者指出，在绝大对数情况下，能量用户看不到家庭消费。这就是为什么它对不同类型的反馈作为学习工具对租户能源行为的影响进行了分析。它展示了如何通过“提供实时仪表读数”得到直接反馈实现节能5-15%，与0-10%间接反馈（计费）相比。

正如Shaikh[28]的研究表明的那样，“通常可以感觉到，能源无意识活动也可以使建筑的能源性能增加三分之一。”此外，通过在建筑物中使用智能自动化可以实现30%的潜在节能效果。

简而言之，毫无疑问的是测量和自动化的优势，以及所有利益相关者（租户，建筑技术人员，能源经理，研究人员，政策制定者等）对建筑能源优化的实施的巨大兴趣。然而，仍未达到的挑战（互操作性，安全性，成本，传感器开发潜力和缺乏ICT基础设施）[29]阻碍了它们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功能的开发工具。

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。它将通过互联网连接传感器，相机，手持设备，智能手机和其他智能物联网设备，来影响企业，政府和消费者与物理世界的互动方式。根据思科[32]，物联网只是与人连接更多“事物和物体”的时间点。该公司指出，这一点发生在2008年至2009年期间，智能手机和平板电脑的使用呈指数级增长。

物联网理念的主要优势在于它对日常生活的各个方面和潜在用户的行为产生巨大的影响[33]。物联网是yizhong 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中，由于这种技术在多个领域的应用，这种技术的增长和使用将呈指数级增长。这是预计的增长，到2020年，目前估计使用的64亿物联网设备将增长到20.8[34]-50[32]亿。

物联网围绕着增加机器对机器（M2M）通信和无线，集成传感器和执行器。帮助用户远程有效地监视和控制设备[35]。在这个新的范例中，智能设备将收集数据，相互传输信息或上下文，并使用云计算和类似的技术协同处理信息。最后，要么提示人类采取行动，要么机器本身自动行动。这种范式转变为工程创造了许多挑战和机遇[36]。

考虑到监控部门正在发挥重要作用，并且考虑到未来几年物联网的增长趋势，一些公司正在不断推进该邻域的发展[37]。此外，因特网服务器清单[38-41]可以作为储存、可视化和分享数据的工具，从而使其能够在监测方法的方面采取进一步措施。

简而言之，物联网是许多工作邻域和研究的必要工具。与此同时，物联网与OSP相结合，转化为强大的技术，使用户既可以开发系统，又可以实时了解周围的环境并做出决策。正如我们所指出的那样，这方面在最近一段时间已经成为了至关重要的方面。

3. 研究

Atzori等[33]指出，任何对推动物联网的重大贡献，都必然是在不同知识领域开展的协同活动的结果。此外，由于OSP是一种研发工具[18]，除了允许项目开发的自由之外，与物联网一起用于开发建筑物监测项目被认为是合适的。

本节介绍了所进行的研究，结果和结论在以下章节中指出。本节中显示的第一个方面将包括整个研究中所采用的方法。之后将介绍监测设备开发所遵循的过程。最后，将介绍所研究的案例，其中使用设备进行监测测试以验证其在实际条件下的正确操作。

3.1． 方法

本研究中的方法和步骤由图1的流程图总结。它由三个不同的部分组成。

初始阶段首先分清哪些是监测中要实现的目标和挑战。这一步非常重要，因为它将决定调查的前进方向。在此之后，有必要对现有技术的现状进行审查，以促进质量研究和利用有关该主题的现有知识来滋养自己。

图1.研究期间采用的方法的流程图

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，从建筑物中的设备收集。该阶段包括对记录参数的在线实时，以查看其演变和检查其正确操作。

在最后阶段，一旦从设备中收集了数据，我们就会确认存储在数据中的数据的一致性，设备的物理内存与云端中内存。然后分析结果，目的是获得不同评估参数之间的关系，检测模式的存在并统计评估记录值。

一旦分析结果后，就能得到研究结论，并提出补充或改进发展，以便进一步监测，从而完成所进行的研究。

3.2． 开发原型

目前市场上有各种各样的测量系统和传感器，具有不同的复杂程度和功能。选择最佳解决方案是一项挑战，取决于多种因素和监测需要求[29]。在目前的情况下，要开发的设备应满足以下要求：

——是一个非入侵性系统。

——是一种低成本的开发设备。

——有自由开发设备以满足特定需求。

——有无线数据传输。

——在无线连接丢失和/或电源断电的情况下具有数据收集安全性。

——拥有高容量的数据存储。

——提供在实时现场和在线查阅记录数据的可能性。

考虑到上述需求，开发了一种满足这些要求的设备。主要是，该系统由一个具有两个功能的微控制器组成。

一方面，它将管理来自不同传感器的输入，这些传感器通过不同的协议与微控制器通信。第二个功能是允许查阅和分析收集的信息。为此，三种类型的差异化输出已经被提出了。

首先，为了向用户提供直接信息，已经设置OLED屏幕以允许对收集的原位信息咨询，显示实时登记的值。其次，原型通过microSD卡了存储系统，可以安全存储感官信息。使用此方法的一个优点是我们提供高容量存储系统，此外，我们使用户和技术人员可以轻松访问数据，因为它是一种常见且广泛使用的标准。最后，为了从任何地方访问信息，通过WiFi从微控制器通过路由器将信息传输到Google Drive Spreadsheets存储系统，使用了物联网平台。为此，采取了一系列步骤。第一种方法是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来方便数据处理，在这种情况下使用元素“;”。随后，通过编程代码，通过GET生成web请求，该GET除了包含先前生产的文本串之外，还添加了必要的数据以便能够发送信息（主机，识别码和安全码）。最后，它们达到电子表格的文本字符串，在它们电子表格中被转换回数值，变量按照前一个分号分隔符的列排序。使用Spreadsheets的原因是因为它是一个广泛使用室外，可自由访问的平台，允许授权用户实时收集，显示和共享注册信息。图2显示了使用开发的原型实时记录在Google平台的数据实例。

图2.通过Google Speardsheet 的云服务提供同时收集的数据

我们想指出的是对于传感器的选择，除了数据采集的准确性之外，我们还考虑了使用的通信协议和所需连接的数量。也就是说，一般而言，每个传感器单元都需要与电路板连接，因此根据可用电路板输入的数量，可以使用的传感器的数量存在限制。然而，由于结合了OSP的数字功能，趋势是采用使用“内部集成电路”（I2C）通信协议的传感器。该协议提供的一个特殊功能是它可以通过两根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），第二个引脚用于负责指示数据读取时间的串行时钟（SCL）。因此，此协议允许通过128台设备的同一串行总线并行连接，因为每个组件具有2⁷位的唯一地址。这使得减少将传感器连接到微控制器所需要的引脚数量成为可能，从而避免了多路复用系统或多个互联网微控制的使用。

关于董事会的选择，如今，基于Raspberry[42]和基于Arduino[43]的那些是最常用的两个平台。虽然前者具有大容量和大功率，因为它由一个小型单板计算机组成，同时它的运行需要操作系统，因此项目的复杂性增加。另一方面，Arduino平台可以非常简单地开发项目，因为它在控制输入和输出方面提供了便利，并且在Raspberry的应用中具有优势，因为被微控制器管理[44]它的操作需要非常高的可能性。由于项目的性质，它只查询对数据输入和输出的控制，它将基于Arduino平台。最后，电路板必须能够开发物联网项目，因此电路板必须提供集成的WiFi连接，从而避免使用屏蔽或加密狗，并化简所需的硬件。

所开发的数据采集系统的具体特点如下所示：

• • • • 电子板：它基于功能强大的ESP-8266 WiFi微控制器[45]。它是一个32位处理器，运行时间速度在80到160Mhz之间，带有4Mb的闪存。该电路板有11个数字I/O引脚，1个模拟输入引脚，其尺

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