通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统及方法与流程

本发明涉及针对VAV(Variable Air System)变风量系统的节能升级技术，尤其涉及通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统及方法。

背景技术：

VAV系统是一种可根据室内负荷变化或室内要求参数的变化，自动调节空调系统送风量，从而使室内参数达到要求的全空气空调系统。VAV系统追求以较少的能耗来满足室内空气环境的要求。其系统控制原理是：变风量控制器和房间温控器一起构成室内串级控制，采用室内温度为主控制量，空气流量为辅助控制量。变风量控制器按照房间温度传感器检测到的实际温度，与设定温度比较差值，以此输出所需风量的调整信号，调节变风量末端的风阀，改变送风量，使得室内温度保持在设定范围。同时，风道压力传感器检测风道内的压力变化，采用PI或者PID调节，通过变频器控制变风量空调机送风机的转速，消除压力波动的影响，维持送风量。

VAV空调系统的常用控制方式包括定静压控制、变静压控制和总风量控制。其中定静压控制保证系统风道内某一点(或几点平均)静压一定的前提下，室内所需风量由VAVBOX风阀调节；系统送风量由风道内静压与该点所设定值的差值控制变频器工作调节风机转速确定。同时，可以改变送风温度来满足室内舒适性要求。变静压控制在保证VAVBOX风阀尽可能的处于全开位置(85-100％)，系统送风量由风道内所需静压来控制变频器工作，调节风机转速确定。同时，可以改变送风温度来满足室内舒适性要求。而总风量控制通过改变送风量调整室内温度，并使送风与回风的差值保持恒定，以满足构筑物排风的需求。

传统VAV系统通常将楼宇划分成固定的区域，每个区域采用一个或几个VAV终端以区域温度为控制对象，根据区域温度设定点进行控制。每个VAV终端连接固定数量的通风口以覆盖一定面积，通风口一般不可控制。

VAV空调系统60年代起源于美国，70年代在欧美和日本得于广泛应用,90年代末才进入我国大陆地区，目前VAV的市场呈增长趋势。占有率方面：在美国高层建筑VAV系统使用率达90％以上，在香港90年代著名建筑中VAV系统的使用率在70-80％，同样在日本也得到了广泛普及使用。因此VAV技术是非常成熟而且是逐渐成为世界空调控制的主流方式。国外高档写字楼一般都是把VAV空调系统作为常规的必备系统而拒绝采用FC+新风系统,“让FC重新回到宾馆里去”正是这种情况的最好结论。国内高档写字楼的发展趋势也必将是VAV系统，因为VAV系统在技术、经济、灵活性、维护量小几个方面都具有无可比拟的优越性。它有巨大优势，在世界迅速发展。目前已占世界空调系统30％份额，并且成为空调发展的必然。目前国外高层建筑使用率已达95％。

但目前的这种传统VAV系统存在以下的缺点：

1、控制不够灵活，容易造成能量浪费，尤其在无人或者人很少的情况下，系统不能自动关闭或者调整设定点。一些传统系统采用红外技术感知是否有人，但通常无法给出人员的大概数量，无法做进一步的系统控制和优化。

2、跨越不同区域边界时，由于设定点的不同，通常会造成跨区域温度瞬间变化，使得体验变差。

3、传统的区域温度设定点是来自BAS或者本地手动调节的相对固定值，没有考虑老人、儿童和青壮年等不同人群对区域温度的不同适应性。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明为解决上述技术问题，提供了一种通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统及方法，改善传统VAV系统中人员跨区域的温度体验，节约能源，提高能源利用率。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统，包括：

移动节点，用于实时检测周围温度并向周围信标节点发送信息，该信息包括移动节点自己的标识号和检测到的实时温度值；

信标节点，接收周围的移动节点发送的信息，并向中心节点发送信息，该信息包括信标节点自己的标识号及其接收到的所有移动节点的信息；

中心节点，接收所有信标节点发送的信息，计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度，并发送给相应的VAV终端并对其实施控制。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，移动节点嵌入在随人移动的物件内，信标节点固定在每一个VAV终端的出风口位置。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，中心节点对VAV终端实施的控制包括控制VAV终端的制冷或制热，通过与VAV终端相连的通风口输出，向通风口覆盖的区域供风，认为没有接收到移动节点的信号的信标节点的位置附近无人，控制相应的VAV终端关闭或者采用默认参数。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，中心节点通过用户接口提供给用户为每个移动节点设置对应的温度设定点的功能，且根据系统设置判断用户的设置是否合理。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，中心节点通过系统管理员接口提供给系统管理员创建移动节点并分配标识号和权重值的功能，设置移动节点的温度设定点的范围的功能，设置系统模式制冷或者制热的功能，并检测移动节点间可能的设置冲突并处理。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，中心节点包括：

终端定位模块，将所有接收到一移动节点的信号的信标节点作为该移动节点的定位估计值，采用基于非测距的质心定位算法得到移动节点的范围并打开这一范围内的VAV终端。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，中心节点包括终端温度设置模块，其中终端温度设置模块进一步包括：

信标节点温度与权重计算单元，计算每个信标节点的温度、温度设定值及权重：信标节点的温度是与之对应的每个移动节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的温度设定点是与之对应的每个移动节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的权重是与之对应的每个移动节点的权重之和除以移动节点数量；

VAV终端温度和设定点计算单元，计算VAV终端的受控温度和温度设定点：VAV终端的受控温度是与之对应的每个信标节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，VAV终端的温度设定点是与之对应的每个信标节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例，在中心节点计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度的过程中，允许移动节点参与到对应同一VAV终端的多个信标节点的运算，允许移动节点参与到不同VAV终端的多个信标节点的运算。

本发明还揭示了一种通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法，包括：

通过移动节点实时检测周围温度并向周围信标节点发送信息，该信息包括移动节点自己的标识号和检测到的实时温度值；

通过信标节点接收周围的移动节点发送的信息，并向中心节点发送信息，该信息包括信标节点自己的标识号及其接收到的所有移动节点的信息；

通过中心节点接收所有信标节点发送的信息，计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度，并发送给相应的VAV终端并对其实施控制。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，移动节点嵌入在随人移动的物件内，信标节点固定在每一个VAV终端的出风口位置。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，中心节点对VAV终端实施的控制包括控制VAV终端的制冷或制热，通过与VAV终端相连的通风口输出，向通风口覆盖的区域供风，认为没有接收到移动节点的信号的信标节点的位置附近无人，控制相应的VAV终端关闭或者采用默认参数。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，方法还包括用户预设步骤：

用户通过用户接口在中心节点上对每个移动节点设置对应的温度设定点，且由中心节点根据系统设置判断用户的设置是否合理。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，方法还包括系统管理员预设步骤：

系统管理员通过中心节点创建移动节点并分配标识号和权重值，设置移动节点的温度设定点的范围，设置系统模式制冷或者制热的功能，并由中心节点检测移动节点间可能的设置冲突并处理。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，中心节点将所有接收到一移动节点的信号的信标节点作为该移动节点的定位估计值，采用基于非测距的质心定位算法得到移动节点的范围并打开这一范围内的VAV终端。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，中心节点计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度的步骤包括：

首先计算每个信标节点的温度、温度设定值及权重：信标节点的温度是与之对应的每个移动节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的温度设定点是与之对应的每个移动节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的权重是与之对应的每个移动节点的权重之和除以移动节点数量；

其次计算VAV终端的受控温度和温度设定点：VAV终端的受控温度是与之对应的每个信标节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，VAV终端的温度设定点是与之对应的每个信标节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和。

根据本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能的方法的一实施例，在中心节点计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度的过程中，允许移动节点参与到对应同一VAV终端的多个信标节点的运算，允许移动节点参与到不同VAV终端的多个信标节点的运算。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过监测区域是否有人以及实时调整不同温度设定点来改善不同人群对温度的体验，本发明中的无线传感器网络用于人员定位和温度采集，并结合网页或者手机应用设定的参数，提供给VAV终端新的温度设定点和实时温度执行控制。本发明改造了传统的VAV系统，VAV终端的区域温度设定点和区域温度值来自于无线传感器网络的中心节点。综合来看，本发明具有如下的优点：

1、通过设置老人、儿童等人群的高优先级，使得温度设定点及控制温度值更偏向他们；

2、随着人员的移动，接收到信号的信标节点随之变化，相当于“区域”随之移动，模糊传统上区域的概念，进而改善传统系统跨区域的体验，温度不会瞬间变化。

3、节约能源，提高能量利用率，特别适用于大空间，VAV终端多，人员流量不多且无规律的公共场所。

4、对传统系统的改动较小，尤其与空气处理机相对独立，互不影响，较容易集成到现有的BAS或者VAV系统中，并且对原系统(如VAS)的schedule等功能，没有影响。

5、采用基于非测距的改进的简化质心定位算法，实现成本低，适合VAV等对精度要求不高的应用场合。

6、移动节点发送范围及功率较小，辐射低，可采用电池等续航供电。

附图说明

图1示出了本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例的示意图。

图2示出了本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例的原理图。

图3示出了本发明的节能系统中的数据流向示意图。

图4示出了本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的实施例

图2示出了本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能系统的一实施例的原理。请参见图2，本实施例的节能系统包括：多个移动节点1a～1n(图1中示为空心椭圆形)、多个信标节点2a～2m(图1中示为三角形)、中心节点3(图1中示为实心椭圆形)。

移动节点1a～1n嵌入在随人移动的物件内(比如员工卡等)，信标节点2a～2m固定在每一个VAV终端(图1中示为梯形)的出风口位置，一般出风口排列成网络状，所以信标节点在空间范围内同样排列成均匀网络。移动节点1a～1n实时检测周围温度并向周围信标节点发送信息，该信息包括移动节点自己的标识号和检测到的实时温度值。

信标节点2a～2m接收周围的移动节点发送的信息，并向中心节点3发送信息，该信息包括信标节点自己的标识号及其接收到的所有移动节点的信息。

中心节点3接收所有信标节点2a～2m发送的信息，计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度，并发送给相应的VAV终端并对其实施控制。中心节点3对VAV终端实施的控制包括控制VAV终端的制冷或制热，通过与VAV终端相连的通风口输出，向通风口覆盖的区域供风，认为没有接收到移动节点的信号的信标节点的位置附近无人，控制相应的VAV终端关闭或者采用默认参数。

在实施时，中心节点3通过用户接口31提供给用户为每个移动节点设置对应的温度设定点的功能，且根据系统设置判断用户的设置是否合理。

与此同时，中心节点3通过系统管理员接口32提供给系统管理员创建移动节点并分配标识号和权重值的功能，例如可以给老人和儿童的权重高，青壮年的权重低，设置移动节点的温度设定点的范围的功能，设置系统模式制冷或者制热的功能，并检测移动节点间可能的设置冲突并处理。

中心节点3包括终端定位模块33和终端温度设置模块34。

终端定位模块33中，移动节点周期性发送信号给信标节点，收到信号的信标节点周期性发送器所有相关信息给中心节点，中心节点即可知道哪些信标节点收到了某个移动节点的信号，这些信标节点的质心即可作为该移动节点的定位估计值。亦即，终端定位模块33将所有接收到一移动节点的信号的信标节点作为该移动节点的定位估计值，采用基于非测距的质心定位算法得到移动节点的范围并打开这一范围内的VAV终端。信标节点的布局越密，估计精度越高，本发明是将信标节点放在出风口位置附近。在具体实现上，只要收到移动节点的信号，信标节点就认为其处于该移动节点发送范围内且其坐标将参与移动节点的质心定位估计，进而系统将控制相应的VAV终端打开工作。

终端温度设置模块34包括信标节点温度与权重计算单元341和VAV终端温度和设定点计算单元342。

信标节点温度与权重计算单元341中，计算每个信标节点的温度、温度设定值及权重：信标节点的温度(Diffuser Temp)是与之对应的每个移动节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的温度设定点(Diffuser Temp Setpoint)是与之对应的每个移动节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的权重(Diffuser Priority)是与之对应的每个移动节点的权重之和除以移动节点数量。

VAV终端温度和设定点计算单元342中，计算VAV终端的受控温度和温度设定点：VAV终端的受控温度是与之对应的每个信标节点的温度(Diffuser Temp)与权重乘积之和除以权重之和，VAV终端的温度设定点是与之对应的每个信标节点的温度设定点(Diffuser Temp Setpoint)与权重乘积之和除以权重之和。在中心节点计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度的过程中，允许移动节点参与到对应同一VAV终端的多个信标节点的运算，允许移动节点参与到不同VAV终端的多个信标节点的运算，这样相当于该移动节点对于VAV终端运算的权重加倍，说明该VAV终端很大概率是该移动节点的唯一提供风源，相对应说明参与单个信标节点运算的移动节点有很大的概率还参与了其他VAV终端的运算。

移动节点(Mobile Node)1、信标节点(Diffuser Node)2、中心节点(Central Node)3在VAV系统中的安装位置如图2所示。节能系统中的移动节点1、信标节点2、中心节点3和VAV终端4的数据流向图如图3所示，移动节点1(图3中示为空心椭圆形)将自身的标识号(例如图中的ID-m1、ID-m2、ID-m3)和检测到的实时温度值(例如图中的Temp-m1、Temp-m2、Temp-m3)传送给对应的信标节点2(图3中示为三角形)，信标节点2将接收到的移动节点的标识号(例如图中的ID-m1、ID-m2一组以及ID-m3一组)和实时温度值(例如图中的Temp-m1、Temp-m2一组以及Temp-m3一组)、信标节点自身的标识号(例如图中的ID-d1和ID-d2)传送给中心节点3(图3中示为实心椭圆形)。中心节点3基于用户接口和系统管理员接口传送的对每个移动节点设置对应的温度设定点和权重、每个信标节点的位置和对应的VAV终端，以及来自信标节点传送的信息，计算出VAV终端的受控温度和温度设定点，并传送给VAV终端4对其进行控制。

随着移动节点的移动，目标位置进入到发送范围，相应VAV终端即开始预制冷或制热，理想情况是节点移动到目标位置即可感受到设定的温度。移动节点的发送功率及范围需要考虑多种因素，进行系统设计以达到最优效果。

通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能方法的一实施例

图4示出了本发明的通过无线传感器网络在VAV系统上实施的节能方法的一实施例的流程图。请参见图4，下面是对本实施例的节能方法的实施步骤的详细描述。

步骤S1：通过可移动节点实时检测周围温度并向周围信标节点发送信息，该信息包括可移动节点自己的标识号和检测到的实时温度值。

可移动节点嵌入在随人移动的物件内，信标节点固定在每一个VAV终端的出风口位置。

步骤S2：通过信标节点接收周围的可移动节点发送的信息，并向中心节点发送信息，该信息包括信标节点自己的标识号及其接收到的所有可移动节点的信息。

步骤S3：通过中心节点接收所有信标节点发送的信息，计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度，并发送给相应的VAV终端并对其实施控制。

中心节点对VAV终端实施的控制包括控制VAV终端的制冷或制热，通过与VAV终端相连的通风口输出，向通风口覆盖的区域供风，认为没有接收到可移动节点的信号的信标节点的位置附近无人，控制相应的VAV终端关闭或者采用默认参数。

在本步骤中，具体可以细化为计算VAV终端的范围、计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度这两步。

对于计算出终端范围，中心节点将接收到一可移动节点的信号的信标节点作为该可移动节点的定位估计值，采用基于非测距的质心定位算法得到可移动节点的范围并打开这一范围内的VAV终端。

对于计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度，首先计算每个信标节点的温度、温度设定值及权重：信标节点的温度是与之对应的每个移动节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的温度设定点是与之对应的每个移动节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和，信标节点的权重是与之对应的每个移动节点的权重之和除以移动节点数量；

其次计算VAV终端的受控温度和温度设定点：VAV终端的受控温度是与之对应的每个信标节点的温度与权重乘积之和除以权重之和，VAV终端的温度设定点是与之对应的每个信标节点的温度设定点与权重乘积之和除以权重之和。在中心节点计算每个VAV终端应当采用的温度设定点及受控温度的过程中，允许可移动节点参与到对应同一VAV终端的多个信标节点的运算。

在实施该方法之前还包括用户预设和系统管理员预设两步。对于用户预设，用户通过用户接口在中心节点上对每个可移动节点设置对应的温度设定点，且由中心节点根据系统设置判断用户的设置是否合理。对于系统管理员预设，系统管理员通过中心节点创建可移动节点并分配标识号和权重值，设置可移动节点的温度设定点的范围，设置系统模式制冷或者制热的功能，并由中心节点检测可移动节点间可能的设置冲突并处理。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。