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】
[0001] 本发明设及智能家居技术领域，具体设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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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（如雾霸）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。
[0005] 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口口增加环境参数 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】
[0006] 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。
[0007] 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，W及服务器；
[000引所述的服务器根据传感器节点采集到的外界环境信息，W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。
[0009]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。
[0010] 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W及光照强度。
[0011] 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口口机，为便于实现，本发明中各个传 感器节点集成于口口机中。
[0012] 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，W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W太网/Wifi/3G/4G等。
[0013] 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：
[0014] Sinks二slnSshi(p+cosScos(pcos〇j
[0015] 其中，hs为太阳高度角，5为小区所在位置的太阳赤道绅度，口为小区所在位置 的绅度，《为太阳时角，W当地正午为0°;上午为负，每时-15°;下午为正，每时+15°。
[0016] 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W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。
[0017] 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： [001引 （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；
[0019] (2)根据所述的外界环境信息，W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。
[0020] 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；
[0021] Sinks二swSsw(p+cosScos(pcos('D
[0022] 其中，hs为太阳高度角，5为小区所在位置的太阳赤道绅度，口为小区所在位置 的绅度，《为太阳时角，W当地正午为0°;上午为负，每时-15°;下午为正，每时+15°。
[0023] 作为优选，所述步骤（2)具体如下：
[0024] (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；
[0025] 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。
[0026] (2-2)针对每一个单元，根据当前时刻的室内空气综合温度W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：
[0027] (a)若有影响，则集中供暖；
[002引 （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W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W进行供暖控制。
[0029] 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：
[0030] (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；
[0031] 本发明中得到室内温度模型为：
[0032]
[0033] 其中，T。为室内空气综合温度，Z太阳高度角，P为墙体的吸收系数，a，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。
[0034] P和a,取决于墙体材料等外界物理因素，为已知量。
[0035] (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。
[0036] 所述步骤（2-2)针对每一个单元，若满足W下S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；
[0037] 影响条件如下：
[00測条件1胀咕，
[0039]条件2 ;若Hs<H<He，且T<Ts，
[0040] 条件 3 ;若H<Hf，且KIf，T<T〇，
[0041] 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；咕为下雨湿 度阔值，Hs和TS分别为下雪湿度阔值和温度阔值，HP、Ip分别为雾霸湿度阔值和光照强度阔 值，T。为当前时刻该单元的室内空气综合温度。
[0042] 所述步骤化）中通过如下方法判断当前时刻该单元是否进入阴影：
[0043] 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：
[0044] 化1)除该单元W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%W内，
[0045] 化2)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%，
[0046] 则判断结果为当前时刻该单元进入阴影；
[0047] 否则，判断判断结果为当前时刻该单元未进入阴影。
[0048] 所述步骤化）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。
[0049] 所述步骤化）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W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。
[0化0] 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捜索寻优 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。
[0051] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0052] 通过实时采集每一栋楼宇当前所处的光照、温度、湿度W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】
[0化3] 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】
[0054] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0化5] -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，W及服务器。
[0056] 服务器根据传感器节点采集到的环境信息，W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W进行供暖控制。
[0化7] 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W及光照强度。
[005引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口口机，为便于实现，本实施例中各个传感器 节点集成于口口机中。
[0059] 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，每个单元对应的口口机依次为口口机（一），口口机（二），口口机 (S)和口口机（四），各个口口机和服务器通过