【学术前沿】用于评估建筑性能的无线传感器网络

准确的建筑能量评估往往受到对建筑物属性和居住者行为的不准确假设的限制。许多评估方法使用假设而不是测量数据，因为获取最新的现场测量数据非常麻烦、耗时且成本高。这项工作通过展示一个易于编程、制造、修改和部署的开源无线传感器网络(WSN)的设计来弥补这一差距。这里介绍的WSN版本测量空气温度、相对湿度、供暖系统和散热器的热水供应和回水温度、通过墙壁和窗户的热流、光度、油流、电力、开窗时间和二氧化碳浓度。无线传感器网络的模块化使得它可以通过在现有硬件框架中添加新型传感器来扩展。数据流到一个在线数据库，允许在接近实时的监测测量。传感器网络的成本和性能应该与现有的解决方案一样好，甚至更好。目前，一个温度传感器节点的价格为116美元。观察到的电池寿命长达一年的五分钟采样间隔。传感器节点的平均安装时间为7分钟。我们描述了无线传感器网络的硬件架构、软件架构、成本，以及同位测试的结果，以及在有人居住的建筑中部署。

建筑占全球最终能源消耗的35%。如果不采取必要的措施来提高能源效率，预计到2050年，建筑物的能源需求将增加50%。实施成功的能源改造需要对建筑物的现有条件有丰富的知识。然而，由于缺乏其他可行的方法，这些关于现有建筑的知识通常是基于视觉检查和评估人员有根据的猜测。这种估算建筑现状的方法容易产生误差，导致计算出的能耗与实际能耗之间存在偏差。然而，由于分析是基于不精确的输入信息，所提议的改进措施常常不能按预期执行，再次增加了性能差距。能够快速有效地获取测量数据，可以提高建筑初始评估的准确性，从而产生更有效的改造措施，减少改造后建筑的二氧化碳排放。

在过去的几十年里，见证了现场数据采集技术从wall-powered data logger到无线传感器网络的转变。电池技术、电子技术和无线通信技术的进步现在允许远程部署大量传感器。同时，测量结果可以在测量活动仍在进行时进行分析。Arduino是一个开源的硬件和软件框架。它的用途是广泛的，包括从小学到大学水平的教育，爱好者和工业。然而，对于需要大量设备的应用来说，它不能很好地扩展，因为灵活性和标准化的针头伴随着尺寸和成本的增加而来。

开源软件在业界和学术界中已经很好地建立起来了。相比之下，开源硬件仍处于成熟阶段。

Ahmad等人和Kumar等人强调了无线传感器网络在建筑环境中的优势，即低成本和安装时的灵活性。这些好处是以潜在的低可靠性、潜在的高技术复杂性和数据隐私问题为代价的。Martin-Garin等人演示了无线传感器网络在被占用公寓中部署一周的时间，测量了温度、窗户打开状态、二氧化碳浓度、大气压力和相对湿度。上述两种传感器系统仍处于原型阶段，并没有讨论电池寿命。

这似乎是一个无法实现的任务，以开发一个传感器网络，包括所有类型的传感器，需要来自不同领域的研究人员。然而，模块化允许来自许多领域的研究人员添加他们想要的传感器，而不必开发一个全新的传感器网络。这种模块化是框架吸引其他人的一个基本元素，因为他们可以重用一些硬件和/或软件组件，并添加或更改其他组件，从而节省资源。

综上所述，要建立一个遥感平台，必须重做之前的工作，或者购买封闭源硬件，很难整合所有需要的传感器。这项工作的目标是设计一个开源的无线传感器网络，易于编程、制造、修改和部署。我们所说的“简单”是指没有多少资源和专业培训。传感器网络的成本和性能应该和现有的解决方案一样好，甚至更好。这个传感器网络是为所有必须进行远程测量的领域的研究人员使用的。使这项工作开源可以确保它可以完全或部分地被重用，避免重复开发相同的工具而没有额外的好处。

无线传感器网络的主要组成部分有传感器节点、路由器节点、网关和web服务器。传感器节点进行测量，并将测量数据发送到网关。如果在传感器节点和网关之间没有直接连接(不要与视线混淆)，数据将通过一个或多个路由器节点路由。数据传输通过ZigBee协议进行。然后，使用通用分组无线电服务(GPRS)将数据从网关转发到web服务器，如图1所示。在web服务器上，数据存储在MySQL数据库中。该数据库可以为任何软件环境提供数据，如MATLAB、Python、PHP等。

• 硬件
  

本节介绍了WSN的硬件，即传感器节点、路由器节点和网关(图2，左)。传感器套件由18个传感器节点、5个路由器节点和1个网关组成。传感器套件适合于一个盒子(40厘米×30厘米×13厘米)，方便运输(图2，右)。

• 软件架构
  

本节描述进行度量并将其存储在数据库中所需的编程代码。仅各种传感器模块上与实际传感器接口的代码部分有所不同。传感器模块上的其余代码是通用的。除了硬编码的网关地址和传感器节点id外，所有主要模块上的代码都是相同的。

在正常运行期间，如果传感器模块定期进行测量，则主模块上的微控制器会被RTC中断唤醒。如果传感器模块进行基于事件(不规则)的测量，则主模块会被传感器模块的中断唤醒。当主模块触发中断时，传感器模块的电源被激活，传感器模块响应发送测量数据。然后使用校验和检查接收到的数据的有效性，并重新打包成合适的格式传输到网关。载荷的重新包装包括将传感器节点ID附加到测量数据。然后，重新打包的有效载荷被发送到网关。只尝试一次传输。如果存在SD卡，则将有效负载写入其中。最后，单片机再次设置为睡眠模式并重新启动循环。

在2017年1月至2017年5月期间，瑞士的8栋独栋住宅楼部署了多达18个传感器套件。平均而言，部署一个传感器套件(包括住户问卷)需要2.5小时，不包括安装油流量计，这是由第三方完成的。平均来说，检索已安装的传感器需要1小时，包括第二份乘员调查问卷。住户调查问卷包括关于建筑、系统、热舒适性以及安装无线传感器网络后的生活体验等问题。竞选结束后，油流量传感器被留在了原地。

A/S-WSN是一种简单、模块化、低成本的用于远程传感器部署的无线传感器网络。它可以快速部署，可以在2000毫安电池上运行长达一年。它是构建性能评估的有价值的工具，也可以在其他领域使用。

表5列出了一个传感器套件的独特项目的成本。人工成本(如，装配)和额外的硬件组件(如，电缆和电源)被省略。网络服务和网络托管的费用不包括在内，3d打印的费用也不包括在内。价格易波动。值得注意的是，自这一努力开始以来，电池的价格已经大幅下降。

在现有的主模块设计中，可以使用具有XBee足迹的pin兼容无线电模块来实现新的通信方式。或者，可以设计全新的主模块，并重用现有的传感器模块。还可以添加具有更多连接选项(以太网、Wi-Fi、本地存储)的新网关。此外，对在线存储或web界面的更改是可能的，而不需要更改网络的其余部分。

在所介绍的工作中只考虑了整个房子的能源消耗。在某些情况下，如果需要器具级能耗数据，可以使用商用插头负载监控器来输出与能耗成比例的LED脉冲，并将其与当前传感器模块一起用于脉冲检测。另外，也可以设计一个集成了电源监视器的新传感器模块。

该传感器套件能够获得多种不同的测量输入。如测试和验证小节所示，本研究使用了三种不同的数据记录器来与传感器套件的测量结果进行比较。此外，我们可以复制或扩展这项工作，因为我们提供了所需的所有文档。因此，不依赖于制造商或服务提供商。没有隐藏的或延迟的费用，例如，访问数据。此外，在这项工作中，我们提供了成本的完全透明性，并展示了与商业对手相比更低的成本。

该传感器网络用于建筑性能评估和建筑改造评估，包括使用传感器网络[29]的测量数据进行单个建筑模型校准。它补充了在构建性能评估中使用远程监控系统的数据收集技术的转变。然而，本研究中提出的传感器网络的使用并不局限于建筑技术领域，我们也期待在其他领域看到应用，例如，我们建议集成辐射温度传感器和占用传感器，以更多的占用人为中心的研究。