安科瑞 陳聰

摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國建筑能耗的總量逐年上升，在社會能源總消費量占比接近三成。而國際上發(fā)達國家建設部科技司相關研究表明，隨著城市化進程的加快和人民生活質量的改善，我國建筑耗能占比將上升至35%左右。如何降低建筑能耗已經(jīng)成為目前急需解決的問題。基于這個問題，設計和開發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，從而對建筑物的能耗進行動態(tài)監(jiān)測，為用戶提供節(jié)能管理方案，從而解決建筑的高能耗問題。

關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)；建筑物；綜合環(huán)境；能耗監(jiān)測

0引言

我國建筑節(jié)能水平遠遠落后于發(fā)達國家。我國大部分企業(yè)和事業(yè)單位由于對節(jié)能意識不強，特別是辦公大樓能耗嚴重。但隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，單位能耗逐漸增加，其用能支出也越來越多。這就需要研究一個降低建筑物能耗的方法，當前雖有較多學者研究了能耗監(jiān)測系統(tǒng)，但是建筑物內能耗監(jiān)測點位較多且綜合布線復雜，導致監(jiān)測效果不好，不能有效降低建筑物能耗，基于這個問題，有必要開發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術的建筑物綜合環(huán)境能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)來解決上述問題。

1能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)架構設計

1.1管理平臺系統(tǒng)架構設計

建筑綜合環(huán)境能耗監(jiān)測管理主要是由感知層，網(wǎng)絡層和應用層三層次結構組成。

（1）感知層。建筑體內控制設備分散，需要在各個能耗設備終端加入能耗計量采集裝置，根據(jù)現(xiàn)場情況，采集裝置的通信技術可以采用現(xiàn)場總線技術，以太網(wǎng)傳輸或無線傳輸方式。通過傳感器以及采集設備對相關目標物體的參數(shù)進行實時采集，網(wǎng)關或基站節(jié)點及其接入設備，按照相關通信協(xié)議和規(guī)約，將采集的信息數(shù)據(jù)或用戶需求指令傳輸?shù)骄W(wǎng)絡或信息數(shù)據(jù)采集層。傳感器以及采集網(wǎng)絡的部署，能及時有效地獲得到所監(jiān)控物體的數(shù)據(jù)，這是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要特征。

（2）網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層以應用服務器組和數(shù)據(jù)服務器集群等為硬件基礎。采用大數(shù)據(jù)平臺軟件為建設載體，針對采集的數(shù)據(jù)開展清理、存儲、建模、分析等工作。各前端采集系統(tǒng)與中心服務器之間采用高速以太網(wǎng)通信機制，可以順利采集到遍布全島的各類物聯(lián)網(wǎng)信息、視頻監(jiān)控畫面等，再經(jīng)過各種智能信息處理，如信息融合、信息挖掘等，通過可視化大屏等終端以展現(xiàn)。

（3）應用層。智慧的管理決策與應用層包括多個方面：數(shù)據(jù)展示據(jù)分析、設備管理、應急管理等，基于數(shù)據(jù)平臺的應用對能耗進行實時展示和分析數(shù)據(jù)展示據(jù)：數(shù)據(jù)的可視化是對數(shù)據(jù)價值直接應用形式，通過物聯(lián)網(wǎng)技術采集的數(shù)據(jù)對設備進行定位，對設備狀態(tài)進行分析，可以直觀地了解到各設備的能耗狀態(tài)以及趨勢；設備管理是采集層所連接的設備終端不但有設備的能耗數(shù)據(jù)，同時對設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及故障告警等數(shù)據(jù)也同時采集，這些數(shù)據(jù)的應用，可以為節(jié)能降耗的策略提供數(shù)據(jù)支撐。

正常狀態(tài)下的建筑物內的各種能量也可通過能耗感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)頁面隨時查看、監(jiān)測其能量的損耗和功能的轉化，可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過分析有效實現(xiàn)耗能的優(yōu)化組合，從一定程度上節(jié)約可利用資源，幫助用戶解決耗能問題。

建筑物的能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)是在ZigBee網(wǎng)絡結構與區(qū)間局域網(wǎng)結構的基礎上建立的，若要加入用戶的反饋就可以接入外用Internet網(wǎng)絡接入云系統(tǒng)，這不但可以直接連接本地各個系統(tǒng)終端，同時可以兼顧廣域內各個不同建筑的能耗管控。

監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個離不開互聯(lián)網(wǎng)的應用平臺，對建筑物體的耗能情況的監(jiān)控與實施的具體措施都是建立在無線局域網(wǎng)絡正常運行的狀態(tài)下，與此同時，系統(tǒng)可以同時管控多個建筑物，形成一個自控聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多層單一分布的網(wǎng)絡結構，其功能層是由網(wǎng)絡通信層、設備終端層與站控管理層共同組成。

1.1.1網(wǎng)絡通信層

網(wǎng)絡通信層是系統(tǒng)的連接的樞紐，其能起到溝通訪問的功能，其結構由以太網(wǎng)結構、自動化傳感器、

ZigBee、4G/5G等網(wǎng)絡聯(lián)合組成，將其運用在用戶與系統(tǒng)之間的溝通上，不但可以及時下發(fā)指令，還可以接收上層發(fā)送來的信息，同時徘徊在兩者之間，在系統(tǒng)功能結構中起到重要的連接作用。

1.1.2設備終端層

設備終端層還可以稱為信息傳送終端，主要的作用是接收通信層傳遞過來的數(shù)據(jù)信息，利用設備的感應功能分析數(shù)據(jù)，保留可用的設備數(shù)據(jù)，再經(jīng)過網(wǎng)絡中轉站，完成數(shù)據(jù)信息互相轉換，使數(shù)據(jù)完整的到達下一個功能層，達到耗能監(jiān)測終端，利用能耗監(jiān)測儀表設備，得到耗能的數(shù)值，準確迅速地將建筑物數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡平臺。

1.1.3站控管理層

站控管理層主要受制于操作人員，作用于所有用戶，是系統(tǒng)框架的部分，是連接人類與機器的橋梁，是實現(xiàn)系統(tǒng)自動化的核心。其結構主要是由建筑物本身、無線傳感器、雙向通信軟件與耗能監(jiān)測設備構成，例如無線網(wǎng)絡平臺、傳輸系統(tǒng)、顯示屏幕、UPS設備等。不僅可以通過數(shù)據(jù)來表達建筑物的耗能情況，還可以利用系統(tǒng)分析軟件采集物體的實際信息與正常運行時的數(shù)據(jù)，經(jīng)過特殊處理，以圖像、信號和數(shù)字等形式表現(xiàn)出來。

1.1.4采集設備

采集設備是監(jiān)測系統(tǒng)中重要的一部分，主要用于耗能數(shù)據(jù)的收集、轉換和傳輸。輸出設備：打印設備及耗能設備，根據(jù)系統(tǒng)的指令處理接收到的數(shù)據(jù)、數(shù)字、圖像等。顯示屏：均以表格、圖片等形式來展現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

1.2無線傳感網(wǎng)絡設計

能量監(jiān)測管理系統(tǒng)是基于無線局域網(wǎng)通信平臺與通信互動平臺和其他輔助管理平臺共同協(xié)作的基礎上的，三者聯(lián)合合作，相互制約。

（1）通信互動平臺：將各個傳感器所屬的控制中心緊緊相連，一對一地實行嚴格管控，確保系統(tǒng)的通信平臺正常運行，其功能如下：

①基礎管理：與局域網(wǎng)結構和數(shù)據(jù)連接形成一個環(huán)形的網(wǎng)格結構，遍布建筑物的耗能數(shù)據(jù)，保證各個感應器的傳感效果能夠準確識別并系統(tǒng)正常運行。

②滿足用戶需求：平臺上征求用戶的意見，快速提供處理方法，不錯的質量控制，達到用戶的標準。

③能量管理：只有合理的進行能量管理才可以維持傳感器的準確識別，順利獲得各種能量的代碼，明確系統(tǒng)下發(fā)的指令。

④網(wǎng)絡管理：有效的檢測平臺上的數(shù)據(jù)信息，將不同數(shù)據(jù)分散到相應的系統(tǒng)區(qū)域，到達相對應的感應系統(tǒng)與設備。

⑤移動控制：對每個移動的節(jié)點進行跟蹤定位，分析節(jié)點上所存在的信息數(shù)據(jù)，將所有的數(shù)據(jù)匯總，形成移動控制。

⑥安全管理：系統(tǒng)的結構復雜、框架多變，各種軟件硬件均可能出現(xiàn)差錯，致使數(shù)據(jù)泄露，對用戶產(chǎn)生不利的影響，因此要加入安全管理軟件，在每個結構都要設有安全密碼，增加安全保障。

（2）應用輔助平臺：作為系統(tǒng)的輔助平臺，主要為系統(tǒng)提供一些輔助的技術手段，包括數(shù)據(jù)的查詢、采集和后續(xù)管理等等，服務于用戶，從用戶的角度處理問題，提高系統(tǒng)質量服務。

①時間管理：主要致力于時間的管控，使所有節(jié)點在同一時間，同時移動，傳遞不同的數(shù)據(jù)，促使各個環(huán)節(jié)共同工作，準確定位節(jié)點的位置，獲取節(jié)點的信息，在系統(tǒng)中起著至關重要的作用。

②管理接口：符合管理協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)到功能層。

③服務接口：在不同的環(huán)境中發(fā)揮著不同的作用，利用局域網(wǎng)平臺傳遞系統(tǒng)指令，提供數(shù)據(jù)信息查詢。

（3）分層網(wǎng)絡通信協(xié)議：通過無線網(wǎng)進行分層通信，提出了通信協(xié)議的新模型，其功能層分為基礎應用層、數(shù)據(jù)傳輸層和網(wǎng)絡層。

①基礎應用層：利用視覺與聽覺的識別軟件來鞏固通信框架，減少網(wǎng)絡負擔，使無線網(wǎng)絡加速運行。

②數(shù)據(jù)傳輸層：主要是將數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)较乱粋€結構層，保證平臺內的數(shù)據(jù)不出現(xiàn)缺失、混亂等狀況。

③網(wǎng)絡層：保護移動的節(jié)點不受阻礙，正常活動，攜帶的數(shù)據(jù)完整的上傳平臺，使用戶能夠快速檢索和查詢。

1.3能耗監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)

建筑物中可消耗的能源包括電、水、熱量等，每時每刻都在影響著周圍的環(huán)境監(jiān)測，其物理原因有地表的溫度、人類的活動、各種災害等等，由于現(xiàn)代社會的不斷進步，大量的設備儀器都在影響著環(huán)境的耗能監(jiān)測，這些儀器遵循著各自的工作模式，與系統(tǒng)之間維持著緊密的聯(lián)系，所以為了解決建筑物密集、設備干擾的問題，對系統(tǒng)中的傳感節(jié)點采用ZigBee的技術進行設計。

（1）數(shù)據(jù)處理單元：包括傳感器、處理器與儲存器等，嚴格管理節(jié)點數(shù)據(jù)的處理過程，同時可以將內外之間的數(shù)據(jù)進行交換。

（2）數(shù)據(jù)采集單元：工作核心處理器是A/D轉換器，主要是將重要節(jié)點攜帶的數(shù)據(jù)進行篩選，包括各種圖像、聲音等信息，同時轉化成數(shù)字與符號。

（3）數(shù)據(jù)傳輸單元：與系統(tǒng)的通信軟件相關，通過通信平臺將節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡平臺，之后再接受上一個節(jié)點信息，周而復始，完成一個周期。

（4）電源連接單元：系統(tǒng)的起始都離不開穩(wěn)定的電源結構，它可以持續(xù)工作，持續(xù)充電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關服務器的設計

2.1能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)網(wǎng)關服務器體系結構

在構建能耗監(jiān)測系統(tǒng)過程中，要使用智能服務器作為各個結構之間的載體，不但符合系統(tǒng)的運行特點，還緊跟現(xiàn)代科技潮流，按照系統(tǒng)的結構與功能設計了龍芯1B處理器，通過智能技術，直接下達監(jiān)測指令，實時監(jiān)測建筑物周圍設備的使用情況和耗能情況，有效進行安全管理。

2.2控制終端網(wǎng)關硬件設計

根據(jù)用戶的需求與系統(tǒng)的功能選擇龍芯1B處理器來作為監(jiān)測管理系統(tǒng)的核心處理器，可以一定限度地實現(xiàn)Linux的優(yōu)勢，該處理器是產(chǎn)于中國，是利用SMIC0.13μm制作，其特點是造價低，性能良好，具有不錯的安全性，適合大批量生產(chǎn)。將其芯片與系統(tǒng)的處理器相連，不但可以擴大其兼容性，還在一定程度上增加了無線網(wǎng)絡的傳輸速率。本文中設計的系統(tǒng)就是通過JTAG接口來調試核心處理器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的儲存，對系統(tǒng)畫面的控制。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1數(shù)據(jù)處理

傳感器的結構不同，就會導致數(shù)據(jù)的處理方式產(chǎn)生變化，具有特異性特征，隨著各種各樣的傳感器的升級，要想數(shù)據(jù)保持相同的處理方式就要首先將傳感器歸一化處理，為系統(tǒng)的基礎結構打好基礎。近年來常用的融合方法是異構化融合方法：第三，利用其特異性構建關系模型圖，以其中的關聯(lián)度作為前提進行融合與處理。傳統(tǒng)的傳感器雖然安全穩(wěn)定，但儲存空間比較小，面對大量數(shù)據(jù)就會導致系統(tǒng)崩潰，數(shù)據(jù)流失，而文中選用的傳感器傳輸速度快、儲存空間大，適合現(xiàn)代系統(tǒng)設計。

3.2應用服務

應用服務層主要是基于用戶需求、信息查詢與數(shù)據(jù)處理三個層次，不止適用單一的設備耗能情況的監(jiān)測，還可以用在公共場合建筑物周圍環(huán)境的監(jiān)測；主要是監(jiān)測其能量消耗情況、周圍影響因素的分析、耗能設備的排查等，針對耗能量大小可以自動生成一個解決方案，推進社會節(jié)能減排工作。

（1）能耗監(jiān)測：包括自然環(huán)境的消耗與人類活動的消耗，主要是大型設備的耗電與耗熱等，系統(tǒng)將會針對這一情況進行制止，并繪制耗能曲線圖等。

（2）智能控制：專家會根據(jù)系統(tǒng)制定的曲線圖提出解決的措施，包括減少電能的消耗、調低室內的溫度、通風換氣。

（3）節(jié)能分析：找到建筑物環(huán)境中耗能的特點，大型設備儀器的使用時間、關閉時間，盡量錯開使用高峰，節(jié)約能源。

（4）耗能預測：查找建筑物以往的使用頻率與特點，預測未來的耗能情況，構架耗能監(jiān)測模型圖，提出節(jié)能減排的策略，為城市的生態(tài)建設做出貢獻。

4Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務。

該平臺提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質量分析、用電管理、預付費管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報警和記錄、運維管理等功能，并支持多平臺、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應用場所

本平臺適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數(shù)，并根據(jù)實際情況進行日報、月報和年報查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動化、信息化技術，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質消耗分析、能耗管理等全過程的自動化、科學化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機結合起來，運用數(shù)據(jù)處理與分析技術，進行離線生產(chǎn)分析與管理，實現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度，優(yōu)化能源介質平衡、有效利用能源，提高能源質量、降低能源消耗，達到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預付費管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數(shù)進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進行遠程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報表：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系統(tǒng)所有的報表及記錄查詢，都支持excel格式導出。

預付費看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術，對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務管理、變壓器監(jiān)控、運營分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能。

充電樁看板

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術對安裝在城市各區(qū)域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進行不間斷地數(shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實現(xiàn)定時開關策略配置及后臺遠程管理和移動管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

安全用電

安全用電采用剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發(fā)電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實現(xiàn)時間的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現(xiàn)“防患于未然"的目的。

智慧消防

通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。彌補了原先針對“九小場所"和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應于所有公建和民建，實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"、用電管理“精細化"的實際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

5結束語

本文研究了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合環(huán)境能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測建筑能耗數(shù)據(jù)，用戶能夠實時動態(tài)的監(jiān)測建筑物內部耗能，并且能夠對運行狀態(tài)存儲，實現(xiàn)能耗評估、能耗診斷的功能。并且，還大大減少了綜合布線環(huán)節(jié)，減少工作量，滿足了系統(tǒng)的設計需求。但是由于研究時間有限，所研究系統(tǒng)難免有不足之處，在后續(xù)研究中將進一步優(yōu)化此系統(tǒng)，為相關領域提供幫助。

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