韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著(zhù)社會(huì )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(huì )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(guān)研究表明，隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)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(wèn)題?；谶@個(gè)問(wèn)題，設計和開(kāi)發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合能耗監測管理系統，從而對建筑物的能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測，為用戶(hù)提供節能管理方案，從而解決建筑的高能耗問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)；建筑物；綜合環(huán)境；能耗監測

0引言

我國建筑節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)單位由于對節能意識不強，特別是辦公大樓能耗嚴重。但隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，單位能耗逐漸增加，其用能支出也越來(lái)越多。這就需要研究一個(gè)降低建筑物能耗的方法，當前雖有較多學(xué)者研究了能耗監測系統，但是建筑物內能耗監測點(diǎn)位較多且綜合布線(xiàn)復雜，導致監測效果不好，不能有效降低建筑物能耗，基于這個(gè)問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑物綜合環(huán)境能耗監測管理系統來(lái)解決上述問(wèn)題。

1能耗監測管理系統架構設計

1.1管理平臺系統架構設計

建筑綜合環(huán)境能耗監測管理主要是由感知層，網(wǎng)絡(luò )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(gè)能耗設備終端加入能耗計量采集裝置，根據現場(chǎng)情況，采集裝置的通信技術(shù)可以采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，以太網(wǎng)傳輸或無(wú)線(xiàn)傳輸方式。通過(guò)傳感器以及采集設備對相關(guān)目標物體的參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，網(wǎng)關(guān)或基站節點(diǎn)及其接入設備，按照相關(guān)通信協(xié)議和規約，將采集的信息數據或用戶(hù)需求指令傳輸到網(wǎng)絡(luò )或信息數據采集層。傳感器以及采集網(wǎng)絡(luò )的部署，能及時(shí)有效地獲得到所監控物體的數據，這是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要特征。

（2）網(wǎng)絡(luò )層。網(wǎng)絡(luò )層以應用服務(wù)器組和數據服務(wù)器集群等為硬件基礎。采用大數據平臺軟件為建設載體，針對采集的數據開(kāi)展清理、存儲、建模、分析等工作。各前端采集系統與中心服務(wù)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(lèi)物聯(lián)網(wǎng)信息、視頻監控畫(huà)面等，再經(jīng)過(guò)各種智能信息處理，如信息融合、信息挖掘等，通過(guò)可視化大屏等終端以展現。

（3）應用層。智慧的管理決策與應用層包括多個(gè)方面：數據展示據分析、設備管理、應急管理等，基于數據平臺的應用對能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和分析數據展示據：數據的可視化是對數據價(jià)值直接應用形式，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的數據對設備進(jìn)行定位，對設備狀態(tài)進(jìn)行分析，可以直觀(guān)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據，同時(shí)對設備的運行狀態(tài)數據以及故障告警等數據也同時(shí)采集，這些數據的應用，可以為節能降耗的策略提供數據支撐。

正常狀態(tài)下的建筑物內的各種能量也可通過(guò)能耗感知系統的數據呈現頁(yè)面隨時(shí)查看、監測其能量的損耗和功能的轉化，可以利用現有的數據，通過(guò)分析有效實(shí)現耗能的優(yōu)化組合，從一定程度上節約可利用資源，幫助用戶(hù)解決耗能問(wèn)題。

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

監測管理系統是一個(gè)離不開(kāi)互聯(lián)網(wǎng)的應用平臺，對建筑物體的耗能情況的監控與實(shí)施的具體措施都是建立在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )正常運行的狀態(tài)下，與此同時(shí)，系統可以同時(shí)管控多個(gè)建筑物，形成一個(gè)自控聯(lián)合監測系統。該系統基于多層單一分布的網(wǎng)絡(luò )結構，其功能層是由網(wǎng)絡(luò )通信層、設備終端層與站控管理層共同組成。

1.1.1網(wǎng)絡(luò )通信層

網(wǎng)絡(luò )通信層是系統的連接的樞紐，其能起到溝通訪(fǎng)問(wèn)的功能，其結構由以太網(wǎng)結構、自動(dòng)化傳感器、

ZigBee、4G/5G等網(wǎng)絡(luò )聯(lián)合組成，將其運用在用戶(hù)與系統之間的溝通上，不但可以及時(shí)下發(fā)指令，還可以接收上層發(fā)送來(lái)的信息，同時(shí)徘徊在兩者之間，在系統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(chēng)為信息傳送終端，主要的作用是接收通信層傳遞過(guò)來(lái)的數據信息，利用設備的感應功能分析數據，保留可用的設備數據，再經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )中轉站，完成數據信息互相轉換，使數據完整的到達下一個(gè)功能層，達到耗能監測終端，利用能耗監測儀表設備，得到耗能的數值，準確迅速地將建筑物數據傳送到網(wǎng)絡(luò )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(hù)，是系統框架的部分，是連接人類(lèi)與機器的橋梁，是實(shí)現系統自動(dòng)化的核心。其結構主要是由建筑物本身、無(wú)線(xiàn)傳感器、雙向通信軟件與耗能監測設備構成，例如無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺、傳輸系統、顯示屏幕、UPS設備等。不僅可以通過(guò)數據來(lái)表達建筑物的耗能情況，還可以利用系統分析軟件采集物體的實(shí)際信息與正常運行時(shí)的數據，經(jīng)過(guò)特殊處理，以圖像、信號和數字等形式表現出來(lái)。

1.1.4采集設備

采集設備是監測系統中重要的一部分，主要用于耗能數據的收集、轉換和傳輸。輸出設備：打印設備及耗能設備，根據系統的指令處理接收到的數據、數字、圖像等。顯示屏：均以表格、圖片等形式來(lái)展現整個(gè)系統的運行狀態(tài)。

1.2無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )設計

能量監測管理系統是基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信平臺與通信互動(dòng)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(dòng)平臺：將各個(gè)傳感器所屬的控制中心緊緊相連，一對一地實(shí)行嚴格管控，確保系統的通信平臺正常運行，其功能如下：

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

②滿(mǎn)足用戶(hù)需求：平臺上征求用戶(hù)的意見(jiàn)，快速提供處理方法，不錯的質(zhì)量控制，達到用戶(hù)的標準。

③能量管理：只有合理的進(jìn)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，明確系統下發(fā)的指令。

④網(wǎng)絡(luò )管理：有效的檢測平臺上的數據信息，將不同數據分散到相應的系統區域，到達相對應的感應系統與設備。

⑤移動(dòng)控制：對每個(gè)移動(dòng)的節點(diǎn)進(jìn)行跟蹤定位，分析節點(diǎn)上所存在的信息數據，將所有的數據匯總，形成移動(dòng)控制。

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

（2）應用輔助平臺：作為系統的輔助平臺，主要為系統提供一些輔助的技術(shù)手段，包括數據的查詢(xún)、采集和后續管理等等，服務(wù)于用戶(hù)，從用戶(hù)的角度處理問(wèn)題，提高系統質(zhì)量服務(wù)。

①時(shí)間管理：主要致力于時(shí)間的管控，使所有節點(diǎn)在同一時(shí)間，同時(shí)移動(dòng)，傳遞不同的數據，促使各個(gè)環(huán)節共同工作，準確定位節點(diǎn)的位置，獲取節點(diǎn)的信息，在系統中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

②管理接口：符合管理協(xié)議，傳輸數據到功能層。

③服務(wù)接口：在不同的環(huán)境中發(fā)揮著(zhù)不同的作用，利用局域網(wǎng)平臺傳遞系統指令，提供數據信息查詢(xún)。

（3）分層網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議：通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)進(jìn)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、數據傳輸層和網(wǎng)絡(luò )層。

①基礎應用層：利用視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的識別軟件來(lái)鞏固通信框架，減少網(wǎng)絡(luò )負擔，使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )加速運行。

②數據傳輸層：主要是將數據完整地傳輸到下一個(gè)結構層，保證平臺內的數據不出現缺失、混亂等狀況。

③網(wǎng)絡(luò )層：保護移動(dòng)的節點(diǎn)不受阻礙，正?；顒?dòng)，攜帶的數據完整的上傳平臺，使用戶(hù)能夠快速檢索和查詢(xún)。

1.3能耗監測系統無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計與實(shí)現

建筑物中可消耗的能源包括電、水、熱量等，每時(shí)每刻都在影響著(zhù)周?chē)沫h(huán)境監測，其物理原因有地表的溫度、人類(lèi)的活動(dòng)、各種災害等等，由于現代社會(huì )的不斷進(jìn)步，大量先進(jìn)的設備儀器都在影響著(zhù)環(huán)境的耗能監測，這些儀器遵循著(zhù)各自的工作模式，與系統之間維持著(zhù)緊密的聯(lián)系，所以為了解決建筑物密集、設備干擾的問(wèn)題，對系統中的傳感節點(diǎn)采用ZigBee的技術(shù)進(jìn)行設計。

（1）數據處理單元：包括傳感器、處理器與儲存器等，嚴格管理節點(diǎn)數據的處理過(guò)程，同時(shí)可以將內外之間的數據進(jìn)行交換。

（2）數據采集單元：工作核心處理器是A/D轉換器，主要是將重要節點(diǎn)攜帶的數據進(jìn)行篩選，包括各種圖像、聲音等信息，同時(shí)轉化成數字與符號。

（3）數據傳輸單元：與系統的通信軟件相關(guān)，通過(guò)通信平臺將節點(diǎn)數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )平臺，之后再接受上一個(gè)節點(diǎn)信息，周而復始，完成一個(gè)周期。

（4）電源連接單元：系統的起始都離不開(kāi)穩定的電源結構，它可以持續工作，持續充電，保證系統穩定運行。

2監測系統網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的設計

2.1能耗監測管理系統網(wǎng)關(guān)服務(wù)器體系結構

在構建能耗監測系統過(guò)程中，要使用智能服務(wù)器作為各個(gè)結構之間的載體，不但符合系統的運行特點(diǎn)，還緊跟現代科技潮流，按照系統的結構與功能設計了龍芯1B處理器，通過(guò)智能技術(shù)，直接下達監測指令，實(shí)時(shí)監測建筑物周?chē)O備的使用情況和耗能情況，有效進(jìn)行安全管理。

2.2控制終端網(wǎng)關(guān)硬件設計

根據用戶(hù)的需求與系統的功能選擇龍芯1B處理器來(lái)作為監測管理系統的核心處理器，可以一定限度地實(shí)現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(diǎn)是造價(jià)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率。本文中設計的系統就是通過(guò)JTAG接口來(lái)調試核心處理器，實(shí)現了數據的儲存，對系統畫(huà)面的控制。

3系統軟件設計

3.1數據處理

傳感器的結構不同，就會(huì )導致數據的處理方式產(chǎn)生變化，具有特異性特征，隨著(zhù)各種各樣的傳感器的升級，要想數據保持相同的處理方式就要首先將傳感器歸一化處理，為系統的基礎結構打好基礎。近年來(lái)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(guān)系模型圖，以其中的關(guān)聯(lián)度作為前提進(jìn)行融合與處理。傳統的傳感器雖然安全穩定，但儲存空間比較小，面對大量數據就會(huì )導致系統崩潰，數據流失，而文中選用的傳感器傳輸速度快、儲存空間大，適合現代系統設計。

3.2應用服務(wù)

應用服務(wù)層主要是基于用戶(hù)需求、信息查詢(xún)與數據處理三個(gè)層次，不止適用單一的設備耗能情況的監測，還可以用在公共場(chǎng)合建筑物周?chē)h(huán)境的監測；主要是監測其能量消耗情況、周?chē)绊懸蛩氐姆治?、耗能設備的排查等，針對耗能量大小可以自動(dòng)生成一個(gè)解決方案，推進(jìn)社會(huì )節能減排工作。

（1）能耗監測：包括自然環(huán)境的消耗與人類(lèi)活動(dòng)的消耗，主要是大型設備的耗電與耗熱等，系統將會(huì )針對這一情況進(jìn)行制止，并繪制耗能曲線(xiàn)圖等。

（2）智能控制：專(zhuān)家會(huì )根據系統制定的曲線(xiàn)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(fēng)換氣。

（3）節能分析：找到建筑物環(huán)境中耗能的特點(diǎn)，大型設備儀器的使用時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間，盡量錯開(kāi)使用高峰，節約能源。

（4）耗能預測：查找建筑物以往的使用頻率與特點(diǎn)，預測未來(lái)的耗能情況，構架耗能監測模型圖，提出節能減排的策略，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(kāi)放平臺是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)提供能源物聯(lián)網(wǎng)數據服務(wù)的平臺。用戶(hù)僅需購買(mǎi)安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(yè)數據服務(wù)。

該平臺提供數據駕駛艙、電氣安全監測、電能質(zhì)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(yǔ)言、多終端數據訪(fǎng)問(wèn)。

（2）應用場(chǎng)所

本平臺適用于公寓出租戶(hù)、連鎖小超市、小型工廠(chǎng)、樓管系統集成商、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(lǐng)域。

（3）平臺結構

（4）平臺功能

◆電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現對各種監測數據的查詢(xún)、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(shí)現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進(jìn)行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢(xún)供配電室內各設備運行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數，并根據實(shí)際情況進(jìn)行日報、月報和年報查詢(xún)或打印，提高工作效率，節約人力資源。

變壓器監控

配電圖

◆能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過(guò)程有機結合起來(lái)，運用先進(jìn)的數據處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線(xiàn)生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現全廠(chǎng)能源系統的統一調度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達到節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(hù)及權限分配，查看系統日志等功能；

2）系統配置：對建筑、通訊管理機、儀表及默認參數進(jìn)行配置；

3）用戶(hù)管理：對商鋪用戶(hù)執行開(kāi)戶(hù)、銷(xiāo)戶(hù)、遠程分合閘、批量操作及記錄查詢(xún)等操作；

4）售電管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售電、退電、沖正及記錄查詢(xún)等操作；

5）售水管理：對已開(kāi)戶(hù)的表進(jìn)行遠程售水、退水、記錄查詢(xún)等操作；

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

預付費看板

◆充電樁管理

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，包括城市級大屏、交易管理、財務(wù)管理、變壓器監控、運營(yíng)分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

智能照明通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區域的室內照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地數據監測，也可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)關(guān)策略配置及后臺遠程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設施的維護難度和成本，提升管理水平，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁(yè)面

◆安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、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(xiàn)溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發(fā)現的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導企業(yè)實(shí)現及時(shí)的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實(shí)現“防患于未然"的目的。

◆智慧消防

通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。原先針對“九小場(chǎng)所"和?；飞a(chǎn)企業(yè)無(wú)法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實(shí)際需求。

（5）系統硬件配置

5結束語(yǔ)

本文研究了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合環(huán)境能耗監測管理系統，此系統能夠實(shí)時(shí)監測建筑能耗數據，用戶(hù)能夠實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監測建筑物內部耗能，并且能夠對運行狀態(tài)存儲，實(shí)現能耗評估、能耗診斷的功能。并且，還大大減少了綜合布線(xiàn)環(huán)節，減少工作量，滿(mǎn)足了系統的設計需求。但是由于研究時(shí)間有限，所研究系統難免有不足之處，在后續研究中將進(jìn)一步優(yōu)化此系統，為相關(guān)領(lǐng)域提供幫助。

參考文獻

[1]張建濤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共建筑能源管理系統研究[J].山西建筑，2020（8）：201-203.

[2]陳威.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗監測系統研究與分析[J].綠色建筑，2019（1）：81-82.

[3]羅黎.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公共建筑能耗監控系統優(yōu)化研究[J].智庫時(shí)代，2019（32）：255-256.

[4]閆鑫，李天鍇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田節能監測平臺研究[J].百科論壇電子雜志，2019（24）：659-660.

[5]潘亞剛.基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合環(huán)境能耗監測管理系統

[6]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.

作者簡(jiǎn)介：

韓歡慶，安科瑞電氣股份有限公司