基於物聯網的建築物綜合環境能耗監測管理係統的設計

簡婷

韦德1946网址 上海嘉定 201801

1能耗監測管理係統架構設計

1.1管理平台係統架構設計

  建築綜合環境能耗監測管理主要是由感知層，網絡層和應用層三層次結構組成。

（1）感知層。建築體(ti) 內(nei) 控製設備分散，需要在各個(ge) 能耗設備終端加入能耗計量采集裝置，根據現場情況，采集裝置的通信技術可以采用現場總線技術，以太網傳(chuan) 輸或無線傳(chuan) 輸方式。通過傳(chuan) 感器以及采集設備對相關(guan) 目標物體(ti) 的參數進行實時采集，網關(guan) 或基站節點及其接入設備，按照相關(guan) 通信協議和規約，將采集的信息數據或用戶需求指令傳(chuan) 輸到網絡或信息數據采集層。傳(chuan) 感器以及采集網絡的部署，能及時有效地獲得到所監控物體(ti) 的數據，這是物聯網的一個(ge) 重要特征。

（2）網絡層。網絡層以應用服務器組和數據服務器集群等為(wei) 硬件基礎。采用大數據平台軟件為(wei) 建設載體(ti) ，針對采集的數據開展清理、存儲(chu) 、建模、分析等工作。各前端采集係統與(yu) 中心服務器之間采用高速以太網通信機製，可以順利采集到遍布全島的各類物聯網信息、視頻監控畫麵等，再經過各種智能信息處理，如信息*合、信息挖掘等，通過可視化大屏等終端以展現。

（3）應用層。智慧的管理決(jue) 策與(yu) 應用層包括多個(ge) 方麵：數據展示據分析、設備管理、應急管理等，基於(yu) 數據平台的應用對能耗進行實時展示和分析數據展示據：數據的可視化是對數據價(jia) 值直接應用形式，通過物聯網技術采集的數據對設備進行定位，對設備狀態進行分析，可以直觀地了解到各設備的能耗狀態以及趨勢；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，同時對設備的運行狀態數據以及故障告警等數據也同時采集，這些數據的應用，可以為(wei) 節能降耗的策略提供數據支撐。

  正常狀態下的建築物內(nei) 的各種能量也可通過能耗感知係統的數據呈現頁麵隨時查看、監測其能量的損耗和功能的轉化，可以利用現有的數據，通過分析有效實現耗能的優(you) 化組合，從(cong) 一定程度上節約可利用資源，幫助用戶解決(jue) 耗能問題。

  建築物的能耗監測管理係統是在ZigBee網絡結構與(yu) 區間局域網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網絡接入雲(yun) 係統，這不但可以直接連接本地各個(ge) 係統終端，同時可以兼顧廣域內(nei) 各個(ge) 不同建築的能耗管控。

  監測管理係統是一個(ge) 離不開互聯網的應用平台，對建築物體(ti) 的耗能情況的監控與(yu) 實施的具體(ti) 措施都是建立在無線局域網絡正常運行的狀態下，與(yu) 此同時，係統可以同時管控多個(ge) 建築物，形成一個(ge) 自控聯合監測係統。該係統基於(yu) 多層單一分布的網絡結構，其功能層是由網絡通信層、設備終端層與(yu) 站控管理層共同組成。

1.2無線傳(chuan) 感網絡設計

  能量監測管理係統是基於(yu) 無線局域網通信平台與(yu) 通信互動平台和其他輔助管理平台共同協作的基礎上的，三者聯合合作，相互製約。

（1）通信互動平台：將各個(ge) 傳(chuan) 感器所屬的控製中心緊緊相連，一對一地實行嚴(yan) 格管控，確保係統的通信平台正常運行，其功能如下：

①基礎管理：與(yu) 局域網結構和數據連接形成一個(ge) 環形的網格結構，遍布建築物的耗能數據，保證各個(ge) 感應器的傳(chuan) 感效果能夠準確識別並係統正常運行。

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

③能量管理：隻有合理的進行能量管理才可以維持傳(chuan) 感器的準確識別，順利獲得各種能量的代碼，明確係統下發的指令。

④網絡管理：有效的檢測平台上的數據信息，將不同數據分散到相應的係統區域，到達相對應的感應係統與(yu) 設備。

⑤移動控製：對每個(ge) 移動的節點進行跟蹤定位，分析節點上所存在的信息數據，將所有的數據匯總，形成移動控製。

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

（2）應用輔助平台：作為(wei) 係統的輔助平台，主要為(wei) 係統提供一些輔助的技術手段，包括數據的查詢、采集和後續管理等等，服務於(yu) 用戶，從(cong) 用戶的角度處理問題，提高係統質量服務。

①時間管理：主要致力於(yu) 時間的管控，使所有節點在同一時間，同時移動，傳(chuan) 遞不同的數據，促使各個(ge) 環節共同工作，準確定位節點的位置，獲取節點的信息，在係統中起著至關(guan) 重要的作用。

②管理接口：符合管理協議，傳(chuan) 輸數據到功能層。

③服務接口：在不同的環境中發揮著不同的作用，利用局域網平台傳(chuan) 遞係統指令，提供數據信息查詢。

（3）分層網絡通信協議：通過無線網進行分層通信，提出了通信協議的新模型，其功能層分為(wei) 基礎應用層、數據傳(chuan) 輸層和網絡層。

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

②數據傳(chuan) 輸層：主要是將數據完整地傳(chuan) 輸到下一個(ge) 結構層，保證平台內(nei) 的數據不出現缺失、混亂(luan) 等狀況。

③網絡層：保護移動的節點不受阻礙，正常活動，攜帶的數據完整的上傳(chuan) 平台，使用戶能夠快速檢索和查詢。

1.3能耗監測係統無線傳(chuan) 感網絡節點設計與(yu) 實現

  建築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境監測，其物理原因有地表的溫度、人類的活動、各種災害等等，由於(yu) 現代社會(hui) 的不斷進步，大量先進的設備儀(yi) 器都在影響著環境的耗能監測，這些儀(yi) 器遵循著各自的工作模式，與(yu) 係統之間維持著緊密的聯係，所以為(wei) 了解決(jue) 建築物密集、設備幹擾的問題，對係統中的傳(chuan) 感節點采用ZigBee的技術進行設計。

（1）數據處理單元：包括傳(chuan) 感器、處理器與(yu) 儲(chu) 存器等，嚴(yan) 格管理節點數據的處理過程，同時可以將內(nei) 外之間的數據進行交換。

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

（3）數據傳(chuan) 輸單元：與(yu) 係統的通信軟件相關(guan) ，通過通信平台將節點數據傳(chuan) 輸到網絡平台，之後再接受上一個(ge) 節點信息，周而複始，完成一個(ge) 周期。

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

2監測係統網關(guan) 服務器的設計

2.1能耗監測管理係統網關(guan) 服務器體(ti) 係結構

  在構建能耗監測係統過程中，要使用智能服務器作為(wei) 各個(ge) 結構之間的載體(ti) ，不但符合係統的運行特點，還緊跟現代科技潮流，按照係統的結構與(yu) 功能設計了龍芯1B處理器，通過智能技術，直接下達監測指令，實時監測建築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控製終端網關(guan) 硬件設計

  根據用戶的需求與(yu) 係統的功能選擇龍芯1B處理器來作為(wei) 監測管理係統的核心處理器，可以一定限度地實現Linux的優(you) 勢，該處理器是產(chan) 於(yu) 中國，是利用SMIC0.13μm製作，其特點是造價(jia) 低，性能良好，具有不錯的安全性，適合大批量生產(chan) 。將其芯片與(yu) 係統的處理器相連，不但可以擴大其兼容性，還在一定程度上增加了無線網絡的傳(chuan) 輸速率。本文中設計的係統就是通過JTAG接口來調試核心處理器，實現了數據的儲(chu) 存，對係統畫麵的控製。

3係統軟件設計

3.1數據處理

  傳(chuan) 感器的結構不同，就會(hui) 導致數據的處理方式產(chan) 生變化，具有特異性特征，隨著各種各樣的傳(chuan) 感器的升級，要想數據保持相同的處理方式就要首先將傳(chuan) 感器歸一化處理，為(wei) 係統的基礎結構打好基礎。近年來常用的*合方法是異構化*合方法：第三，利用其特異性構建關(guan) 係模型圖，以其中的關(guan) 聯度作為(wei) 前提進行*合與(yu) 處理。傳(chuan) 統的傳(chuan) 感器雖然安全穩定，但儲(chu) 存空間比較小，麵對大量數據就會(hui) 導致係統崩潰，數據流失，而文中選用的傳(chuan) 感器傳(chuan) 輸速度快、儲(chu) 存空間大，適合現代係統設計。

3.2應用服務

  應用服務層主要是基於(yu) 用戶需求、信息查詢與(yu) 數據處理三個(ge) 層次，不止適用單一的設備耗能情況的監測，還可以用在公共場合建築物周圍環境的監測；主要是監測其能量消耗情況、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(ge) 解決(jue) 方案，推進社會(hui) 節能減排工作。

（1）能耗監測：包括自然環境的消耗與(yu) 人類活動的消耗，主要是大型設備的耗電與(yu) 耗熱等，係統將會(hui) 針對這一情況進行製止，並繪製耗能曲線圖等。

（2）智能控製：專(zhuan) 家會(hui) 根據係統製定的曲線圖提出解決(jue) 的措施，包括減少電能的消耗、調低室內(nei) 的溫度、通風換氣。

（3）節能分析：找到建築物環境中耗能的特點，大型設備儀(yi) 器的使用時間、關(guan) 閉時間，盡量錯開使用高峰，節約能源。

（4）耗能預測：查找建築物以往的使用頻率與(yu) 特點，預測未來的耗能情況，構架耗能監測模型圖，提出節能減排的策略，為(wei) 城市的生態建設做出貢獻。

4Acrel-EIOT能源物聯網雲(yun) 平台

（1）概述

 Acrel-EIoT能源物聯網開放平台是一套基於(yu) 物聯網數據中台，建立統一的上下行數據標準，為(wei) 互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平台。用戶僅(jin) 需購買(mai) 安科瑞物聯網傳(chuan) 感器，選配網關(guan) ，自行安裝後掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業(ye) 數據服務。

 該平台提供數據駕駛艙、電氣安全監測、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，並支持多平台、多語言、多終端數據訪問。

（2）應用場所

 本平台適用於(yu) 公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管係統集成商、小型物業(ye) 、智慧城市、變配電站、建築樓宇、通信基站、工業(ye) 能耗、智能燈塔、電力運維等領域。

（3）平台結構

（4）平台功能

◆電力集抄

 電力集抄模塊可以實現對各種監測數據的查詢、分析、預警及綜合展示，以保證配電室的環境友好。在智能化方麵實現供配電監控係統的遙測'、遙信、遙控控製，對係統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方麵，可以顯示或查詢供配電室內(nei) 各設備運行（包括曆史和實時參數，並根據實際情況進行日報、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化、信息化技術，實現從(cong) 能源數據采集、過程監控、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(chan) 以及使用的全過程有*結合起來，運用先進的數據處理與(yu) 分析技術，進行離線生產(chan) 分析與(yu) 管理，實現全廠能源係統的統一調度，優(you) 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，達到節能降耗和提升整體(ti) 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，查看係統日誌等功能；

2）係統配置：對建築、通訊管理機、儀(yi) 表及默認參數進行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執行開戶、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、衝(chong) 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*心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本係統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

 通過物聯網技術，對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 充電樁進行不間斷地數據采集和監控，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、絕緣檢測故障等一係列故障進行預警。雲(yun) 平台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、變壓器監控、運營分析、基礎數據管理等功能。

充電樁看板

◆智能照明

 智能照明通過物聯網技術對安裝在城市各區域的室內(nei) 照明、城市路燈等照明回路的用電狀態進行不間斷地數據監測，也可以實現定時開關(guan) 策略配置及後台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，並達到一定節能減掛的效果。

監控頁麵

◆安全用電

 安全用電采用一時間的排查和治理，達到消潛在電氣火災安全隱患，實現“防患於(yu) 未然”的目的。

◆智慧消防

 通過雲(yun) 平台進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。填*了原先針對“九小場所”和危化品生產(chan) 企業(ye) 無法有效監控的空白，適應於(yu) 所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“係統化”、用電管理“精細化”的實際需求。

（5）係統硬件配置