淺析基于物聯網的建筑物綜合環境能耗監測管理系統

安科瑞 劉邁

　　摘要：隨著社會經濟的快速發展，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成為目前急需解決的問題。基于這個問題，設計和開發一套基于物聯網的建筑物綜合能耗監測管理系統，從而對建筑物的能耗進行動態監測，為用戶提供節能管理方案，從而解決建筑的高能耗問題。

　　關鍵詞:物聯網；建筑物；綜合環境；能耗監測

　　0引言

　　我國建筑節能水平遠遠落后于發達國家。我國大部分企業和事業單位由于對節能意識不強，特別是辦公大樓能耗嚴重。但隨著經濟社會的發展，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測系統，但是建筑物內能耗監測點位較多且綜合布線復雜，導致監測效果不好，不能有效降低建筑物能耗，基于這個問題，有必要開發一套基于物聯網技術的建筑物綜合環境能耗監測管理系統來解決上述問題。

　　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進行實時采集，網關或基站節點及其接入設備，按照相關通信協議和規約，將采集的信息數據或用戶需求指令傳輸到網絡或信息數據采集層。傳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的數據，這是物聯網的一個重要特征。

　　（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，針對采集的數據開展清理、存儲、建模、分析等工作。各前端采集系統與中心服務器之間采用高速以太網通信機制，可以順利采集到遍布全島的各類物聯網信息、視頻監控畫面等，再經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。

　　（3）應用層。智慧的管理決策與應用層包括多個方面：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行實時展示和分析數據展示據：數據的可視化是對數據價值直接應用形式，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，可以為節能降耗的策略提供數據支撐。

　　正常狀態下的建筑物內的各種能量也可通過能耗感知系統的數據呈現頁面隨時查看、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化組合，從一定程度上節約可利用資源，幫助用戶解決耗能問題。

　　建筑物的能耗監測管理系統是在ZigBee網絡結構與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網絡接入云系統，這不但可以直接連接本地各個系統終端，同時可以兼顧廣域內各個不同建筑的能耗管控。

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

　　1.1.1網絡通信層

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

　　ZigBee、4G/5G等網絡聯合組成，將其運用在用戶與系統之間的溝通上，不但可以及時下發指令，還可以接收上層發送來的信息，同時徘徊在兩者之間，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為信息傳送終端，主要的作用是接收通信層傳遞過來的數據信息，利用設備的感應功能分析數據，保留可用的設備數據，再經過網絡中轉站，完成數據信息互相轉換，使數據完整的到達下一個功能層，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，是系統框架的部分，是連接人類與機器的橋梁，是實現系統自動化的核心。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測設備構成，例如無線網絡平臺、傳輸系統、顯示屏幕、UPS設備等。不僅可以通過數據來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際信息與正常運行時的數據，經過特殊處理，以圖像、信號和數字等形式表現出來。

　　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、圖片等形式來展現整個系統的運行狀態。

　　1.2無線傳感網絡設計

　　能量監測管理系統是基于無線局域網通信平臺與通信互動平臺和其他輔助管理平臺共同協作的基礎上的，三者聯合合作，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，確保系統的通信平臺正常運行，其功能如下：

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

　　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，明確系統下發的指令。

　　④網絡管理：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移動控制：對每個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，對用戶產生不利的影響，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：作為系統的輔助平臺，主要為系統提供一些輔助的技術手段，包括數據的查詢、采集和后續管理等等，服務于用戶，從用戶的角度處理問題，提高系統質量服務。

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

　　②管理接口：符合管理協議，傳輸數據到功能層。

　　③服務接口：在不同的環境中發揮著不同的作用，利用局域網平臺傳遞系統指令，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，其功能層分為基礎應用層、數據傳輸層和網絡層。

　　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，減少網絡負擔，使無線網絡加速運行。

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

　　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平臺，使用戶能夠快速檢索和查詢。

　　1.3能耗監測系統無線傳感網絡節點設計與實現

　　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，由于現代社會的不斷進步，大量*設備儀器都在影響著環境的耗能監測，這些儀器遵循著各自的工作模式，與系統之間維持著緊密的聯系，所以為了解決建筑物密集、設備干擾的問題，對系統中的傳感節點采用ZigBee的技術進行設計。

　　（1）數據處理單元：包括傳感器、處理器與儲存器等，嚴格管理節點數據的處理過程，同時可以將內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，同時轉化成數字與符號。

　　（3）數據傳輸單元：與系統的通信軟件相關，通過通信平臺將節點數據傳輸到網絡平臺，之后再接受上一個節點信息，周而復始，完成一個周期。

　　（4）電源連接單元：系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，保證系統穩定運行。

　　2監測系統網關服務器的設計

　　2.1能耗監測管理系統網關服務器體系結構

　　在構建能耗監測系統過程中，要使用智能服務器作為各個結構之間的載體，不但符合系統的運行特點，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，通過智能技術，直接下達監測指令，實時監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控制終端網關硬件設計

　　根據用戶的需求與系統的功能選擇龍芯1B處理器來作為監測管理系統的核心處理器，可以一定限度地實現Linux的優勢，該處理器是產于中國，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。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線網絡的傳輸速率。本文中設計的系統就是通過JTAG接口來調試核心處理器，實現了數據的儲存，對系統畫面的控制。

　　3系統軟件設計

　　3.1數據處理

　　傳感器的結構不同，就會導致數據的處理方式產生變化，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，以其中的關聯度作為前提進行融合與處理。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

　　應用服務層主要是基于用戶需求、信息查詢與數據處理三個層次，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筑物周圍環境的監測；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解決方案，推進社會節能減排工作。

　　（1）能耗監測：包括自然環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：專家會根據系統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）節能分析：找到建筑物環境中耗能的特點，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，構架耗能監測模型圖，提出節能減排的策略，為城市的生態建設做出貢獻。

　　4Acrel-EIOT能源物聯網云平臺

　　（1）概述

　　Acrel-EIoT能源物聯網開放平臺是一套基于物聯網數據中臺，建立統一的上下行數據標準，為互聯網用戶提供能源物聯網數據服務的平臺。用戶僅需購買安科瑞物聯網傳感器，選配網關，自行安裝后掃碼即可使用手機和電腦得到所需的行業數據服務。

　　該平臺提供數據駕駛艙、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，并支持多平臺、多語言、多終端數據訪問。

　　（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、樓管系統集成商、小型物業、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業能耗、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。在智能化方面實現供配電監控系統的遙測'、遙信、遙控控制，對系統進行綜合檢測和統一管理；在數據資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內各設備運行（包括歷史和實時參數，并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、能源生產以及使用的全過程有機結合起來，運用*數據處理與分析技術，進行離線生產分析與管理，實現全廠能源系統的統一調度，優化能源介質平衡、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、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）報表中心：提供售電、售水財務報表、用能報表、報警報表等查詢，本系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，對接入系統的充電樁站點和各個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，并達到一定節能減掛的效果。

監控頁面

　　◆安全用電

　　安全用電采用自主研發的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器，對引發電氣火災的主要因素（導線溫度、電流和剩余電流）進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，并將發現的各種隱患信息及時推送給企業管理人員，指導企業實現及時的排查和治理，達到消除潛在電氣火災安全隱患，實現“防患于未然"的目的。

　　◆智慧消防

　　通過云平臺進行數據分析、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。原先針對“九小場所"和危化品生產企業無法有效監控的空白，適應于所有公建和民建，實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"、用電管理“精細化"的實際需求。

　　（5）系統硬件配置

　　5結束語

　　本文研究了一個基于物聯網的建筑物綜合環境能耗監測管理系統，此系統能夠實時監測建筑能耗數據，用戶能夠實時動態的監測建筑物內部耗能，并且能夠對運行狀態存儲，實現能耗評估、能耗診斷的功能。并且，還大大減少了綜合布線環節，減少工作量，滿足了系統的設計需求。但是由于研究時間有限，所研究系統難免有不足之處，在后續研究中將進一步優化此系統，為相關領域提供幫助。