安科瑞 劉秋霞
摘 要：針對高校教學(xué)建筑能效監(jiān)管效率低的問題，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、分層設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能測試等方面闡述了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)。通過對能耗監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵功能的測試，測試效果良好，結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：能效監(jiān)管；智慧校園；物聯(lián)網(wǎng)；能源管理；能耗數(shù)據(jù)；ZigBee；WiFi；節(jié)能改造
0 引言
隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)化、現(xiàn)代化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)，隨之而來的資源、能源的合理利用等問題也時(shí)刻影響著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。據(jù)《中國建筑能耗報(bào)告2020》 顯示，2005 ~ 2018年期間，建筑運(yùn)行階段能耗從4.8億tce（噸標(biāo)準(zhǔn)煤）增長至9.5億tce，年平均增長率為5.39%?！吨攸c(diǎn)用能單位節(jié)能管理辦法》自2018年5月1日起施行，要求重點(diǎn)用能單位提高能源利用效率，控制能源消費(fèi)總量。有效的建筑能耗監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)節(jié)約型校園不可少的重要環(huán)節(jié)，配備能耗監(jiān)管系統(tǒng)用于控制能源消費(fèi)成為迫切需求。本研究針對高校教學(xué)建筑能耗現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)引入ZigBee和WiFi無線傳輸技術(shù)，以一間理想教室為研究對象，采集溫度、流量、電量消耗數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)部組網(wǎng)，借助云服務(wù)器平臺匯總數(shù)據(jù)，分析教室空調(diào)制冷、水暖供暖的能源效率，從而清楚地掌控校園建筑的能源消耗情況并為節(jié)能改造提供依據(jù)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)由能耗數(shù)據(jù)感知層（獲取數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)傳輸層（數(shù)據(jù)匯總和上傳），以及數(shù)據(jù)應(yīng)用層（數(shù)據(jù)展示）3大部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
數(shù)據(jù)感知層（獲取數(shù)據(jù)）由數(shù)量眾多的傳感終端組成，采集到的數(shù)據(jù)匯總至數(shù)據(jù)傳輸層的協(xié)調(diào)器，接收能源消耗數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)應(yīng)用層由OneNET 云服務(wù)器支持，具備數(shù)據(jù)整理、分析、顯示等多項(xiàng)功能，為對應(yīng)教室的空調(diào)制冷、水暖供暖能源使用效率評價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，云服務(wù)器可按照能源消耗數(shù)據(jù)上傳的路徑發(fā)布指令，控制傳感終端。
1.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通常由3個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：協(xié)調(diào)（Coordinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)形成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。
從圖2中不難看出，傳感終端連接各種傳感器采集能源消耗數(shù)據(jù).協(xié)調(diào)器用來創(chuàng)建和主 導(dǎo)一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，將多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)置于不同的位置，它們把采集到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后把數(shù)據(jù)通過 WiFi 模塊傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器進(jìn)行通信，上傳能耗數(shù)據(jù)，下發(fā)遠(yuǎn)程指令，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標(biāo)。
2 系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)
2. 1 數(shù)據(jù)感知層設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)感知層包含眾多傳感終端，雖然每種傳感終端連接的傳感器種類和數(shù)量存在差 異 ，但在結(jié)構(gòu)上具備高度一致性，如圖3所示。
圖3中，傳感終端基于CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)傳感終端安裝數(shù)量不同的傳感器。水暖傳感終端在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)繼電器用于遠(yuǎn)程控制閥門通斷。各傳感終端與協(xié)調(diào)器通信采用ZigBee通信模塊，通過外置天線發(fā)送數(shù)據(jù)、接收指令。CC2530單片機(jī)完成驅(qū)動傳感器、打包采集數(shù)據(jù)、驅(qū)動通信模塊、處理上級系統(tǒng)指令等功能。
2. 2 數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器基于CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)，驅(qū)動兩個(gè)串口，連接ZigBee和ESP8266兩種通信模塊，肩負(fù)數(shù)據(jù)匯總和協(xié)議轉(zhuǎn)換兩種職能。協(xié)調(diào)器包含一個(gè)ZigBee通信模塊和一個(gè)ESP8266WiFi 模塊：串口1連接ZigBee通信模塊，與傳感終端形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，接收傳感終端的數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令至傳感終端；串口2連接ESP8266模塊，負(fù)責(zé)通過WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)給云平臺，并接收云平臺反饋的指令。
2. 3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)應(yīng)用層負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器和下發(fā)指令至協(xié)調(diào)器，其信息的通信均遵循 MQTT協(xié)議。因此數(shù)據(jù)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)與MQTT協(xié)議應(yīng)用模型具有較高相似性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。本設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)器作為訂閱者，服務(wù)器則是發(fā)布者，協(xié)調(diào)器接收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，依照 MQTT協(xié)議的報(bào)文格式進(jìn)行數(shù)據(jù)流封裝，打包完成的新數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器上傳至代理，代理隨后將數(shù)據(jù)放入云服務(wù)器后臺。下發(fā)指令時(shí)，代理首先對指令指向的終端所屬協(xié)調(diào)器名進(jìn)行解析，隨后將指令發(fā)送至對應(yīng)協(xié)調(diào)器等待下一步操作。
3 硬件系統(tǒng)選型
3.1主控制器選型
主控器選型為CC2530單片機(jī)，CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802. 15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。其封裝的、被ZigBee為聯(lián)盟認(rèn)定為參考協(xié)議的Z - STACK 協(xié)議棧使得編譯、修改相關(guān)程序變得不易出錯。
3.2溫度傳感器選型
溫度傳感器選型為DS18B20，用于測量氣體溫度和水溫，具有接線便捷、精度高、拓展方便、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)。任意多個(gè)DS18B20可以存放在同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件?？偩€設(shè)計(jì)可通過求取平均值使得測量結(jié)果更準(zhǔn)確，節(jié)省 ZigBee節(jié)點(diǎn)。
3.3流量傳感器選型
流量傳感器的型號選擇為霍爾流量計(jì)，安裝在暖氣水管上，用于檢測進(jìn)水流量。本設(shè)計(jì)選用的霍爾流量計(jì)額定工作電壓為DC5V，通用性好，使用方便。
3.4電量變送器選型
電量變送器選型為SUI - 101A，具有精度高、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。*大測量電壓為 AC 400V，電流上限為30A，具備一定的載荷能力，且內(nèi)置了防雷保護(hù)，安全性好。
4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1溫度傳感終端軟件設(shè)計(jì)
溫度傳感終端驅(qū)動程序包括初始化、循環(huán)讀取溫度數(shù)據(jù)兩部分，如圖5所示。
圖5中，溫度傳感終端由于驅(qū)動多個(gè)DS18B20傳感器，因此給每一個(gè)傳感器增加了一個(gè)序號，從不同引腳讀取的溫度分配一個(gè)單獨(dú)的變量存儲這一數(shù)據(jù)，通過指針不斷加1來指向不同的存儲單元。由于在讀取每一個(gè)引腳時(shí)，都需要單獨(dú)拉高電平和延時(shí)，因此多個(gè)傳感器共同工作時(shí)采用輪次查詢方式讀取各個(gè)傳感器的溫度數(shù)據(jù)并存儲，等待上傳程序按相同順序讀取。
4.2流量傳感終端軟件設(shè)計(jì)
流量傳感器驅(qū)動程序主體為一次計(jì)數(shù)的中斷，如圖6所示。圖6中，霍爾流量計(jì)的輸出信號為不同頻率的方波，通過方波頻率來表示相應(yīng)的流速，因此這部分的程序編寫采用中斷方式對方波個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過換算即可得出流速數(shù)據(jù)。
4.3電量傳感終端軟件設(shè)計(jì)
電量變送器底層邏輯已被鎖定，本部分軟件流程提供的僅為“容器"作用，創(chuàng)建變量存儲讀取每一項(xiàng)數(shù)據(jù)，流程如圖7所示。圖7中，電量變送器共有6項(xiàng)數(shù)據(jù)可以檢測，上電啟動后變送器進(jìn)入初始化并創(chuàng)建7位變量，1位用于序號標(biāo)記變送器。隨后變送器直接上傳檢測數(shù)據(jù)而無需進(jìn)行其他操作。
4.4傳感終端軟件設(shè)計(jì)
傳感終端軟件運(yùn)行流程如圖8所示。圖8中，傳感終端日常運(yùn)行在采集模式，上電啟動后，終端周期性激活底層驅(qū)動函數(shù)，采集得到能耗數(shù)據(jù)，終端依照ZigBee通信協(xié)議的報(bào)文格式打包，通過ZigBee模塊上傳至協(xié)調(diào)器。第一次數(shù)據(jù)上傳既實(shí)現(xiàn)了通信狀況的檢驗(yàn)，又傳輸了實(shí)際數(shù)據(jù)。隨后繼續(xù)進(jìn)行底層驅(qū)動函數(shù)調(diào)用以采集能耗數(shù)據(jù)。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到指令下發(fā)給終端后，終端進(jìn)入指令模式。終端對數(shù)個(gè)指令依次進(jìn)行解析、執(zhí)行，并不斷查詢是否還有指令未處理。當(dāng)指令全部處理完畢后，終端重新進(jìn)入采集模式，繼續(xù)進(jìn)行周期性能耗數(shù)據(jù)采集和上傳。
4.5協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器軟件運(yùn)行流程如圖9所示。圖9中，協(xié)調(diào)器日常運(yùn)行在采集模式，采集模式主要包含兩方面工作：一是連接云服務(wù)器，二是上傳數(shù)據(jù)。上電啟動后，協(xié)調(diào)器驅(qū)動 ESP8266 按照預(yù)先寫入的WiFi 信息、API key和端口編號連接云服務(wù)器的TCP服務(wù)器。隨后，ZigBee 模塊接收的能耗數(shù)據(jù)依據(jù)終端節(jié)點(diǎn)編號存入順序表，依據(jù)MQTT協(xié)議報(bào)文格式進(jìn)行數(shù)據(jù)流封裝，*終上傳至云服務(wù)器。
多個(gè)命令同時(shí)下發(fā)時(shí)，協(xié)調(diào)器對指令逐個(gè)解析并下發(fā)。結(jié)束這一進(jìn)程后，協(xié)調(diào)器重新回到采集模式，繼續(xù)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集、封裝和上傳。
4.6上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
收集的建筑能耗數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，為使數(shù)據(jù)顯示清晰、有序，本設(shè)計(jì)增加了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建筑能效監(jiān)管平臺用于數(shù)據(jù)顯示，從而為節(jié)能改造提供明確、直觀的建議，圖形界面如圖 10 所示。
從圖10可以看出，能耗數(shù)據(jù)查看頁面包括7個(gè)折線圖、2個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表和 1 個(gè)繼電器遠(yuǎn)程開關(guān)。折線圖分別顯示空調(diào)能耗效率、水暖能耗效率、教室內(nèi)外溫差、水暖進(jìn)出水溫差、空調(diào)用電量、水暖累計(jì)流量、水暖瞬時(shí)流量；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儀表顯示教室內(nèi)外平均氣溫；繼電器遠(yuǎn)程開關(guān)可以控制繼電器通斷。這10個(gè)板塊共同實(shí)現(xiàn)了氣溫上傳、流量上傳、電量上傳、空調(diào)制冷效率、水暖供暖效率功能，以此實(shí)現(xiàn)建筑能耗管理：
a. 氣溫上傳功能分析。為了對空調(diào)、水暖的實(shí)際制冷、制熱效率進(jìn)行評價(jià)，需要得到單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)氣溫的變動數(shù)據(jù)以及其與教室外的溫度差。溫度上傳功能包含兩項(xiàng)數(shù)據(jù)，一是具體溫度，二是溫差。如圖10中（a）顯示室內(nèi)外實(shí)時(shí)氣溫，（b）顯示監(jiān)控時(shí)間內(nèi)教室內(nèi)外氣溫差值。
b. 流量上傳功能分析。本設(shè)計(jì)對水暖系統(tǒng)實(shí)際流過的熱水流量進(jìn)行監(jiān)控，以便計(jì)算單位體積熱水的換熱效率。流量上傳功能包含流量的兩個(gè)方面：瞬時(shí)流量與累計(jì)流量。如圖 10 （c）顯示水暖瞬時(shí)流量，（d）顯示水暖累計(jì)流量。此外，水流量數(shù)據(jù)可以指示當(dāng)前水管是否存在破損漏水情況。
c.電量上傳功能分析。電量上傳以3s 為一個(gè)周期，如圖10（e）顯示空調(diào)的累計(jì)用電量變化，正常運(yùn)行時(shí)折線應(yīng)當(dāng)趨勢穩(wěn)定、波動較小。故障時(shí)，折線將出現(xiàn)很大變化。
d.空調(diào)制冷效率功能分析?？照{(diào)制冷效率具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（f） 顯示空調(diào)的制冷效率，空調(diào)啟動之初及課間人流量大時(shí)空調(diào)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，這與實(shí)際情況較為符合。
e.水暖供暖效率功能分析。水暖制熱效率也具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（g）顯示水暖進(jìn)出水溫差，基于這一數(shù)據(jù)得出圖10（h）所示的水暖的供暖效率，在水暖系統(tǒng)的運(yùn)行周期內(nèi)若無異常情況，這一折線應(yīng)當(dāng)不產(chǎn)生較大波動。圖10（i）是對應(yīng)水暖管的繼電器開關(guān)，在檢修時(shí)可以遠(yuǎn)程控制其通斷。
5 高校綜合能效解決方案
5.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維
集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運(yùn)維， 班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。
5.2后勤計(jì)費(fèi)管理
采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、 賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。
針對學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；可進(jìn)行惡性負(fù)載識別，檢測違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄。
5.2.2商鋪水電收費(fèi)
針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理。
5.2.3充電樁管理平臺
充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。
5.2.4智能照明管理
通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí) 開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。
5.3能源管理系統(tǒng)
針對校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。
按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。
構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。
5.4智慧消防系統(tǒng)
智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實(shí)時(shí)動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。
6.平臺部署硬件選型
6.1電力監(jiān)控與運(yùn)維平臺
6.2后勤計(jì)費(fèi)管理
6.2.1宿舍/商業(yè)預(yù)付費(fèi)平臺
6.2.2充電樁管理平臺
6.2.3智能照明管理
6.3能源管理系統(tǒng)
6.4智慧消防系統(tǒng)
6.4.1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)
6.4.26.4.26.51f6.4.2 6.4.2消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)
6.4.3防火門監(jiān)控系統(tǒng)
6.4.4消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)
7 結(jié)束語
在節(jié)能減排的大背景下，對能源消耗占比較大的校園建筑進(jìn)行有效能效監(jiān)管意義重大。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了建筑能耗分類、分項(xiàng)和分戶監(jiān)管等功能，為優(yōu)化高校建筑能源消耗管理和節(jié)能改造提供依據(jù)。
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