【解決方案】基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物綜合環(huán)境能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

1能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

  建筑綜合環(huán)境能耗監(jiān)測(cè)管理主要是由感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層次結(jié)構(gòu)組成。

（1）感知層。建筑體內(nèi)控制設(shè)備分散，需要在各個(gè)能耗設(shè)備終端加入能耗計(jì)量采集裝置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，采集裝置的通信技術(shù)可以采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以太網(wǎng)傳輸或無線傳輸方式。通過傳感器以及采集設(shè)備對(duì)相關(guān)目標(biāo)物體的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，網(wǎng)關(guān)或基站節(jié)點(diǎn)及其接入設(shè)備，按照相關(guān)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(luò)或信息數(shù)據(jù)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(jiān)控物體的數(shù)據(jù)，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(yīng)用服務(wù)器組和數(shù)據(jù)服務(wù)器集群等為硬件基礎(chǔ)。采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)軟件為建設(shè)載體，針對(duì)采集的數(shù)據(jù)開展清理、存儲(chǔ)、建模、分析等工作。各前端采集系統(tǒng)與中心服務(wù)器之間采用高速以太網(wǎng)通信機(jī)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*合、信息挖掘等，通過可視化大屏等終端以展現(xiàn)。

（3）應(yīng)用層。智慧的管理決策與應(yīng)用層包括多個(gè)方面：數(shù)據(jù)展示據(jù)分析、設(shè)備管理、應(yīng)急管理等，基于數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用對(duì)能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)展示和分析數(shù)據(jù)展示據(jù)：數(shù)據(jù)的可視化是對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值直接應(yīng)用形式，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，可以直觀地了解到各設(shè)備的能耗狀態(tài)以及趨勢(shì)；設(shè)備管理是采集層所連接的設(shè)備終端不但有設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及故障告警等數(shù)據(jù)也同時(shí)采集，這些數(shù)據(jù)的應(yīng)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(nèi)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(shí)查看、監(jiān)測(cè)其能量的損耗和功能的轉(zhuǎn)化，可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，通過分析有效實(shí)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(cè)管理系統(tǒng)是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與區(qū)間局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立的，若要加入用戶的反饋就可以接入外用Internet網(wǎng)絡(luò)接入云系統(tǒng)，這不但可以直接連接本地各個(gè)系統(tǒng)終端，同時(shí)可以兼顧廣域內(nèi)各個(gè)不同建筑的能耗管控。

  監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)離不開互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺(tái)，對(duì)建筑物體的耗能情況的監(jiān)控與實(shí)施的具體措施都是建立在無線局域網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，與此同時(shí)，系統(tǒng)可以同時(shí)管控多個(gè)建筑物，形成一個(gè)自控聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于多層單一分布的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其功能層是由網(wǎng)絡(luò)通信層、設(shè)備終端層與站控管理層共同組成。

1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

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

（1）通信互動(dòng)平臺(tái)：將各個(gè)傳感器所屬的控制中心緊緊相連，一對(duì)一地實(shí)行嚴(yán)格管控，確保系統(tǒng)的通信平臺(tái)正常運(yùn)行，其功能如下：

①基礎(chǔ)管理：與局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)連接形成一個(gè)環(huán)形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，遍布建筑物的耗能數(shù)據(jù)，保證各個(gè)感應(yīng)器的傳感效果能夠準(zhǔn)確識(shí)別并系統(tǒng)正常運(yùn)行。

②滿足用戶需求：平臺(tái)上征求用戶的意見，快速提供處理方法，不錯(cuò)的質(zhì)量控制，達(dá)到用戶的標(biāo)準(zhǔn)。

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(zhǔn)確識(shí)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(luò)管理：有效的檢測(cè)平臺(tái)上的數(shù)據(jù)信息，將不同數(shù)據(jù)分散到相應(yīng)的系統(tǒng)區(qū)域，到達(dá)相對(duì)應(yīng)的感應(yīng)系統(tǒng)與設(shè)備。

⑤移動(dòng)控制：對(duì)每個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤定位，分析節(jié)點(diǎn)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(dòng)控制。

⑥安全管理：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、框架多變，各種軟件硬件均可能出現(xiàn)差錯(cuò)，致使數(shù)據(jù)泄露，對(duì)用戶產(chǎn)生不利的影響，因此要加入安全管理軟件，在每個(gè)結(jié)構(gòu)都要設(shè)有安全密碼，增加安全保障。

（2）應(yīng)用輔助平臺(tái)：作為系統(tǒng)的輔助平臺(tái)，主要為系統(tǒng)提供一些輔助的技術(shù)手段，包括數(shù)據(jù)的查詢、采集和后續(xù)管理等等，服務(wù)于用戶，從用戶的角度處理問題，提高系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間，同時(shí)移動(dòng)，傳遞不同的數(shù)據(jù)，促使各個(gè)環(huán)節(jié)共同工作，準(zhǔn)確定位節(jié)點(diǎn)的位置，獲取節(jié)點(diǎn)的信息，在系統(tǒng)中起著至關(guān)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(wù)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(tái)傳遞系統(tǒng)指令，提供數(shù)據(jù)信息查詢。

（3）分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：通過無線網(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(chǔ)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層。

①基礎(chǔ)應(yīng)用層：利用視覺與聽覺的識(shí)別軟件來鞏固通信框架，減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，使無線網(wǎng)絡(luò)加速運(yùn)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€(gè)結(jié)構(gòu)層，保證平臺(tái)內(nèi)的數(shù)據(jù)不出現(xiàn)缺失、混亂等狀況。

③網(wǎng)絡(luò)層：保護(hù)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)不受阻礙，正?；顒?dòng)，攜帶的數(shù)據(jù)完整的上傳平臺(tái)，使用戶能夠快速檢索和查詢。

1.3能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  建筑物中可消耗的能源包括電、水、熱量等，每時(shí)每刻都在影響著周圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)，其物理原因有地表的溫度、人類的活動(dòng)、各種災(zāi)害等等，由于現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，大量先進(jìn)的設(shè)備儀器都在影響著環(huán)境的耗能監(jiān)測(cè)，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(shè)備干擾的問題，對(duì)系統(tǒng)中的傳感節(jié)點(diǎn)采用ZigBee的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）數(shù)據(jù)處理單元：包括傳感器、處理器與儲(chǔ)存器等，嚴(yán)格管理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理過程，同時(shí)可以將內(nèi)外之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。

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

（3）數(shù)據(jù)傳輸單元：與系統(tǒng)的通信軟件相關(guān)，通過通信平臺(tái)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，之后再接受上一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，周而復(fù)始，完成一個(gè)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(jié)構(gòu)，它可以持續(xù)工作，持續(xù)充電，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的設(shè)計(jì)

2.1能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)

  在構(gòu)建能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過程中，要使用智能服務(wù)器作為各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的載體，不但符合系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，還緊跟現(xiàn)代科技潮流，按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)了龍芯1B處理器，通過智能技術(shù)，直接下達(dá)監(jiān)測(cè)指令，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑物周圍設(shè)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(shè)計(jì)

  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(cè)管理系統(tǒng)的核心處理器，可以一定限度地實(shí)現(xiàn)Linux的優(yōu)勢(shì)，該處理器是產(chǎn)于中國(guó)，是利用SMIC0.13μm制作，其特點(diǎn)是造價(jià)低，性能良好，具有不錯(cuò)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(kuò)大其兼容性，還在一定程度上增加了無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是通過JTAG接口來調(diào)試核心處理器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，對(duì)系統(tǒng)畫面的控制。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)處理

  傳感器的結(jié)構(gòu)不同，就會(huì)導(dǎo)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(jí)，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(chǔ)結(jié)構(gòu)打好基礎(chǔ)。近年來常用的*合方法是異構(gòu)化*合方法：第三，利用其特異性構(gòu)建關(guān)系模型圖，以其中的關(guān)聯(lián)度作為前提進(jìn)行*合與處理。傳統(tǒng)的傳感器雖然安全穩(wěn)定，但儲(chǔ)存空間比較小，面對(duì)大量數(shù)據(jù)就會(huì)導(dǎo)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(chǔ)存空間大，適合現(xiàn)代系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2應(yīng)用服務(wù)

  應(yīng)用服務(wù)層主要是基于用戶需求、信息查詢與數(shù)據(jù)處理三個(gè)層次，不止適用單一的設(shè)備耗能情況的監(jiān)測(cè)，還可以用在公共場(chǎng)合建筑物周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)；主要是監(jiān)測(cè)其能量消耗情況、周圍影響因素的分析、耗能設(shè)備的排查等，針對(duì)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(jié)能減排工作。

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

（2）智能控制：專家會(huì)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(diào)低室內(nèi)的溫度、通風(fēng)換氣。

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

（4）耗能預(yù)測(cè)：查找建筑物以往的使用頻率與特點(diǎn)，預(yù)測(cè)未來的耗能情況，構(gòu)架耗能監(jiān)測(cè)模型圖，提出節(jié)能減排的策略，為城市的生態(tài)建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

4Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

（1）概述

 Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)。用戶僅需購買安科瑞物聯(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(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

 該平臺(tái)提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測(cè)、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺(tái)、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場(chǎng)所

 本平臺(tái)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(yùn)維等領(lǐng)域。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（4）平臺(tái)功能

◆電力集抄

 電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)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(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測(cè)'、遙信、遙控控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測(cè)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(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)和年報(bào)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(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有*結(jié)合起來，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)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(dá)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(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對(duì)建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

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

4）售電管理：對(duì)已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對(duì)已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報(bào)表*心：提供售電、售水財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢，本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

◆充電樁管理

 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)的所有功能，包括城市級(jí)大屏、交易管理、財(cái)務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)分析、基礎(chǔ)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(shù)對(duì)安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)策略配置及后臺(tái)遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

◆安全用電

 安全用電采用一時(shí)間的排查和治理，達(dá)到消潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

◆智慧消防

 通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)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)。填*了原先針對(duì)“九小場(chǎng)所”和?；飞a(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實(shí)際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置