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、分層設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、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刻影響著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展。據(jù)《中國建筑能耗報告2020》 顯示，2005 ~ 2018年期間，建筑運行階段能耗從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%。《重點用能單位節(jié)能管理辦法》自2018年5月1日起施行，要求重點用能單位提高能源利用效率，控制能源消費總量。有效的建筑能耗監(jiān)測是實現(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
1.1 系統(tǒng)設(shè)計框圖
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提供數(shù)據(jù)支撐。同時，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
該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通常由3個節(jié)點構(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ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點也稱為匯聚節(jié)點，將多個終端設(shè)備節(jié)點置于不同的位置，它們把采集到的數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點先對數(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，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標(biāo)。
2 系統(tǒng)分層設(shè)計
2. 1 數(shù)據(jù)感知層設(shè)計
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，每個傳感終端安裝數(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
協(xié)調(diào)器基于CC2530單片機(jī)設(shè)計，驅(qū)動兩個串口，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ZigBee通信模塊和一個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
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，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。任意多個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。總線設(shè)計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。
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，安裝在暖氣水管上，用于檢測進(jìn)水流量。本設(shè)計選用的霍爾流量計額定工作電壓為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。*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
4.1溫度傳感終端軟件設(shè)計
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DS18B20傳感器，因此給每一個傳感器增加了一個序號，從不同引腳讀取的溫度分配一個單獨的變量存儲這一數(shù)據(jù)，通過指針不斷加1來指向不同的存儲單元。由于在讀取每一個引腳時，都需要單獨拉高電平和延時，因此多個傳感器共同工作時采用輪次查詢方式讀取各個傳感器的溫度數(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
流量傳感器驅(qū)動程序主體為一次計數(shù)的中斷，如圖6所示。圖6中，霍爾流量計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數(shù)進(jìn)行計數(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
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數(shù)據(jù)，流程如圖7所示。圖7中，電量變送器共有6項數(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
傳感終端軟件運行流程如圖8所示。圖8中，傳感終端日常運行在采集模式，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)上傳既實現(xiàn)了通信狀況的檢驗，又傳輸了實際數(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
協(xié)調(diào)器軟件運行流程如圖9所示。圖9中，協(xié)調(diào)器日常運行在采集模式，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)點編號存入順序表，依據(jù)MQTT協(xié)議報文格式進(jìn)行數(shù)據(jù)流封裝，*終上傳至云服務(wù)器。
多個命令同時下發(fā)時，協(xié)調(diào)器對指令逐個解析并下發(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
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個折線圖、2個實時數(shù)據(jù)儀表和 1 個繼電器遠(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、水暖累計流量、水暖瞬時流量；實時數(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個板塊共同實現(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)、水暖的實際制冷、制熱效率進(jìn)行評價，需要得到單位時間內(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)外實時氣溫，（b）顯示監(jiān)控時間內(nèi)教室內(nèi)外氣溫差值。
b. 流量上傳功能分析。本設(shè)計對水暖系統(tǒng)實際流過的熱水流量進(jìn)行監(jiān)控，以便計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方面：瞬時流量與累計流量。如圖 10 （c）顯示水暖瞬時流量，（d）顯示水暖累計流量。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 為一個周期，如圖10（e）顯示空調(diào)的累計用電量變化，正常運行時折線應(yīng)當(dāng)趨勢穩(wěn)定、波動較小。故障時，折線將出現(xiàn)很大變化。
d.空調(diào)制冷效率功能分析。空調(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空調(diào)高效運轉(zhuǎn)，這與實際情況較為符合。
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)化運行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運維， 班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。
5.2后勤計費管理
采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費率設(shè)置、 賬單統(tǒng)計匯總等，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
針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費管理。
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，實現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時 開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(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表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運行狀態(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)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(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，實時動態(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，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運行，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，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報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)控與運維平臺
6.2后勤計費管理
6.2.1宿舍/商業(yè)預(yù)付費平臺
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)，實現(xiàn)了建筑能耗分類、分項和分戶監(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)。
【參考文獻(xiàn)】
【1】巫春玲，周 潛，任 凱，王致垚.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園能效監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計[J].建筑電氣，2022，15（09）：64-69.
【2】中國建筑節(jié)能協(xié)會.中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節(jié)能（中英文），2021，49（2）：1-6.
【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.
【4】企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版.
