安科瑞 陳聰

摘 要：針對高校教學(xué)建筑能效監管效率低的問(wèn)題，從系統總體設計、分層設計、硬件系統設計、軟件系統設計、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管系統。通過(guò)對能耗監管系統關(guān)鍵功能的測試，測試效果良好，結果符合設計要求。

關(guān)鍵詞：能效監管；智慧校園；物聯(lián)網(wǎng)；能源管理；能耗數據；ZigBee；WiFi；節能改造

0 引言

隨著(zhù)中國社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)化、現代化進(jìn)程穩步推進(jìn)，隨之而來(lái)的資源、能源的合理利用等問(wèn)題也時(shí)刻影響著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展。據《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（噸標準煤）增長(cháng)至9.5億tce，年平均增長(cháng)率為5.39%?！吨攸c(diǎn)用能單位節能管理辦法》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，控制能源消費總量。有效的建筑能耗監測是實(shí)現節約型校園不可少的重要環(huán)節，配備能耗監管系統用于控制能源消費成為迫切需求。本研究針對高校教學(xué)建筑能耗現狀，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建筑能效監管系統。該系統引入ZigBee和WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，以一間理想教室為研究對象，采集溫度、流量、電量消耗數據，建立相應的數據傳輸內部組網(wǎng)，借助云服務(wù)器平臺匯總數據，分析教室空調制冷、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能改造提供依據。

1 系統總體設計

1.1 系統設計框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監管系統由能耗數據感知層（獲取數據）、數據傳輸層（數據匯總和上傳），以及數據應用層（數據展示）3大部分組成，系統總體設計框圖如圖1所示。

數據感知層（獲取數據）由數量眾多的傳感終端組成，采集到的數據匯總至數據傳輸層的協(xié)調器，接收能源消耗數據并上傳至數據應用層。數據應用層由OneNET 云服務(wù)器支持，具備數據整理、分析、顯示等多項功能，為對應教室的空調制冷、水暖供暖能源使用效率評價(jià)提供數據支撐。同時(shí)，云服務(wù)器可按照能源消耗數據上傳的路徑發(fā)布指令，控制傳感終端。

1.2系統網(wǎng)絡(luò )拓撲設計

該系統采用ZigBee網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò )通常由3個(gè)節點(diǎn)構成：協(xié)調（Coordinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。協(xié)調器和終端設備節點(diǎn)形成星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，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據.協(xié)調器用來(lái)創(chuàng )建和主 導一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器節點(diǎn)也稱(chēng)為匯聚節點(diǎn)，將多個(gè)終端設備節點(diǎn)置于不同的位置，它們把采集到的數據傳給匯聚節點(diǎn)，匯聚節點(diǎn)先對數據進(jìn)行處理，然后把數據通過(guò) WiFi 模塊傳給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器進(jìn)行通信，上傳能耗數據，下發(fā)遠程指令，將ZigBee網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)的目標。

2 系統分層設計

2. 1 數據感知層設計

數據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(lèi)和數量存在差 異 ，但在結構上具備高度一致性，如圖3所示。

圖3中，傳感終端基于CC2530單片機設計，每個(gè)傳感終端安裝數量不同的傳感器。水暖傳感終端在此基礎上增加一個(gè)繼電器用于遠程控制閥門(mén)通斷。各傳感終端與協(xié)調器通信采用ZigBee通信模塊，通過(guò)外置天線(xiàn)發(fā)送數據、接收指令。CC2530單片機完成驅動(dòng)傳感器、打包采集數據、驅動(dòng)通信模塊、處理上級系統指令等功能。

2. 2 數據傳輸層設計

協(xié)調器基于CC2530單片機設計，驅動(dòng)兩個(gè)串口，連接ZigBee和ESP8266兩種通信模塊，肩負數據匯總和協(xié)議轉換兩種職能。協(xié)調器包含一個(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撲結構，接收傳感終端的數據，發(fā)送控制命令至傳感終端；串口2連接ESP8266模塊，負責通過(guò)WiFi發(fā)送數據給云平臺，并接收云平臺反饋的指令。

2. 3 數據應用層設計

數據應用層負責將數據上傳至云服務(wù)器和下發(fā)指令至協(xié)調器，其信息的通信均遵循 MQTT協(xié)議。因此數據應用層結構與MQTT協(xié)議應用模型具有較高相似性，其結構如圖4所示。本設計中，協(xié)調器作為訂閱者，服務(wù)器則是發(fā)布者，協(xié)調器接收到終端發(fā)送的數據后，依照 MQTT協(xié)議的報文格式進(jìn)行數據流封裝，打包完成的新數據從協(xié)調器上傳至代理，代理隨后將數據放入云服務(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)調器名進(jìn)行解析，隨后將指令發(fā)送至對應協(xié)調器等待下一步操作。

3 硬件系統選型

3.1主控制器選型

主控器選型為CC2530單片機，CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802. 15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）解決方案。其封裝的、被ZigBee為聯(lián)盟認定為參考協(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(xiàn)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(xiàn)總線(xiàn)上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件?？偩€(xiàn)設計可通過(guò)求取平均值使得測量結果更準確，節省 ZigBee節點(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，安裝在暖氣水管上，用于檢測進(jìn)水流量。本設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(diǎn)。*大測量電壓為 AC 400V，電流上限為30A，具備一定的載荷能力，且內置了防雷保護，安全性好。

4軟件系統設計

4.1溫度傳感終端軟件設計

溫度傳感終端驅動(dòng)程序包括初始化、循環(huán)讀取溫度數據兩部分，如圖5所示。

圖5中，溫度傳感終端由于驅動(dòng)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)單獨的變量存儲這一數據，通過(guò)指針不斷加1來(lái)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(xún)方式讀取各個(gè)傳感器的溫度數據并存儲，等待上傳程序按相同順序讀取。

4.2流量傳感終端軟件設計

流量傳感器驅動(dòng)程序主體為一次計數的中斷，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(guò)方波頻率來(lái)表示相應的流速，因此這部分的程序編寫(xiě)采用中斷方式對方波個(gè)數進(jìn)行計數，通過(guò)換算即可得出流速數據。

4.3電量傳感終端軟件設計

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據，流程如圖7所示。圖7中，電量變送器共有6項數據可以檢測，上電啟動(dòng)后變送器進(jìn)入初始化并創(chuàng )建7位變量，1位用于序號標記變送器。隨后變送器直接上傳檢測數據而無(wú)需進(jìn)行其他操作。

4.4傳感終端軟件設計

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(dòng)后，終端周期性激活底層驅動(dòng)函數，采集得到能耗數據，終端依照Z(yǔ)igBee通信協(xié)議的報文格式打包，通過(guò)ZigBee模塊上傳至協(xié)調器。第一次數據上傳既實(shí)現了通信狀況的檢驗，又傳輸了實(shí)際數據。隨后繼續進(jìn)行底層驅動(dòng)函數調用以采集能耗數據。當協(xié)調器收到指令下發(fā)給終端后，終端進(jìn)入指令模式。終端對數個(gè)指令依次進(jìn)行解析、執行，并不斷查詢(xún)是否還有指令未處理。當指令全部處理完畢后，終端重新進(jìn)入采集模式，繼續進(jìn)行周期性能耗數據采集和上傳。

4.5協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器軟件運行流程如圖9所示。圖9中，協(xié)調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，二是上傳數據。上電啟動(dòng)后，協(xié)調器驅動(dòng) ESP8266 按照預先寫(xiě)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 模塊接收的能耗數據依據終端節點(diǎn)編號存入順序表，依據MQTT協(xié)議報文格式進(jìn)行數據流封裝，*終上傳至云服務(wù)器。

多個(gè)命令同時(shí)下發(fā)時(shí)，協(xié)調器對指令逐個(gè)解析并下發(fā)。結束這一進(jìn)程后，協(xié)調器重新回到采集模式，繼續進(jìn)行能耗數據采集、封裝和上傳。

4.6上位機軟件設計

收集的建筑能耗數據上傳至云服務(wù)器，為使數據顯示清晰、有序，本設計增加了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園建筑能效監管平臺用于數據顯示，從而為節能改造提供明確、直觀(guān)的建議，圖形界面如圖 10 所示。

從圖10可以看出，能耗數據查看頁(yè)面包括7個(gè)折線(xiàn)圖、2個(gè)實(shí)時(shí)數據儀表和 1 個(gè)繼電器遠程開(kāi)關(guān)。折線(xiàn)圖分別顯示空調能耗效率、水暖能耗效率、教室內外溫差、水暖進(jìn)出水溫差、空調用電量、水暖累計流量、水暖瞬時(shí)流量；實(shí)時(shí)數據儀表顯示教室內外平均氣溫；繼電器遠程開(kāi)關(guān)可以控制繼電器通斷。這10個(gè)板塊共同實(shí)現了氣溫上傳、流量上傳、電量上傳、空調制冷效率、水暖供暖效率功能，以此實(shí)現建筑能耗管理：

a. 氣溫上傳功能分析。為了對空調、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)間內室內氣溫的變動(dòng)數據以及其與教室外的溫度差。溫度上傳功能包含兩項數據，一是具體溫度，二是溫差。如圖10中（a）顯示室內外實(shí)時(shí)氣溫，（b）顯示監控時(shí)間內教室內外氣溫差值。

b. 流量上傳功能分析。本設計對水暖系統實(shí)際流過(guò)的熱水流量進(jìn)行監控，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(gè)方面：瞬時(shí)流量與累計流量。如圖 10 （c）顯示水暖瞬時(shí)流量，（d）顯示水暖累計流量。此外，水流量數據可以指示當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）顯示空調的累計用電量變化，正常運行時(shí)折線(xiàn)應當趨勢穩定、波動(dòng)較小。故障時(shí)，折線(xiàn)將出現很大變化。

d.空調制冷效率功能分析?？照{制冷效率具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（f） 顯示空調的制冷效率，空調啟動(dòng)之初及課間人流量大時(shí)空調高效運轉，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，基于這一數據得出圖10（h）所示的水暖的供暖效率，在水暖系統的運行周期內若無(wú)異常情況，這一折線(xiàn)應當不產(chǎn)生較大波動(dòng)。圖10（i）是對應水暖管的繼電器開(kāi)關(guān)，在檢修時(shí)可以遠程控制其通斷。

5 高校綜合能效解決方案

5.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動(dòng)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

采用的網(wǎng)絡(luò )抄表付費管理技術(shù)，實(shí)現電、水、氣等能源綜合計費，實(shí)現遠程抄表、費率設置、 賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過(guò)能源付費管理方式，培養用能群體和部門(mén)的節能意識。

5.2.1宿舍用電管理

針對學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎用電額度和定時(shí)通斷功能；可進(jìn)行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

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(gè)體的水電用能進(jìn)行預付費管理。

5.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充”信息能源結構中是必*。充電樁應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(guò)對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實(shí)現校園內任一線(xiàn)路，任一個(gè)路燈的定時(shí) 開(kāi)關(guān)、強制開(kāi)關(guān)、亮度調節，以及定時(shí)控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

5.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類(lèi)接入能源進(jìn)行統計分析，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(lèi)進(jìn)行采集和統計的各類(lèi)建筑耗電數據。如辦公類(lèi)建筑耗電、教學(xué)類(lèi)建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數據分門(mén)別類(lèi)的分析，提供領(lǐng)導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動(dòng)完成能耗數據的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態(tài)，設置控制策略，達到節能目的。

5.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算等現代信息技術(shù)，將分散的火災自動(dòng)報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網(wǎng)絡(luò )，并對這些設備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統一的系統大平臺內運行，用戶(hù)、安保人員、監管單位都能夠通過(guò)平臺直觀(guān)地看到每一棟建筑物中各類(lèi)消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內，相關(guān)報警和事件信息通過(guò)手機短信、語(yǔ)音電話(huà)、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guān)人員。

6.平臺部署硬件選型

6.1電力監控與運維平臺

6.2后勤計費管理

6.2.1宿舍/商業(yè)預付費平臺

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

6.4智慧消防系統

6.4.1電氣火災監控系統

6.4.26.4.26.51f6.4.2  6.4.2消防設備電源監控系統

6.4.3防火門(mén)監控系統

6.4.4消防應急照明和疏散指示系統

7 結束語(yǔ)

在節能減排的大背景下，對能源消耗占比較大的校園建筑進(jìn)行有效能效監管意義重大。本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園建筑能效監管系統，實(shí)現了建筑能耗分類(lèi)、分項和分戶(hù)監管等功能，為優(yōu)化高校建筑能源消耗管理和節能改造提供依據。

【參考文獻】

【1】巫春玲，周 潛，任 凱，王致垚.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園能效監管系統設計[J].建筑電氣，2022，15（09）：64-69.

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【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.