淺談物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的校園能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)目前校園電能監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。介紹了校園電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各功能模塊組成結(jié)構(gòu)，并給出了后臺(tái)工程管理模塊的設(shè)計(jì)，即基于后臺(tái)工程化管理，通過設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個(gè)電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)支持多種終端設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，在軟件設(shè)計(jì)和電能監(jiān)測(cè)管理方面具有一定的先進(jìn)性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)：電能監(jiān)測(cè)；設(shè)備建模

目前大部分院校只能通過自動(dòng)抄表系統(tǒng)查看校園整個(gè)用電能耗，并不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各建筑、房間電能消耗情況，無法適應(yīng)節(jié)能型校園的發(fā)展要求，因此需要在校園中應(yīng)用電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，科學(xué)的管理校園各區(qū)域及樓宇的用電情況。目前常見的電能監(jiān)測(cè)的方式有兩種：傳統(tǒng)的手持式抄表機(jī)，這種儀表功能單一，攜帶方便，不能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大，多數(shù)不具備綜合測(cè)量、分析、判斷功能；電能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用zigBee、GPRS等無線通信方式，利用Internet網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，但這種測(cè)量結(jié)果展示不夠直觀，且不具備報(bào)警、自動(dòng)診斷等功能。

自從物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對(duì)目前校園電能監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的校園電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中感知層的電能采集終端從用電設(shè)備上采集電能參數(shù)；傳輸層中的智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)完成R$485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過校園網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層的監(jiān)測(cè)中心完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析處理，并向客戶端提供Web服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)融入工程化、模塊化的設(shè)計(jì)思想。后臺(tái)完成設(shè)備建模方法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備的管理，以組織建模的方法完成設(shè)備所屬組織關(guān)系的管理，滿足系統(tǒng)對(duì)設(shè)備多維化、精細(xì)化管理需求。同時(shí)后臺(tái)利用設(shè)備模板、組織模板的擴(kuò)展功能屬性和復(fù)用屬性，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)智能化存儲(chǔ)?？茖W(xué)的工程化后臺(tái)管理是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是穩(wěn)定、極速、人性化的前臺(tái)根本保障。

一個(gè)完整的電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)電力系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程發(fā)布，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個(gè)層次，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所

圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

感知層的電能采集終端的作用是將原始電壓、電流信號(hào)采集并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，完成電能參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳到智能網(wǎng)關(guān)。本設(shè)計(jì)的電能采集終端可以支持多種電表，如三相四線電子式有功電能表、單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表、智能電網(wǎng)多功能電表等。系統(tǒng)中一些功能是建立在特定表具上的，例如：電流、電壓的趨勢(shì)分析，對(duì)應(yīng)的表具要存在供采集的電流、電壓參數(shù)；功率趨勢(shì)分析也需要可提供功率變量的表具。

傳輸層的功能是把來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸，通過校園網(wǎng)上傳給應(yīng)用層。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過RS485總線接收數(shù)據(jù)，完成RS485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，將終端電表上傳來的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地分析，并通過校園網(wǎng)將數(shù)據(jù)壓縮打包上傳至應(yīng)用層。網(wǎng)關(guān)根據(jù)系統(tǒng)策略分整點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)、異常數(shù)據(jù)上報(bào)與修復(fù)、網(wǎng)關(guān)離線處理等，同時(shí)網(wǎng)關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器斷開連接時(shí)，電表上報(bào)的數(shù)據(jù)將暫時(shí)存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)中，當(dāng)連接正常后再將這些數(shù)據(jù)上報(bào)上去。

應(yīng)用層的監(jiān)測(cè)中心由平臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和客戶端組成。監(jiān)測(cè)中心使用以太網(wǎng)通信協(xié)議接收智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集上來的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。應(yīng)用服務(wù)層采用B/S開發(fā)架構(gòu)，平臺(tái)服務(wù)器完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存工作，并向客戶端提供Web服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)和查詢等任務(wù)。客戶端供用戶方便地完成Web瀏覽。本系統(tǒng)支持多種客戶端終端設(shè)備如計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)等，可供用戶隨時(shí)監(jiān)測(cè)校園內(nèi)的用電情況。同時(shí)，平臺(tái)服務(wù)器還可以把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，提供云服務(wù)，方便用戶的遠(yuǎn)程訪問。

本設(shè)計(jì)的功能模塊分為數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊、前臺(tái)展示模塊和后臺(tái)工程管理模塊三個(gè)部分，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。后臺(tái)的工程管理模塊支持前臺(tái)的展示和管理整個(gè)電能計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖2系統(tǒng)功能模塊圖

2.1數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)采集模塊完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、解析和保存工作，采用自動(dòng)、手動(dòng)相結(jié)合的采集方式，并對(duì)通信過程提供完善的日志管理、事件管理和故障檢測(cè)機(jī)制。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊根據(jù)上報(bào)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分項(xiàng)存儲(chǔ)，根據(jù)存儲(chǔ)策略，平臺(tái)服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和遠(yuǎn)程(云存儲(chǔ))數(shù)據(jù)中心?？蛻舳藢⒄?qǐng)求信息發(fā)送給平臺(tái)服務(wù)器，平臺(tái)服務(wù)器在和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器之間交互后，將處理結(jié)果返回給客戶端。

2.2前臺(tái)展示模塊

前臺(tái)展示模塊設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、用電明細(xì)、用電統(tǒng)計(jì)、用電分析、電能定額管理、綜合信息管

理六大模塊。

1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示

電能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示以秒為單位對(duì)監(jiān)測(cè)電表和參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)展示采用可縮放矢量圖形(SVG)技術(shù)設(shè)計(jì)表頭和24h數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示。展示效果更逼真、直觀。表頭模仿真實(shí)表頭，功能、液晶屏效果。表頭液晶屏功能輪顯方式。多頁多條數(shù)據(jù)可上下翻頁顯示等功能。24h實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)根據(jù)參數(shù)不同，分為柱狀圖展示、餅圖顯示和曲線圖展示。

2)用電明細(xì)

建筑用電明細(xì)可以提供每棟樓及其各房間的用電明細(xì)。用戶可以根據(jù)條件查詢房間所屬部門、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時(shí)間等明細(xì)信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細(xì)，導(dǎo)出格式為PDF、CVS等。部門能耗明細(xì)可以提供各組織部門的用電明細(xì)。用戶可以根據(jù)條件查詢部門所在房間、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時(shí)間等明細(xì)信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細(xì)，導(dǎo)出格式為PDF、CvS等。

3)用電統(tǒng)計(jì)

用電統(tǒng)計(jì)是為了讓用戶更好地了解能耗的使用情況，為節(jié)能提供良好的保障。從使用者角度考慮系統(tǒng)分為建筑用電統(tǒng)計(jì)和部門用電統(tǒng)計(jì)兩種統(tǒng)計(jì)方式。建筑用電統(tǒng)計(jì)是以設(shè)備物理原始位置為統(tǒng)計(jì)方式，部門用電統(tǒng)計(jì)是根據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)的用電屬性，按組織劃分的統(tǒng)計(jì)方式，主要包括用電年度臺(tái)賬、用電月度臺(tái)賬、用電年度匯總、用電月度匯總等。

4)用電分析

建筑能耗分析和部門用電分析中通過圖文結(jié)合的方式提供查詢分析，包括按建筑比較、按建筑逐日、按建筑逐月、按用電性質(zhì)、按用電分項(xiàng)幾個(gè)分項(xiàng)，使數(shù)據(jù)顯示更為直觀。

5)電能定額管理

電能定額管理是通過配置定額信息對(duì)能源進(jìn)行定額管理的一個(gè)過程。包括定額一覽、定額使用明細(xì)和能耗結(jié)構(gòu)分析三部分。定額管理中包括上一級(jí)部門信息、本部門信息和定額信息，是通過對(duì)部門基本信息的管理進(jìn)行能源的定額分配；定額分配明細(xì)是本年度部門能源分配和使用的明細(xì)情況；能耗結(jié)構(gòu)分析體現(xiàn)了各能耗類型在總耗能內(nèi)的分布比例。

6)綜合信息管理

系統(tǒng)對(duì)能耗的綜合管理，包括綜合信息預(yù)覽、基礎(chǔ)信息管理兩個(gè)部分。綜合信息預(yù)覽中顯示實(shí)時(shí)用電電表分布、本年部門用電排名等信息?；A(chǔ)信息管理中顯示用電分項(xiàng)配置列表、電表倍率查詢列表等信息。

2.3后臺(tái)工程管理模塊

后臺(tái)工程管理是系統(tǒng)運(yùn)行的核心和基礎(chǔ)，軟件通過設(shè)備模板建模，組織機(jī)構(gòu)建模實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理和組織機(jī)構(gòu)的管理，系統(tǒng)通過軟件建模實(shí)現(xiàn)公用接口，可向第三方提供接口，進(jìn)行二次開發(fā)和對(duì)接服務(wù)。后臺(tái)工程管理模塊分為設(shè)備模板、設(shè)備管理、組織機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)維護(hù)四個(gè)部分。

3.后臺(tái)工程管理模塊設(shè)計(jì)

后臺(tái)工程管理完成從數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)整理、采集設(shè)備的管理、設(shè)備模板的配置、組織管 理、系統(tǒng)使用者的權(quán)限分配、系統(tǒng)維護(hù)等。設(shè)備管理、組織管理好壞直接影響到前臺(tái)數(shù)據(jù)展示的合理性、科學(xué)性，及數(shù)據(jù)展示的效果。設(shè)備管理、組織管理的核心又是設(shè)備管理建模的設(shè)計(jì)和組織管理模板建模的設(shè)計(jì)。

3.1設(shè)備模板

設(shè)備模板功能屬性及方法設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3設(shè)備模板功能屬性及方法設(shè)計(jì)圖

設(shè)備模板是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，也是整個(gè)工程管理的焦點(diǎn)。設(shè)備模板設(shè)計(jì)的是否合理、是否全面，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的科學(xué)合理性。設(shè)備模板的設(shè)計(jì)核心又是設(shè)備模板建模、設(shè)備變量的設(shè)計(jì)。本設(shè)備模板變量設(shè)計(jì)分4個(gè)主要模塊：

(1)變量基本信息設(shè)計(jì)如表1所示。

(2)變量通信參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

(3)變量報(bào)警參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。

(4)變量濾波參數(shù)設(shè)計(jì)如表4所示。

3.2設(shè)備管理

設(shè)備管理功能屬性及方法設(shè)計(jì)如圖4所示。

設(shè)備管理是基于物理節(jié)點(diǎn)建立的樹形結(jié)構(gòu)樹，用于管理現(xiàn)實(shí)中的組織機(jī)構(gòu)。如同設(shè)備管理是現(xiàn)實(shí)校園的工程或管理人員只需要根據(jù)實(shí)際工程建立目錄樹，添加相應(yīng)設(shè)備，選擇相應(yīng)設(shè)備模板即可。

3.3組織機(jī)構(gòu)

組織機(jī)構(gòu)中的設(shè)備在系統(tǒng)中的映射，組織機(jī)構(gòu)是現(xiàn)實(shí)中的組織機(jī)構(gòu)(學(xué)院、部門、科室等)在系統(tǒng)中的映射。通過組織機(jī)構(gòu)的建立，可以對(duì)不同的組織分配不同的權(quán)限，管理相應(yīng)的設(shè)備。

3.4系統(tǒng)維護(hù)

系統(tǒng)維護(hù)選項(xiàng)用于維護(hù)系統(tǒng)。校園的系統(tǒng)管理者查看在線網(wǎng)關(guān)、在線設(shè)備等，觀察其運(yùn)行信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決；查看在線用戶，觀察用戶的登錄狀態(tài)信息；查看在線設(shè)備和在線網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)報(bào)文，以判斷這些網(wǎng)關(guān)或設(shè)備所處的狀態(tài)，可以在平臺(tái)上調(diào)試數(shù)據(jù)庫(kù)信息，查看數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)。

4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對(duì)用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級(jí)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級(jí)以上管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源計(jì)算報(bào)告。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測(cè)與管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1系統(tǒng)概況

平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

4.3.2用能概況

對(duì)建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項(xiàng)等用能進(jìn)行對(duì)比，支持當(dāng)日逐時(shí)趨勢(shì)、當(dāng)月逐日趨勢(shì)曲線、分時(shí)段能耗統(tǒng)計(jì)對(duì)比、總能耗同環(huán)比對(duì)比。

4.3.3用能統(tǒng)計(jì)

對(duì)建筑、區(qū)域、分項(xiàng)、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報(bào)表的形式統(tǒng)計(jì)對(duì)分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，支持報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。

4.3.4復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)

復(fù)費(fèi)率報(bào)表按日、月、年統(tǒng)計(jì)對(duì)單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

4.3.5同比分析

對(duì)建筑、分項(xiàng)、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報(bào)表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。

4.3.6能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑時(shí)段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

4.3.7夜間能耗分析

夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對(duì)選擇支路分類能源在時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統(tǒng)計(jì)對(duì)比，支持導(dǎo)出報(bào)表。

4.3.8設(shè)備管理

設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺(tái)賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。

4.3.9用戶報(bào)告

用戶報(bào)告針對(duì)選定的建筑自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各能源的月使用的同環(huán)比趨勢(shì)，并提供簡(jiǎn)單的能耗分析結(jié)果，針對(duì)用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報(bào)告可編輯。

5.系統(tǒng)硬件配置

文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案，該方案重點(diǎn)以基于后臺(tái)工程化管理，用設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個(gè)電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，供施工單位、管理人員使用。前臺(tái)頁面用于展示和數(shù)據(jù)分析供系統(tǒng)管理者分析使用。本方案在軟件設(shè)計(jì)的角度和電能監(jiān)測(cè)管理的角度上具有一定的先進(jìn)性和科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

[1]熊瑋瑋，席自強(qiáng)，王莎，黃文聰.校園某實(shí)驗(yàn)樓電能分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,26(1):97-100.

[2]陳志峰，賈海天，應(yīng)俊.基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)的校園電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)教育信息化：高教職教，2012(1):34-36.

[3]任春麗，唐求.電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2011(3):44-45.

[4]孫慶吉，張宏.基于GPRS的遠(yuǎn)程電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2007,31(12):158-160.

[5]孫薇，欽道理 ，于鳳芹.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].

[6]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版.