摘要：針對高校教學(xué)建筑能效監(jiān)督效率低的問題，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能校園建筑能效監(jiān)督系統(tǒng)的整體設(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)和功能測試。通過對能耗監(jiān)督系統(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。

1.引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和現(xiàn)代化進(jìn)程穩(wěn)步推進(jìn)，資源和能源的合理利用始終影響著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。根據(jù)《中國建筑能耗報(bào)告2020》，2005年至2018年，建筑運(yùn)行階段能耗從4.8億tce(噸標(biāo)準(zhǔn)煤)增長到9.5億tce，年平均增長率為5.39%。《重點(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)約型校園的重要組成部分，迫切需要配備能耗監(jiān)管系統(tǒng)來控制能源消費(fèi)。根據(jù)高校教學(xué)建筑能耗現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)引入ZigBee和WiFi無線傳輸技術(shù)，以理想教室為研究對象，收集溫度、流量、功耗數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，借助云服務(wù)器平臺(tái)總結(jié)數(shù)據(jù)，分析教室空調(diào)制冷、水加熱能源效率，清晰控制校園建筑能耗，為節(jié)能改造提供依據(jù)。

2.系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

2.1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))組成、由數(shù)據(jù)傳輸層(數(shù)據(jù)匯總和上傳)和數(shù)據(jù)應(yīng)用層(數(shù)據(jù)顯示)組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖所示。

數(shù)據(jù)感知層（獲取數(shù)據(jù)）由大量的傳感終端組成，收集到的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)傳輸層的協(xié)調(diào)器，接收能耗數(shù)據(jù)并上傳到數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)應(yīng)用層由Onenet云服務(wù)器支持，具有數(shù)據(jù)整理、分析、顯示等功能，為相應(yīng)教室的空調(diào)制冷和水加熱能源效率評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，云服務(wù)器可根據(jù)能耗數(shù)據(jù)上傳路徑發(fā)布指令，控制傳感終端。

2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)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)通常由三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成：協(xié)調(diào)（Coordinator）、路由器（Router）、終端（EndDevice）。協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)形成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖所示。

從圖中不難看出，傳感器終端連接各種傳感器來收集能耗數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器用于創(chuàng)建和領(lǐng)導(dǎo)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又稱聚合節(jié)點(diǎn)，將多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)放置在不同的位置。它們將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄酆瞎?jié)點(diǎn)，先處理數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與云服務(wù)器通信，上傳能耗數(shù)據(jù)，發(fā)布遠(yuǎn)程指令，將Zigbee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標(biāo)。

3硬件系統(tǒng)選型

3.1主控制器選型

CC2530單片機(jī)是CC2530單片機(jī)，CC2530用于2.4GHziEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。Z-STACK協(xié)議棧以ZigBee為聯(lián)盟認(rèn)定的參考協(xié)議，使得編譯和修改相關(guān)程序不易出錯(cuò)。

3.2溫度傳感器選型

溫度傳感器為DS18B20，用于測量氣體溫度和水溫，具有接線方便、精度高、擴(kuò)展方便、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)。任何DS18B20都可以存儲(chǔ)在同一條單線總線上，允許溫度敏感器件放置在許多不同的地方。總線設(shè)計(jì)可以通過尋求平均值來使測量結(jié)果更準(zhǔn)確，并節(jié)省ZigBee節(jié)點(diǎn)。

3.3流量傳感器選型

流量傳感器型號(hào)為霍爾流量計(jì)，安裝在加熱水管上檢測進(jìn)水流量。霍爾流量計(jì)的額定工作電壓為DC5V，通用性好，使用方便。

3.4電量變送器選型

功率變送器為SUI-101A，具有精度高、兼容性好的優(yōu)點(diǎn)。*大測量電壓為AC400V，電流上限為30A，具有一定的載荷能力，內(nèi)置防雷保護(hù)，安全性好。

4.高校綜合能效解決方案

4.1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、集中監(jiān)控、集中監(jiān)控、數(shù)字檢查、移動(dòng)運(yùn)維、團(tuán)隊(duì)優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用良好的網(wǎng)絡(luò)抄表支付管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合收費(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。通過能源支付管理，培養(yǎng)能源群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

4.2.1宿舍用電管理

學(xué)生宿舍用電管理控制：基本用電量和定期通斷功能可批量發(fā)放；可識(shí)別惡性負(fù)荷，檢測非法電氣，獲得非法用電跳閘記錄。

4.2.2店鋪水電收費(fèi)

對校園超市、商鋪、食堂等個(gè)人水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理。

4.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充"的信息能源結(jié)構(gòu)中是必不可shao的。充電樁的應(yīng)用管理也是校園生活服務(wù)不可缺shao的一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全面監(jiān)控，提供靈活智能的路燈管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任何線路、任何路燈的定時(shí)開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)和定時(shí)控制方案的靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

對校園水、電、氣等接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括同比分析、環(huán)比分析、損耗分析等。了解總能耗和能源流量。

根據(jù)校園建筑的分類，收集和統(tǒng)計(jì)各種建筑功耗數(shù)據(jù)。如辦公建筑、教學(xué)建筑、學(xué)生宿舍等，分析數(shù)據(jù)分類，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效率。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容和要求的數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表和系統(tǒng)的能耗審計(jì)報(bào)告，監(jiān)控能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

4.4智能消防系統(tǒng)

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)，智能消防云平臺(tái)連接分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智能煙霧探測器、智能消防水等設(shè)備形成網(wǎng)絡(luò)，智能感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)收集消防信息，通過云平臺(tái)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)格管理、實(shí)施多責(zé)任監(jiān)督等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)無人值守智能消防，實(shí)現(xiàn)智能消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火災(zāi)報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，用戶、安全人員、監(jiān)管單位可以通過平臺(tái)直觀地看到各種消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行，在細(xì)節(jié)、火災(zāi)等緊急和非緊急情況下，在幾秒鐘內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、電子郵件提醒和應(yīng)用推送，可以快速通知相關(guān)人員。

5.平臺(tái)部署硬件選型

5.1電力監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)

5.2后勤計(jì)費(fèi)管理

5.2.1宿舍/商業(yè)預(yù)付費(fèi)平臺(tái)

6.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)。

【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(jì)[J].建筑電氣，2022，15（09）：64-69.

【2】中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì).中國建筑能耗研究報(bào)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(jì)與應(yīng)用手冊2022.05版.