淺談無線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗監(jiān)測系統(tǒng)在高校老校區(qū)電力改造的研究

淺談無線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗監(jiān)測系統(tǒng)在高校老校區(qū)電力改造的研究

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗監(jiān)測系統(tǒng)將無線傳感器節(jié)點添加到高校老校區(qū)現(xiàn)有教學建筑、實訓建筑、圖書館和學生宿舍大樓的水、電力、供熱等設(shè)備及分支系統(tǒng)上，測量所有設(shè)備和分支系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)，能耗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)皆破脚_服務(wù)器，在服務(wù)器上建立實時能耗數(shù)據(jù)庫.服務(wù)器管理軟件對統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析比較，發(fā)現(xiàn)高校能耗設(shè)備能源消耗的主要原因。在此基礎(chǔ)上制定針對性的節(jié)能方案和控制措施，來達到高校老校區(qū)節(jié)能增效的目的。本系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)采集和傳輸，布線少，*大限度減少了對現(xiàn)有建筑的改造成本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享，控制迅速準確。

關(guān)鍵詞：傳感器；數(shù)據(jù)分析；節(jié)能

0 引言

中國大多數(shù)高校老校區(qū)都是人工干預電力、水和天然氣的消耗管理。人工抄表在原有狀態(tài)下存在著綜合數(shù)據(jù)不準確、實時采集性能差、工作量大、管理困難等問題。如果沒有其他途徑可以直接有效地獲取實際能耗相關(guān)信息，就不可能進一步提出明確的*優(yōu)節(jié)能高效解決方案，并有效降低高校老校區(qū)能耗。

現(xiàn)有高校能耗監(jiān)測系統(tǒng)一般采用有線網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測。如果老校園改造了，需要設(shè)備種類多，布線復雜，對現(xiàn)有建筑破壞嚴重。在國外，能耗實時監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)展到非常完善的水平，已形成一定的特定標準。但是，市場價格并不便宜，缺乏與中國大多數(shù)高校老校區(qū)相適應的測控設(shè)備應用軟件。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用總線結(jié)構(gòu)，設(shè)備可共享，品種少，無需布線，現(xiàn)有建筑物未損壞，網(wǎng)絡(luò)靈活。因此，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學能源消耗監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的，在高校老校區(qū)節(jié)能工作中具有一定的實用價值。

1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)采用4G無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將傳感器連接到網(wǎng)關(guān)、主機、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、移動終端等設(shè)備。改造了高校老校區(qū)中現(xiàn)有的校園能源調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)覆蓋了全校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍的能量自動監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)是由無線傳感器環(huán)境的測量節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）的服務(wù)器等組成，互聯(lián)網(wǎng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）的服務(wù)器是由互聯(lián)網(wǎng)終端用戶提供（在計算機和移動應用程序上）組成，如圖1所示。

1.2功能特點

無線傳感器節(jié)點主要由各種傳感器控制節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成，努力實現(xiàn)電力消耗、水資源利用、小環(huán)境等相關(guān)參數(shù)（如室內(nèi)溫度、光強等）的采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸。通過無線傳感器技術(shù)，數(shù)據(jù)能夠通過網(wǎng)關(guān)實時傳輸信息到云平臺中，把這些數(shù)據(jù)按照地址儲存在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫上，控制指令經(jīng)轉(zhuǎn)換完成后自動發(fā)送給云平臺，云平臺對發(fā)送存儲過來信息的數(shù)據(jù)進行分組后，再發(fā)送給相應網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以達到減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的采集數(shù)據(jù)分組傳輸流量。服務(wù)器用于接收和存儲網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)備上收集的環(huán)境信息數(shù)據(jù)、生活環(huán)境中多種因素的閾值、環(huán)境中控制設(shè)備的開關(guān)量。這些信息可以由專用軟件來處理，供高校后勤供應日常管理部門使用和管理。

本系統(tǒng)具備以下基本功能：

（1）基于無線傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高校能耗實時監(jiān)測系統(tǒng)，以無線傳感網(wǎng)、云平臺等先進技術(shù)將高校老校區(qū)的能耗數(shù)據(jù)安全上傳至高校后勤管理平臺，顯著提高了高校老校區(qū)能源儲備數(shù)據(jù)的精確度和及時處理能力，使綜合能耗數(shù)據(jù)和各類處理信息得以共享。

（2）通過自動化管理減少能源消耗。根據(jù)部分學生宿舍、職工宿舍、實驗室和基礎(chǔ)教學樓能耗的突出特點，完成學校電力消耗數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計，以及生成水電統(tǒng)計分析報告。

（3）及時預警報警保證用能安全。根據(jù)學生宿舍、教師宿舍、實驗室和教學建筑的能量消耗特征，制定合理的策略，可以及時發(fā)出預警和報警，在特殊情況下自動切斷電力：根據(jù)各個地區(qū)的能量消耗特征以及不同季節(jié)的教學建筑，工作日和非工作日實際情況下做出正確的決策。根據(jù)不同地區(qū)的能量消耗特征，對不同季節(jié)、工作日和非工作日的教學樓進行了節(jié)能改造，詳細統(tǒng)計分析相關(guān)能耗數(shù)據(jù)，當能量消耗超過標準數(shù)值或無法正常使用時，及時報警，并將信息發(fā)送給相關(guān)人員。

對大型設(shè)備進行大規(guī)模地監(jiān)控和預警分析，如學校建筑、水泵和空調(diào)裝置等大型設(shè)備，確保關(guān)鍵監(jiān)控設(shè)備的正常運行

2 功能模塊設(shè)計

2.1傳感器節(jié)點

傳感器測試節(jié)點由無線通信設(shè)備、內(nèi)置核心處理器、各種傳感器、功率檢測模塊、功率模塊和無線射頻收發(fā)器模塊。傳感器包括照明、風扇、空調(diào)、流量監(jiān)控、人員監(jiān)控等傳感器，每個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有數(shù)據(jù)采集模式和相關(guān)設(shè)備控制的基本功能。

基本功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集功能。自動采集高校老校區(qū)消耗電能、水能、環(huán)境參數(shù)（如溫度、光照度等）數(shù)據(jù)，在組合數(shù)據(jù)之后，通過串行端口發(fā)送到射頻無線收發(fā)器模塊，然后被網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到有關(guān)網(wǎng)關(guān)。

（2）控制相關(guān)設(shè)備的功能。當傳感器的某些節(jié)點檢測到的室內(nèi)溫度、相對濕度，當照明和其他環(huán)境條件達到閾值時，通過射頻收發(fā)器模塊將相應的控制命令發(fā)送到本地環(huán)境相關(guān)參數(shù)控制設(shè)備，例如自動和智能地關(guān)閉或重新打開控制的設(shè)備，增加或減少電扇的速度調(diào)整室內(nèi)溫度等，為了實現(xiàn)各種設(shè)備的智能化和控制，引入無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。智能應用電源開關(guān)通過無線局域網(wǎng)的各種信號在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上獲取控制命令，通過控制電路來控制照明電源插頭的接通和斷開。

2.1.1 照明傳感器的設(shè)計

（1）照明傳感器采用人射發(fā)光波長，一般為約520nm波長的光電耦合集成照明傳感器，內(nèi)置的雙敏感元件接收器具有高可見光響應范圍，輸出照明電流能與照明器線性變化。當室外環(huán)境光線照明較強勁時，關(guān)閉所有照明供電設(shè)備內(nèi)的所有電源回路以幫助實現(xiàn)電源節(jié)能化管理。當外部光線照明為偏暗色時，照明控制電路可以自動連接。

（2）故障傳感器。照明及控制自動化設(shè)備上采用的各種故障傳感器通常主要由故障電壓傳感器、電流傳感器和控制照明自動化設(shè)備門端電路的與門、與非門電路等組成。當故障電壓傳感器和電流傳感器發(fā)送電流信號到與門柵極上時，與門之間就形成正常的電流，發(fā)送正常運行的信號。如果只有一個標準的電壓信號但還沒有產(chǎn)生標準的電流信號，則與門將發(fā)送故障信號。

2.1.2 空調(diào)內(nèi)置傳感器

（1）溫度傳感器

空調(diào)機組是我國一種比較常用的生活用電溫度控制設(shè)備，在節(jié)能管理方面充當主色。空調(diào)高效節(jié)能溫度傳感器系統(tǒng)由一個低溫閉式傳感器和一個帶有高溫閉式的溫度開關(guān)并聯(lián)所組成，當室內(nèi)環(huán)境溫度低于10°C時，微處理器會控制該低溫開關(guān)自動閉合；當室外環(huán)境溫度高于25C時，微處理器可以控制高溫開關(guān)自動閉合：但如果戶外環(huán)境溫度維持在10~25°C，微處理器控制2個開關(guān)斷開 。

（2）空調(diào)故障傳感器

空調(diào)故障傳感器一般由工作電壓測量傳感器，壓縮機壓力測量傳感器和非柵極電路組成。工作電壓測量傳感器檢測空調(diào)的工作狀態(tài)。壓縮機壓力測量傳感器用于確定空調(diào)是否處于正常操作狀態(tài)。如果是空調(diào)系統(tǒng)脫機非正常運行，壓縮機系統(tǒng)無法正常的運行或壓縮機空轉(zhuǎn)運行時，壓縮機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子兩端之間沒有形成壓力容差。因此，壓力傳感器系統(tǒng)需要同時檢測到高壓管之間和驅(qū)動壓縮機轉(zhuǎn)動的2個低壓管頭之間發(fā)生的瞬間壓力級差。

差壓傳感器是用于實時測量壓縮機系統(tǒng)的高壓管和中低壓管這2個管道壓力分布之間的微小差異，并通過數(shù)據(jù)處理發(fā)出警報信號，使得工作人員可以及時收到報警信號。整個傳感器系統(tǒng)元件精確度高，數(shù)據(jù)采集準確，根本上解決了高校建立綠色節(jié)能數(shù)字化校園管理的共性技術(shù)問題，并同時解決了傳統(tǒng)高校能源計量管理中效率低的諸多關(guān)鍵瓶頸問題。工作原理則是由于測量儀表的輸人壓力差直接疊加在壓力傳感器內(nèi)的隔膜片上，導致傳感器隔膜內(nèi)部產(chǎn)生一種與輸出壓力差大小成反比例值的微觀位移，從而間接使壓力傳感器中的電容值改變。電子電路元件用于準確檢測出該數(shù)值變化，并快速轉(zhuǎn)換信號直接輸出到與測量壓力變化相對應 數(shù)值的標準電壓的測量控制信號。

為了能防止故障誤回報，故障傳感器通常需要事先用數(shù)字萬用表來測量芯片處于工作狀態(tài)端處的相對電位，確認其是否已存在低工作電壓。故障傳感器的基本工作原理是，如果需要讓空調(diào)系統(tǒng)改變室內(nèi)環(huán)境溫度，則利用溫度開關(guān)可以控制整個空調(diào)裝置的工作運行和狀態(tài)，并且使差壓傳感器系統(tǒng)也由此獲得穩(wěn)定了的工作電源。如果傳感器存在差壓，則非門輸出壓力低，傳感器一般不會發(fā)生報警。如果在壓縮機回路中還沒有完全建立一個足夠高的壓力位差，則非門輸出高壓力電位，故障傳感器警報。

2.1.3 人員監(jiān)控傳感器

人員監(jiān)控傳感器一般的都采用紅外傳感器，其基本探測功能是在一個沒有人員可以進人的地方時，該地點內(nèi)的探測器主電源開關(guān)將斷開；當有人員可進入探測器時，主電源開關(guān)會閉合。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和云平臺管理系統(tǒng)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和云平臺管理系統(tǒng)同時也是介于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和高速以太網(wǎng)系統(tǒng)之間連接的無邊界設(shè)備，其在本套系統(tǒng)架構(gòu)中始終扮演著一個重要的橋梁作用。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、核心處理器模塊、無線射頻能量控制模塊、內(nèi)部存儲模塊和電源插頭模塊組成。無線傳感器控制的節(jié)點設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器全部通電啟動后，自動建立無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)。核心處理器模塊接收到數(shù)據(jù)后，利用串口對無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控，并在應答器數(shù)據(jù)允許的情況下觸發(fā)相應的串口終止事件。

核心處理器模塊的第一步是將協(xié)調(diào)器發(fā)送的消息數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和云平臺傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲模塊，再通過無線路由模塊端口將集成數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_服務(wù)器，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_服務(wù)器中。專用軟件使用設(shè)置的閾值處理能耗數(shù)據(jù)，并將消息直接發(fā)送到相應的命令。網(wǎng)關(guān)接收到命令數(shù)據(jù)后，首先對綜合數(shù)據(jù)包進行分析和處理，然后執(zhí)行控制指令，將綜合控制執(zhí)行命令信息發(fā)送給相應的多個傳感器和控制設(shè)備節(jié)點，控制節(jié)點上各類設(shè)備的運行狀態(tài)。

2.3 手機APP

軟件開發(fā)完成了一套具有與云平臺服務(wù)器系統(tǒng)基本使用功能相同的移動端應用系統(tǒng)專業(yè)軟件。手機移動端應用程序具有與云平臺服務(wù)器系統(tǒng)相同的一些基本網(wǎng)絡(luò)功能。可以在實時平臺上查看老校區(qū)的能耗信息，隨時隨地控制相應控制設(shè)備的工作。其移動性將通過智能的能耗監(jiān)測為高校老校區(qū)能耗監(jiān)控帶來很大的便利。

3 服務(wù)器管理軟件

目前，*流行的Windows平臺被應用到語言工作室的研發(fā)中。開發(fā)了一種基于無線傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高校能量消耗實時監(jiān)測系統(tǒng)。整體軟件結(jié)構(gòu)有4種類型和4層*佳方案：現(xiàn)場多終端數(shù)據(jù)采集人層、系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)平臺、業(yè)務(wù)應用層、基礎(chǔ)平臺層、應用層，各層快速完成不同的任務(wù)，上層為下層提供更多相關(guān)的核心技術(shù)支持專業(yè)服務(wù)。本系統(tǒng)符合國家相關(guān)核心技術(shù)開發(fā)的兩大標準，并具備真實身份機構(gòu)認證、綜合數(shù)據(jù)加密算法、數(shù)據(jù)庫備份、病毒感染預防等安全綜合保障體系建設(shè)。

4 方案的合理性

4.1 資源利用率和市場預測

我國的大部分高校老校區(qū)能源消耗管理部門，對電力、水、燃氣等能源消耗管理，缺直接和有效的手段，并無法獲得關(guān)鍵點的實際能耗信息，不能進一步提出節(jié)能計劃。有效地減少能耗，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源消耗監(jiān)測系統(tǒng)通過舊校區(qū)的建設(shè)，實時監(jiān)測能源消耗數(shù)據(jù)，優(yōu)化節(jié)能工作，適合大多數(shù)高校，也可以促進企業(yè)、居民社區(qū)為節(jié)能工作，具有良好的市場前景。

4.2 技術(shù)合理性

目前，隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，傳感器技術(shù)應用和網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)等的持續(xù)快速健康發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)添加各種硬件處理設(shè)備技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)，監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)就可以快速通過移動互聯(lián)網(wǎng)直接上傳到服務(wù)器。能源及消耗計量管理的部門工作人員可以隨時通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接訪問的任何計算機電腦或手機，登錄能源和消耗管理網(wǎng)站，通過計算機監(jiān)控查詢系統(tǒng)還可以隨時查詢運行數(shù)據(jù)信息并準確分析實際能量消耗。

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。

5.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，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(jié)構(gòu)中是必不可缺的。充電樁應用管理同樣是校園生活服務(wù)中必不可缺的一部分。

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、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導決策，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)，將分散的火災自動報警設(shè)備、電氣火災監(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，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。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。從火災預防，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相關(guān)人員。

審核編輯 黃宇