基于LoRa下智能建筑能耗管理系統(tǒng)的分析與設(shè)計

浙江大云物聯(lián)科技有限公司 虞振興

1 前言

作為我國目前大眾關(guān)注的主要焦點，能源消耗問題是全社會致力于解決的問題。從相關(guān)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全國城鎮(zhèn)耗電量總數(shù)中，大型公共建筑耗電量占比極高，除電能外，水資源能耗問題也極為突出。而解決這一現(xiàn)狀的關(guān)鍵在于做好大型公共建筑智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計，此時考慮在該系統(tǒng)設(shè)計中引入相關(guān)的技術(shù)作為支撐。因此，本文對LoRa技術(shù)應(yīng)用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計研究，具有十分重要的意義。

2 LoRa無線技術(shù)基本介紹

關(guān)于LoRa技術(shù)，是一種有低功耗、超遠距離特征的無線通信技術(shù)。與以往物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的技術(shù)，如藍牙、wifi、Zigbee比較，LoRa技術(shù)可實現(xiàn)遠距離的傳輸。從該技術(shù)具體特征看，作為無線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可用于傳輸距離長、數(shù)據(jù)量小的場景中，有容量大、功耗低、使用壽命長特征，對于該技術(shù)相關(guān)設(shè)備，也有抗干擾能力強、傳輸距離遠、功耗低與體積小等特點，所以應(yīng)用于建筑能耗管理系統(tǒng)中較為適用，無需過多的運營與維護成本，且能滿足智能化運營要求。將LoRa技術(shù)引入下，其中組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通過星型拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)用于終端設(shè)備、云端的連接。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接中則借助標準IP實現(xiàn)，終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通信中主要選擇單跳模式，節(jié)點為雙向通信。另外，從以往實踐研究發(fā)現(xiàn)，LoRa技術(shù)應(yīng)用下，網(wǎng)關(guān)可對多路信號同時接收與處理，網(wǎng)絡(luò)容量較高。由此可見，LoRa技術(shù)的應(yīng)用，除能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸要求外，有低功耗特點，應(yīng)作為智能建筑能耗管理系統(tǒng)的技術(shù)支撐[1]。

3 智能化能耗管理系統(tǒng)形式與性能

3.1 智能化能耗管理系統(tǒng)解讀

我國近年來城市發(fā)展中，將智能建筑作為主要方向，這種建筑類型側(cè)重于系統(tǒng)化管理建筑相關(guān)的公共安全問題、設(shè)備管理問題以及信息設(shè)施應(yīng)用問題等，整個智能建筑集管理、服務(wù)、優(yōu)化于一體，使建筑環(huán)境更具節(jié)能環(huán)保、高效便捷、舒適安全等特征。我國相關(guān)建筑設(shè)計規(guī)范標準中，也對智能建筑的含義做出相關(guān)界定，認為智能建筑實質(zhì)為統(tǒng)一的建筑環(huán)境，被賦予智能化、節(jié)能化特點，特別其中的節(jié)能化，需從管理、設(shè)備與建筑整體上實現(xiàn)節(jié)能化。而在此基礎(chǔ)上提出的能源管理系統(tǒng)，則主要利用自動化控制系統(tǒng)完成計算機管理系統(tǒng)程序的編寫，程序內(nèi)有多個指令，用于采集與分析建筑物設(shè)備能耗參數(shù)，其中部分指令編寫為操控指令，將在樓宇智能控制系統(tǒng)下完成操作過程。

3.2 智能化能耗管理系統(tǒng)設(shè)計形式與性能

智能能耗管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，目的在于實時采集建筑樓實時數(shù)據(jù)，根據(jù)采集與監(jiān)測結(jié)果，使遠程管理與控制有具體依據(jù)，由于系統(tǒng)運行中強調(diào)對設(shè)備進行檢測控制，所以在設(shè)計形式上主要為分層分布式，具體結(jié)構(gòu)形式涉及現(xiàn)場設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層與站控管理層。首先，從站控管理層看，該部分處于系統(tǒng)上層部分，涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)備包括UPS電源、打印機以及監(jiān)控主機等，如監(jiān)控主機設(shè)備，運行中負責(zé)采集與處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)過監(jiān)控主機提供的接入口實現(xiàn)，而UPS作為不間斷電源，為系統(tǒng)提供連續(xù)供電，若出現(xiàn)斷電情況，站控管理層設(shè)備可在UPS電源供電下維持運行。軟件方面，利用人機相容形式，對各類數(shù)據(jù)做分析、處理，并將最后的結(jié)果利用現(xiàn)場聲音、數(shù)據(jù)或圖形等形式反饋呈現(xiàn)。其次，網(wǎng)絡(luò)通訊層，其構(gòu)成部分包括總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)設(shè)備、通訊管理機等，用于數(shù)據(jù)信息交換，將上位機指令向現(xiàn)場設(shè)備傳達，確保設(shè)備執(zhí)行控制指令。具體剖析其中的各組成部分，如以太網(wǎng)設(shè)備，主要為以太網(wǎng)交換機，再如通訊管理機，處理采集的數(shù)據(jù)，且有前置機服務(wù)功能，同時利用光纖、雙絞線作為通信介質(zhì)，或通過無線通訊實現(xiàn)。另外，在現(xiàn)場設(shè)備層，其構(gòu)成主要以智能儀表為主，許多能耗數(shù)據(jù)均需由該層上傳與存儲，如其中的測量儀表，數(shù)據(jù)采集過程中在保證數(shù)據(jù)準確性、完整性的基礎(chǔ)上，實時將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心傳輸[2]。

4 基于LoRa技術(shù)應(yīng)用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計研究

4.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

智能建筑發(fā)展趨勢下，建筑物能耗系統(tǒng)近年來也成為較多公共建筑物設(shè)計中的主要部分，以往系統(tǒng)設(shè)計中，主要借助的工具為通訊設(shè)備、計算機與測控單元，系統(tǒng)運行中選擇光纖環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場總線等組網(wǎng)方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)可滿足遠程控制管理要求。值得注意的是，由于數(shù)據(jù)采集中面臨數(shù)據(jù)點位過于分散情況，所以在數(shù)據(jù)傳輸中需考慮如何解決空間距離跨度過大問題，且要求做好中繼器、網(wǎng)關(guān)設(shè)置等工作。這些均使能耗管理系統(tǒng)應(yīng)用下面臨較多難題。另外，若從建筑的能耗實際情況看，能耗來源主要集中在動力、照明、生活熱水、空調(diào)、供暖、辦公設(shè)備等方面，能耗表現(xiàn)為水、電、氣等，建筑內(nèi)能源消耗范圍較廣，一般用于能耗問題記錄的主要以冷熱量表、水表與電能表為主，若在數(shù)據(jù)收集中直接借助人工抄表形式實現(xiàn)，要求配以大量的巡查人員，其意味建筑運營將投入較大的成本。綜合來看，人工抄表形式成本較高，而傳統(tǒng)建筑能耗系統(tǒng)又無法使數(shù)據(jù)傳輸空間距離跨度大等問題解決，所以考慮引入LoRa無線技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用下強調(diào)向云服務(wù)器中傳輸數(shù)據(jù)，而云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可被管理層讀取，這樣在優(yōu)化能耗管理系統(tǒng)下，使能耗管理水平提高，保證建筑能源利用效率，達到節(jié)能減排的目的[3]。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設(shè)計

本次研究中所選擇的建筑為醫(yī)院建筑，建筑特點表現(xiàn)為各層平面內(nèi)面積較大，包括多個功能分區(qū)，且有較多房間分隔，能耗消耗問題明顯。同時，該建筑以傳統(tǒng)布線方式為主，實際施工中面臨設(shè)備光纖成本高、施工量大等特征，做智能化建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計，目前停留在改造階段。改造過程中發(fā)現(xiàn)因電纜井的位置，需重復(fù)進行布線，投入成本高，且能源浪費明顯，同時改造時可能使原有的系統(tǒng)運行受到影響。在此背景下，考慮引入LoRa技術(shù)，即通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式，保證改造進程，節(jié)約資源，且降低對系統(tǒng)運營產(chǎn)生的影響。

具體改造設(shè)計中，LoRa技術(shù)引入下，使整個系統(tǒng)細化為4層，分別為網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場采集設(shè)備、終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及云端。系統(tǒng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括冷熱量表、水表、遠傳電能表等，借助有線方式與LoRa模塊連接。當(dāng)數(shù)據(jù)信號被電表采集后，會向模塊內(nèi)轉(zhuǎn)入并轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)向LoRa網(wǎng)關(guān)傳入，連接網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器，這樣便能滿足上傳與管理數(shù)據(jù)的目的。同時，設(shè)計過程中計算機終端主要設(shè)置于管理層，為便于數(shù)據(jù)調(diào)取與能耗情況分析，需將計算機終端接入云端服務(wù)器權(quán)限開放。此外，系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)保證數(shù)據(jù)庫的合理設(shè)計，用于能耗管理相關(guān)數(shù)據(jù)存儲，為后續(xù)管理分析提供依據(jù)，使建筑能耗管理過程中有相應(yīng)的參考[4]。

另外，將星型拓撲結(jié)構(gòu)引入到醫(yī)院能耗管理系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)以透明中繼形式呈現(xiàn)，與終端處理設(shè)備、云端服務(wù)器連接，其中終端設(shè)備與多個網(wǎng)關(guān)間的通信借助單跳模式實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)連接服務(wù)器則需有標準IP。考慮到醫(yī)院系統(tǒng)設(shè)計需求，于頂層機房內(nèi)布置云服務(wù)器、LoRa網(wǎng)關(guān)。有實踐研究中發(fā)現(xiàn)，每平方公里內(nèi)，一個LoRa網(wǎng)關(guān)可與5000個終端設(shè)備連接。因此，醫(yī)院僅需將1個網(wǎng)關(guān)設(shè)置于頂層機房中既可，既能滿足系統(tǒng)共運行要求，且為配置測試、后期維護帶來極大便利，有助于整體成本控制[5]。

4.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

本次研究中所選取的醫(yī)院樓層共5層，涉及的分區(qū)域較多，如急診留觀病房、ICU機房、綠色急救通道、急診急救大廳、門診掛號收費區(qū)、門診大廳以及設(shè)備機房等，不同區(qū)域內(nèi)均設(shè)有相應(yīng)的計量設(shè)備，包括水表、電表等。設(shè)計過程中借助LoRa模塊將各設(shè)備的數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)傳輸，在此基礎(chǔ)上由網(wǎng)關(guān)向云端服務(wù)器上傳存儲，通過管理層設(shè)備可對數(shù)據(jù)調(diào)取分析。同時，本次設(shè)計中也提及進行能耗管理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，所以醫(yī)院在做能耗問題分析中，可直接從中調(diào)取數(shù)據(jù)，做分類、匯總，預(yù)測未來發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上制定如何做好能耗管理工工作，達到節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)論

LoRa技術(shù)的應(yīng)用為智能化建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計提供保障。設(shè)計做系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)正確認識到LoRa技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，包括低功耗傳輸、遠距離傳輸?shù)龋诖嘶A(chǔ)上結(jié)合建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計需求，將LoRa技術(shù)引入其中。具體設(shè)計中，主要需從數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設(shè)計上著手，保證滿足網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場采集設(shè)備、終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及云端各部分運行要求，這樣整個系統(tǒng)運行下能夠?qū)崿F(xiàn)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、分類、處理等，通過分析數(shù)據(jù)并預(yù)測，為后續(xù)能耗管理工作提供依據(jù)，推動智能建筑的建設(shè)發(fā)展。

[1]劉莎,馬偉健,王誠祺等.基于LoRa的智能建筑能耗管理系統(tǒng)分析與設(shè)計[N].金陵科技學(xué)院學(xué)報,2017,33(02)：36-40.

[2]關(guān)蕾,鮑國棟,王欣欣.基于EMS的智能建筑能源管理方案設(shè)計[J]科技展望,2016,26(06)：175.

[3]吳敏,和簫.智能建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技,2015,(13)：51-53.

[4]廖鳴鏑,肖建平,施松.廣州市能源計量與管理系統(tǒng)建設(shè)指引[J].智能建筑與城市信息,2014,(08)：73-76.

[5]李春旺,范同順,蘇瑋等.大型公共建筑設(shè)備管理系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)劃設(shè)計研究[J].智能建筑,2014(06)：54-58.