基于LoRa的園區能耗管理系統設計與實現

孫偉 武春艷

摘 要：能耗管理系統是減少能源消耗、提高能源利用效率的有效途徑，是園區實現整體節能減排的必要手段。文中提出一種基于LoRa技術的園區能耗管理系統。LoRa技術的低功耗、遠距離傳輸、抗干擾性強的特點，為其在能耗管理系統的應用提供了基礎。管理系統由感知層、傳輸層、數據處理層和應用層組成。該系統建立了從能源供應到用能終端的能源管控平臺，為能耗數據的在線監測、統計分析和能源調度等提供了依據。

關鍵字：低功耗廣域網;LoRa技術;園區能耗管理;系統設計

中圖分類號：TP391;TU201文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-02

0 引 言

研究表明，我國能源利用效率為33%，相比發達國家低10個百分點。能源問題給社會發展和環境資源帶來了巨大壓力，節能減排形式嚴峻[1]。傳統的粗放式能源管理方式和舉措難以滿足管理需求。隨著物聯網、大數據技術的發展，尤其是低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術的興起，借助新興技術，搭建園區能源管理系統已成為推進節能降耗和實現用能精細化管理的必然趨勢。園區能耗管理系統綜合運用現代通信技術、能源物聯網技術以及需求側管理措施等，對園區內各單位的耗能進行實時監測、動態分析和集中管理，提升園區能源管理水平，降低能源成本。

目前，能耗管理數據監測系統多采用WiFi[2]，ZigBee[3]，存在信號衰減快、極易受到其他信號干擾的問題[4]。本文設計了一種基于LoRa（Long Range，LoRa）數據傳輸的園區能耗管理系統，實現耗能的實時采集及科學預警。LoRa作為低功耗廣域網的一種長距離通信技術，解決了傳統無線傳感器網絡傳輸距離與低功耗不能兼得的問題[4]。園區能耗管理系統利用園區內各種傳感器采集耗能信息，實現采集、顯示、分析、診斷等功能，并實現對各系統的控制和優化管理。

1 園區能耗管理系統設計

園區的正常運轉需要水、暖、電、氣等多種能源供給，各種能源消耗具有范圍廣、時間不規律、消耗量大等特點[5]。通過園區耗能數據采集、傳輸、數據管理及應用，實現了園區能源調配與優化運維。園區能源管理平臺采用標準的物聯網體系架構，由四部分組成，如圖1所示。

（1）感知層

感知層作為整個能耗管理系統最基礎最重要的部分，由各個采集節點組成。根據用能性質，各傳感器節點部署在不同區域，監測園區各種耗能數據。

（2）傳輸層

針對園區特點，從數據采集節點到網關采用LoRa技術進行無線數據傳輸，免去了綜合布線，降低了施工難度;從網關到數據中心，可采用移動通信網絡或LoRa技術。

（3）數據處理層

通過建立能耗評估模型，并利用數據挖掘、統計計算、多維分析等手段對能耗數據進行分析，為功能應用層提供數據支撐。

（4）應用層

能耗管理平臺具有數據實時監測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，通過多維度、可視化的系統功能實現與用戶的信息互動。

2 LoRa數據通信技術

LoRa是美國Semtech公司發布的一種基于擴頻調制的解調技術[6-9]，其最大特點是超遠距離和低功耗。該技術主要針對小數據量、長距離傳輸的用戶場景。LoRa具有的低功耗、遠距離、大容量和穿透能力強的特點，能夠減少開發成本和運營維護成本，適用于園區能耗管理系統。

LoRa具有典型的星型拓撲結構，架構如圖2所示，主要由終端、網關和服務器三部分組成，終端設備應用LoRa技術采用單跳模式，實現與一個或多個網關的雙向通信。網關是一個透明的中繼，采用標準TCP/IP與服務器連接，實現終端與服務器數據的交互。

3 基于LoRa的園區能耗設計

通過需求分析，園區主要用能形式有水、暖、電、氣，主要監測量有電量、流量、壓力、溫濕度、供回水溫差等。園區存在占地面積大，建筑分布廣、數量多、類型多樣，用能情況復雜的問題。目前工業園區耗能統計上普遍存在計量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗數據不完整、不全面等問題。由于缺乏準確而詳實的能耗數據作為依據，因而無法進行能源定量分析、能耗動態趨勢分析，以及節能潛力的挖掘、節能效益的評價等方面的工作。例如，采用有線傳輸方式，存在園區內數據點位分布廣，數據傳輸面臨空間跨度大，網關、中繼設置地點選擇困難等問題。

LoRa技術具有的遠距離低功耗特點非常適用于園區能耗監測。通過LoRa通信將能耗數據集中到服務器，管理層終端可通過云端讀取數據分析，并對整個能耗管理系統進行優化，從而形成良性循環，最終得出能耗管理的最佳方案，極大地提升能源利用效率，改善能源浪費現象，達到節能減排的目的。

以某工業園區為例，根據能耗管理系統的特點，將系統分為現場采集設備、網關、服務器3層。采用LoRa技術進行無線數據傳輸，免去綜合布線，降低施工成本。

針對現場數據采集設備，通過各類智能表計自動化采集能耗數據，實現能耗的分類、分項、分戶計量。園區中選擇帶有遠傳功能的電度表、水表和冷熱計量表等，與LoRa模塊相連接，采用Modbus RTU協議并采用點對點方式傳輸至LoRa網關，網關與服務器連接，實現數據的集中上傳和統一管理。LoRa網關程序流程框圖如圖3所示。

4 平臺功能

能耗管理平臺具有數據實時監測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，從而實現能源調度、能耗動態趨勢分析、能效分析診斷，節能潛力挖掘、節能效益評價等功能[10]。能耗管理平臺如圖4所示。

5 結 語

本文針對LoRa技術低功耗、遠距離傳輸的特點，將其應用于園區能耗管理系統，實現了園區能耗的實時采集、監測及統計分析。后續將基于平臺積累的能源數據，為能源大數據模型的建立提供數據支撐，為更精準的能源調度和優化提供有力支撐。

參 考 文 獻

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