基于物聯網的高校水電節能平臺的建設研究

滿莎 胡懷雯

摘 要：國家頒布了一系列的標準規范引導高校建設節能監管平臺進行能源管理，推進節約型校園建設。水電管理是高校能源管理的重要組成部分，如何用新技術新手段進行節能管理，是目前亟待解決的問題。物聯網技術作為第三次信息革命的新興技術，將其用于水電節能管理平臺的建設中，有助于高校水電的監控和管理，提高資源利用率。

關鍵詞：物聯網;智慧節能;建設研究

國家已頒布《高等學校校園設施節能運行管理辦法》《高等學校節約型校園指標體系及考核評價辦法》等標準及規范，用于指導高校能源管理及節能監管平臺的建設。在高校能源資源消耗中，水電消耗占據了很大一部分，如何通過新技術新手段建設智慧節能平臺，實現對水電用量的有效管理是當前高校刻不容緩的問題。將物聯網技術應用于高校水電節能管理平臺建設中，對校園能耗進行計量監控，分析用能問題，減少能源浪費，挖掘節能潛力，提高節能意識，實現校園水電的節能管理，有助于推進節約型校園的建設。

一、高校水電節能平臺建設的必要性

（一）控制節點分散

水電消耗是高校能源消耗的重要組成部分，具有控制節點分散、使用時段不固定等特點。高校師生人數眾多、區域分散，其中教學區、辦公區、生活區，每個區域在不同時段的水電消耗又不一致，每個區域在特定時段都有可能出現高能耗狀態，傳統的水電管理無法解決水電資源合理分配的問題。而且由于控制節點過于分散，在某些區域不可避免地會出現能源浪費的現象，特別是在設備、設施損壞又無人發現的情況下，容易造成巨大的能源消耗，不便于節能管理。因此，運用物聯網技術來建設高校水電節能平臺能有效進行節點監控，提高能效管理，使水電資源分配更合理、利用更高效。

（二）設備設施老化

設備設施陳舊老化是出現能源“跑冒滴漏”現象的主要原因，特別是老校區、老樓棟，在長期的使用過程中，大部分高校的水電供應設備出現機器老化、功能落后的情況，而對于老化設備，由于維護不及時容易造成能源的過度消耗。水電的正常傳輸供給是穩定高校整體發展的核心環節，而傳統的水電管理無法發現設備設施老化帶來的能源浪費問題。因此，可以通過建設基于物聯網的高校水電節能平臺，實時監控學校水電設備的使用和運行情況，對故障設備進行精準定位，一旦發現設備異常立即報警，通過平臺提供的報錯信息分析故障產生的原因，力求在最短的時間內排查故障、阻止能源浪費。

（三）管理模式落后

目前，多數高校的水電管理系統仍停留在水電計量、水電充值等初級階段，水電管理模式比較落后，缺陷較多，對水電節能管理效率不高，無法滿足智慧型、節約型校園管理的新標準、新要求。尤其是在水電數據采集方式上，存在精確度差、自動化水平低等缺點。建設基于物聯網的水電節能管理平臺，利用智能設備進行數據采集，運用大數據技術進行數據分析、處理，通過平臺的云計算功能預估全年的水電消耗量，對水電消耗的實際情況進行精準計量、實時監測、能耗分析、高效管理。

（四）節能意識薄弱

目前，部分高校沒有真正實現節能目標管理。仍存在重學生輕教師，重生活區輕教學區的思維慣性，節能意識薄弱，節能監管不到位。很多人認為浪費一點點水電只是小事情，沒有形成節能意識、養成節能習慣，沒有形成全員節能的氛圍。重視高校水電節能管理平臺的建設，運用物聯網和云計算來規范能耗統計、進行能耗分析、監督控制水電使用情況，能幫助全員增加節能意識、落實節能行動、實現節能管理目標，促使高校能源監管工作向更廣泛、更深入、更科學的方向發展。

二、水電節能平臺建設的關鍵技術

（一）物聯網

物聯網是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的信息產業新方向，是新一代信息技術的重要組成部分，其英文名稱為“Internet of Things”。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡;物聯網用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯網就是“物物相連的互聯網”。物聯網的體系架構有三個層次，底層是用來感知數據的感知層，中間層是數據傳輸的網絡層，最上層則是應用層。感知層關鍵技術包括傳感器技術、RFID技術以及二維碼技術等;網絡層關鍵技術包括Internet、移動通信技術以及無線傳感器網絡;應用層關鍵技術包括M2M、云計算、數據挖掘、中間件以及嵌入式技術等。基于物聯網的水電節能平臺的構建主要是用到了物聯網中的傳感器技術、ZigBee技術、WiFi技術以及嵌入式技術。

（二）傳感器技術

作為物聯網數據的輸入端，傳感器在物聯網中的位置至關重要。傳感器實際上是一種功能塊，是一種檢測裝置，其作用是能感受到被測量的信息，并將外界的各種信號轉換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制的要求。傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節，一般由敏感元件、轉換元件和信號轉換電路三個部分組成。傳感器是高校水電管理平臺獲取信息的節點，通過部署紅外傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等傳感器節點實現對整個校園水電的監控和管理。例如綠化灌溉系統中通過部署溫度傳感器、濕度傳感器等感知設備對綠化灌溉動態信息進行采集從而實現灌溉的實時控制。

（三）短距離無線通信技術

短距離無線通信技術主要包括ZigBee、藍牙、Wi-Fi、超寬帶技術（UWB）、NFC等技術，其具有三個重要特征，即低成本、低功耗和對等通信。按數據傳輸速率可以分為高速短距離無線通信技術和低速無線通信技術兩類，不同的短距離無線通信技術具有不同的優點和缺點，適用于不同的物聯網應用場景。Wi-Fi是目前應用最廣泛的無線通信技術，ZigBee的優勢是低功耗和自組網，藍牙的優勢是組網簡單。這三種無線技術特點如表1所示，從傳輸距離來說，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍牙;從功耗來說，是Wi-Fi﹥藍牙﹥ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可;從傳輸速率來講，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍牙。基于以上特點在智能水電管理系統中，智能電表、智能水表等智能設備的組網采用ZigBee技術組網，嵌入式控制器與Internet連接采用Wi-Fi技術。

（四）嵌入式技術

水電節能管理系統中需要大量的節能設備不在依賴人與人之間的交互產生聯系，更多通過協議、通信、程序設計等方式連接到一處。例如，在路燈系統中當光照強度到達一定閾值時則關閉路燈，光照強度低于閾值時開啟路燈，這就需要嵌入式技術的支持。嵌入式技術是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統技術。作為水電節能平臺的核心，嵌入式控制器通過各區域內的傳感器和控制設備對各區域水電消耗情況進行監控。

三、水電節能平臺建設方案

智慧水電節能平臺如圖1所示，采用最新信息化與物聯網技術設計，平臺整體架構合理，具有一定的開放性和兼容性。平臺監控軟件與嵌入式控制器構成C/S模型。平臺包括數據采集系統、節能監測系統、節能控制系統和節能服務系統，在安全、可擴展移植性等方面做了充分考慮。通過數據采集終端采集水、電、空調、路燈、灌溉等用電用水設備的信息，再由嵌入式控制器根據采集到的信息進行實時監控管理與大數據分析達到水電精準控制，同時平臺服務系統在提供水電查詢基礎服務之外增加了節能提醒服務，幫助師生養成良好的節能習慣。

（一）數據采集系統

校園內水電消耗量的監測及處理由基于ZigBee技術的采集控制終端完成。采集控制終端包括電流傳感器、電壓傳感器、光照強度傳感器、與溫濕度傳感器等，采用ZigBee技術進行組網，數據終端與協調器組成星型網絡，由協調器匯聚傳感器模塊采集到的溫度、濕度、光照強度等能源信息通過Wi-Fi網關傳輸至嵌入式控制器。當協調器收到嵌入式控制器的控制命令，根據節點編號與設備類型發送控制命令，對需要控制的設備節點進行開啟設備或關閉設備，以達到節能的目的。

（二）節能監控系統

節能監控系統分別由監測系統和控制系統兩個子系統構成，是水電節能平臺的基礎和核心，也是平臺建設的首要內容。監測系統對校園的教學區、生活區、運動區等各個區域進行供電、供水參數的實時監測，通過平臺監控軟件實時掌握水電的用量，能清楚地了解“水電去哪兒了”這個核心問題。控制系統對水電的在監測系統獲取精準計量以后，在云平臺大數據的分析下進行判斷有針對性的開展節能控制，通過可靠性較高的TCP/IP協議與嵌入式控制器完成數據傳輸從而實時遠程控制，重點解決如何進行水電節能管理的問題。主要是對變電所、水泵房、路燈等基礎設施進行遠程智能監控，保障重點設備的可靠、高效、低耗運行。

（三）節能服務系統

在節能服務系統中設置了充值繳費、信息查詢、欠費提醒等基本功能，師生可以通過網頁、手機APP、微信等方式隨時了解自己的用量信息。同時設置了節能榜單、能源足跡、綠色生活等引導功能，目的是引導人們養成良好節能行為，在節能活動中人才是主體，只有解決好如何養成節能意識的問題，才能杜絕人對設備的不當使用造成的能源浪費，才能真正解決節能的根本問題。通過提高師生對自身能源消費的關注度和透明度，促進了能源的理性消費和自我管理，從被動的節能行為變為主動的節能行為。

四、對水電節能平臺的幾點建議

本文分析了高校水電節能平臺建設的必要性，介紹了建設平臺所需的關鍵技術，設計了高校水電節能管理平臺的建設方案。在方案實施過程中需要注意以下幾點：第一，整個方案中通信方式均為無線通信，但數據采集終端可根據區域實際情況進行有線組網;第二，平臺以大數據作為依托，在建設時需考慮服務器容量的問題;第三，平臺的功能可根據學校實際情況進行調整，以方便能源管理;第四，加強平臺運維工作人員的專業素質，確保平臺的正常運行。

參考文獻：

[1]侯瑞.基于能量感知WSN的田域環境監測系統研究與設計[D].南京：南京信息工程大學，2017.

[2]胡俊立.淺談物聯網在高校智慧校園建設中的應用[J].智能城市，2019，5（18）：26-27.

[3]彭華林.物聯網技術在智慧校園建設中的應用[J].科技資訊，2019，17（19）：19-20.

[4]郝樂，郭廣翠.高校節能監管平臺建設現狀及發展展望[J].建設科技，2017（14）：63-65.

[5]羅夏，劉羽.基于物聯網技術的高校智慧校園建設應用研究[J].科技視界，2019（17）：231，241.