高校智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

西安文理學(xué)院 楊 斌 馬宗保 張佳赫 張?詞

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，萬物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)來臨。各種各樣的軟硬技術(shù)正在逐漸的融入人們的生活之中，能源智慧化亦是大勢(shì)所趨。本文提出了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的一整套具有遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智慧能源平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。該平臺(tái)基于數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和各類傳感器、控制器將傳統(tǒng)用能設(shè)備互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制設(shè)備和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等功能。

1 項(xiàng)目概述

智慧能源的主要理念是基于能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和科學(xué)管理，使得能源利用更加安全高效。隨著城市化的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)建設(shè)，由此，智慧能源管理平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。智慧能源就是通過不斷的能源技術(shù)創(chuàng)新和管理制度優(yōu)化，在現(xiàn)代能源利用、生產(chǎn)、開發(fā)技術(shù)和管理消費(fèi)的每一環(huán)節(jié)，融合人類智慧和現(xiàn)代科技，建立并完善符合國(guó)家生態(tài)文明和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的能源技術(shù)和管理體系，呈現(xiàn)出一種全新的現(xiàn)代能源發(fā)展形式。

2 項(xiàng)目研究

2.1 研究目標(biāo)

高校通過搭建智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)，可以保證高等院校在不斷發(fā)展的同時(shí)，嚴(yán)格控制高校能源的消耗量，使其逐年減少。五年內(nèi)，總體財(cái)政支出預(yù)計(jì)比目前支出規(guī)模減少5%至20%。通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段直接完成高校所有用能設(shè)備的質(zhì)量管理、控制、分析和統(tǒng)計(jì)等工作，從而徹底實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代智能高校監(jiān)管模式和能耗監(jiān)控服務(wù)。具體來說，就是把現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)信息傳感器技術(shù)應(yīng)用推廣到水電及燃?xì)獾雀鞣N各樣需要信息感知的用能設(shè)備中，如水電開關(guān)、空氣、溫度傳感裝置，把這些設(shè)備與用能設(shè)備連接，使之形成”物聯(lián)網(wǎng)”，然后”物聯(lián)網(wǎng)”又集成了現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)能源的安全管理和智慧管理的需要。

2.2 研究?jī)?nèi)容

高校構(gòu)建智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容是對(duì)主流計(jì)量表具的安全可靠的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，以及可遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)可視化的管理系統(tǒng)。其主要功能是在固定時(shí)間段采集數(shù)據(jù)、周期性數(shù)據(jù)采集和特定時(shí)間數(shù)據(jù)采集，并能實(shí)時(shí)接受數(shù)據(jù)中心發(fā)布的指令和配置。智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)是將建筑內(nèi)的所有能耗數(shù)據(jù)自動(dòng)收集傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，通過遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、集中計(jì)量監(jiān)管和自動(dòng)計(jì)量分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)用于建筑內(nèi)的能源計(jì)量審計(jì)的遠(yuǎn)程信息化。對(duì)高層建筑內(nèi)經(jīng)常使用的各種能源設(shè)備以及參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同層次的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控，提供能耗賬單數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可提供區(qū)域、類型、設(shè)備名稱等選項(xiàng)，以幫助用戶確定要查詢的具體數(shù)據(jù)。

3 擬解決的關(guān)鍵問題

3.1 物的管理——遠(yuǎn)程控制、經(jīng)濟(jì)快捷

高校內(nèi)的電氣設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)，管理員可以使用移動(dòng)智能終端控制高校內(nèi)任何一臺(tái)或全部電氣設(shè)備，如電氣空調(diào)、開關(guān)、燈具等。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果統(tǒng)計(jì)，一名管理員關(guān)閉全校(如6層共160臺(tái))的電氣空調(diào)電源需要至少50min，開啟或多次關(guān)閉所有高校樓層的電氣照明設(shè)備電源至少需要15min，并且在操作過程中會(huì)直接造成管理員工作崗位的嚴(yán)重缺位。有了這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)管理安全系統(tǒng)，這些任務(wù)我們只需值班室的安全管理人員一鍵操作即可輕松實(shí)現(xiàn)。此外，該平臺(tái)甚至還可以自動(dòng)設(shè)置多種場(chǎng)景應(yīng)用模式，完成無人值守的自動(dòng)執(zhí)行。

3.2 環(huán)境管理——安全高效、節(jié)能減排

智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)不僅可以實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境，還可以通過檢測(cè)環(huán)境溫度變化情況并對(duì)其做出科學(xué)調(diào)整。比如當(dāng)夏天室內(nèi)相對(duì)溫度已經(jīng)達(dá)到35℃以上時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)開啟中央空調(diào)；冬天或雨季室內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到80%時(shí)，可以自動(dòng)關(guān)閉中央空調(diào)并進(jìn)入除濕通風(fēng)模式。這個(gè)功能設(shè)置既實(shí)用又人性化。此外，還可以通過設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)等功能，在無人操作的情況下它還可以有效避免用戶因忘記設(shè)置關(guān)閉空調(diào)而帶來的巨大能源浪費(fèi)和其他安全隱患。

3.3 人的管理——條件預(yù)警、及時(shí)精準(zhǔn)

智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)可以準(zhǔn)確地感知學(xué)校教室、宿舍等公共區(qū)域工作人員的移動(dòng)。例如在設(shè)定的學(xué)生上課時(shí)間內(nèi)，若宿舍內(nèi)有人走動(dòng)時(shí)，環(huán)境變化傳感器會(huì)通過推送電子郵件等方式及時(shí)通知宿舍管理員，哪個(gè)宿舍有人員滯留，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)有效的管理。再者當(dāng)宿舍有人使用大功率電器時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)繼電器會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并將警告信息推送給管理員。場(chǎng)景模式也可以設(shè)置為當(dāng)檢測(cè)到大功率電時(shí)關(guān)閉某個(gè)宿舍電源。這樣既可以降低宿舍的安全風(fēng)險(xiǎn)，又可以對(duì)宿舍進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的管理。

3.4 信息管理——科學(xué)規(guī)范、有的放矢

高校智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)可以根據(jù)高校設(shè)定的用電時(shí)間段自動(dòng)計(jì)算高校用電量等數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制用電圖表，方便管理工作人員隨時(shí)查看。后臺(tái)管理軟件包含有每個(gè)后臺(tái)設(shè)備的圖形示例和當(dāng)前狀態(tài)等信息。智慧能源檢測(cè)和管理平臺(tái)主要具有能源設(shè)備信息實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和設(shè)備狀態(tài)信息反饋等功能，從而使校園能源管理高效安全運(yùn)行，并為建立科學(xué)綠色的能源管理高校提供有效決策依據(jù)。

4 平臺(tái)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)方案

4.1.1 檢測(cè)系統(tǒng)

智能管理的前提便是盡可能的掌握更多更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而根據(jù)數(shù)據(jù)做出科學(xué)準(zhǔn)確的決策，所以我們首先必須架設(shè)能夠?qū)崟r(shí)獲取能源數(shù)據(jù)的檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)擬定使用ESP8266 Wifi芯片將DS18B20溫度傳感器、QFA3100濕度傳感器，煙霧探測(cè)器和XM106自動(dòng)控制計(jì)時(shí)器等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到統(tǒng)一終端并完成匯總和分析。系統(tǒng)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)從使用時(shí)間、使用頻率及用量等維度定期生成數(shù)據(jù)報(bào)表，供管理員查閱和分析，系統(tǒng)將使用可靠成熟的騰訊云圖來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，從而將收集到的數(shù)據(jù)更直觀明了的展示給用戶。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4.1.2 控制系統(tǒng)

智慧能源其智能之處即是能夠智能控制能源設(shè)備，一切的工作都是為了能夠更好的控制能源，使其更高效的為人們服務(wù)。系統(tǒng)擬定對(duì)電源、水閥等設(shè)備增設(shè)控制器，并將各個(gè)控制器連接到控制中樞，使其能夠接收控制信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到能源使用可能會(huì)出現(xiàn)安全事故時(shí)，或者發(fā)現(xiàn)能源當(dāng)前不允許被使用時(shí)，控制中樞將會(huì)收到來自檢測(cè)系統(tǒng)的控制指令，根據(jù)具體指令各控制器會(huì)自動(dòng)啟用或關(guān)閉能源。實(shí)際中的能源使用場(chǎng)景基本都是一成不變的，所以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間、用量等標(biāo)準(zhǔn)，智能控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠應(yīng)對(duì)多數(shù)需求，但是難免有預(yù)料不到的情況，自然人為干預(yù)也就必不可少。所以平臺(tái)同時(shí)需要一個(gè)接入了控制中樞的在線Web后臺(tái)管理系統(tǒng)，保障能源控制更便捷。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

4.2 設(shè)計(jì)分析

物聯(lián)網(wǎng)智慧能源需要將高度分散、種類繁瑣的各類能源設(shè)備統(tǒng)籌起來，就必須要有一個(gè)便捷可靠的處理平臺(tái)，接收各類傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并及時(shí)分析處理，并通過預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，向目標(biāo)設(shè)備控制器精準(zhǔn)下達(dá)控制指令。平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于：首先需要在網(wǎng)絡(luò)條件較差的物聯(lián)網(wǎng)鏈路中保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽考皶r(shí)，因此根據(jù)該特點(diǎn)，系統(tǒng)擬定基于MQTT協(xié)議開發(fā)，該協(xié)議是一種基于發(fā)布/訂閱模式的”輕量級(jí)”通訊協(xié)議。作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中有較廣泛的應(yīng)用。再者便是平臺(tái)預(yù)先設(shè)定的各類標(biāo)準(zhǔn)必須科學(xué)并且實(shí)際，同時(shí)平臺(tái)應(yīng)該可以實(shí)時(shí)的更改此標(biāo)準(zhǔn)，從而保證平臺(tái)的靈活穩(wěn)定。科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系著智慧平臺(tái)是否真正“智慧”，所以在平臺(tái)開發(fā)前期需要進(jìn)行大量調(diào)研和考證。