基于多傳感器的實驗室設備能耗研究

王磊

摘要：實驗室設備已成為高校提高教學質量、產出科研成果不可或缺的資源，但其在能耗方面也是巨大的。據統計，高校實驗室儀器設備的能耗占高校總能耗的20%。文章基于多傳感器技術精準管理的特點開發一個實驗室能耗管理系統。系統采用M2M協議作為簡易實驗室儀器設備能耗管理機制的基礎，并利用物聯網技術將多種傳感器應用到能耗管理系統中。為驗證能耗監測機制的可行性，文章進行了系統的模擬仿真，成功地從多傳感器中讀取了各類實驗室儀器能耗信息，按照閾值設定進行精確的能耗管理。據測算，在使用本系統之后的實驗室能耗平均下降30%。

關鍵詞：能耗管理；多傳感器；物聯網；實驗室儀器設備

中圖分類號：TP399? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，物聯網技術蓬勃發展，為未來精確管理應用帶來無限可能。目前，實驗室能耗是個突出的問題，因此如何有效監測實驗室儀器設備的狀態與效能，將是未來必須面對的重要課題［1］。另外，近年各國環境保護意識逐漸普及，減少能耗的殷切需求來自各產業，“綠水青山就是金山銀山”的發展趨勢正方興未艾［2］。據統計，高校實驗室儀器設備的能耗占學校總能耗的20%，例如：網絡服務提供者的數據中心（Data Center）能耗就非常巨大，必須有效地監督與控制實驗室儀器設備的能耗［3-4］。

實驗室儀器設備的能耗測量主要由多傳感器負責，隨著實驗室儀器設備大量增加，多傳感器數量分布會越來越廣。本研究基于物聯網傳感器技術，利用多傳感器將整體的實驗室儀器設備能耗監控形成監測網絡。目前，實驗室儀器設備能耗的測量與控制解決方案多為封閉式系統，只能適用特定的實驗室儀器設備的能耗監測［5］。除了內嵌于特定實驗室儀器設備的能耗測量監測功能，也可利用以太網絡接口或其他物聯網通信協議從遠程進行能耗監測。實驗室儀器設備能耗測量與控制解決方案因為有多種選擇，造成異構的儀器設備管理問題。因此，在異構的實驗室儀器設備環境提供一致性的能耗測量與控制方式，監測接口的標準化是需要的［6］。

本文的研究重點在于如何以開放式的多傳感器監測架構進行實驗室儀器設備能耗監測。在物聯網協議方面，本文提出由NB-IoT低功耗窄帶物聯網作為通信媒介，所有的物聯網儀器設備可通過NB-IoT節點進行連接。在能耗信息的監測上，本文也將提出一個較為簡易并符合M2M協議的通信網絡能耗管理機制［7］。

1 能耗監測機制

目前，已有許多基于物聯網的電力監測傳感設備提供遠程監測功能，但窄帶物聯網的能耗更低［8］。本文采用NB-IoT開放式低功耗物聯網架構，將能耗監測多傳感器設備設計為一個NB-IoT用戶，利用NB-IoT節點架構將散布各處的能耗監測多傳感器設備進行統一管理。在能耗信息的呈現及現有網絡系統整合方面，本研究遵循目前NB-IoT標準架構的思想，提出一個結合NB-IoT與M2M的實驗室儀器設備能耗管理機制，使得不同儀器設備間的通信與統一管理更加容易［9-10］。

研究重點是基于NB-IoT與M2M協議標準架構下如何讓多種異構儀器設備在同一系統下呈現與管理。對于部分內建能耗管理并支持M2M的實驗室儀器設備，可直接由系統以M2M協議獲取所需能耗監測信息，這類儀器設備多放置于機房等固定位置，屬于大型實驗室儀器設備。網絡人員以傳統M2M協議標準方式進行監測。實驗室儀器設備物理位置較為分散，采用封閉式監測方式不利于規模較大的信息通信環境且無法與傳統的網絡與系統管理整合，容易形成信息管理孤島［11］。因此，本文研究重點在于對能耗監測多傳感器設備進行有效統一管理，通過NB-IoT物聯網架構將現有非標準的能耗監測儀器設備以物聯網進行連接后，再將其監測接口轉為標準的M2M協議接口。為此，本研究定義專屬的M2M管理對象進行信息存取。

這些儀器設備將作為NB-IoT節點上一個用戶，某用戶會作為一個標準的代理，使得網絡系統也可以使用標準的M2M協議獲取信息，以有效分析儀器設備能耗。網絡系統搜集資料是按照設定好的時間間隔周期性地向儀器設備收集信息［12］。節點利用M2M協議接口至NB-IoT的監測模塊下達存取對象的M2M指令，監測模塊對節點而言相當于一般的M2M代理，監測模塊運行方式為通過消息總線向其他儀器設備的用戶請求監測數據，并使用M2M標準上傳數據給相關節點。監測模塊對節點使用M2M協議標準溝通，對于儀器設備則使用NB-IoT標準溝通。每一用戶先通過NB-IoT協議在消息總線上進行注冊，完成后每當節點向監測模塊收集信息時，監測模塊就在消息總線上向儀器設備用戶獲取監測信息，并按照信息系統所定義的數據結構將對象標識符與對象狀態值進行綁定，用以提取組合信息，接著將組成的變量組合加入監測模塊中。完成綁定后，當節點通過M2M協議方式發送網絡指令時，監測模塊將根據欲存取對象的標識符選定對應的用戶獲取監測信息，再以M2M標準信息回傳給節點。節點再將信息儲存至數據庫并進行呈現。

2 系統設計

系統基于上述NB-IoT與M2M協議的能耗監測架構進行系統設計。本研究選擇電源分配單元作為儀器設備。其支持M2M協議功能，可以代表支持M2M協議的儀器設備直接與管理服務器溝通。另外，本研究還選擇了2臺多傳感器設備，代表不支持M2M協議的小型儀器設備，2臺多傳感器設備需搭載支持網絡界面的信號轉換器。以下通過多傳感器設備為例，說明不支持M2M協議的實驗室儀器設備利用NB-IoT進行信息管理的系統設計。基于NB-IoT與M2M協議的實驗室儀器設備能耗監測架構如圖1所示。

由于大部分的多傳感器監測設備本身并沒有網絡接口，無法以IP地址等網絡地址進行直接通信，因此對于此類儀器設備可以通過信號轉換器上的消息總線協議讓用戶程序得以與能耗監測多傳感器設備溝通，必須把消息總線標準格式轉換成讓使用者可以直接觀察的數值格式。

3 系統方案

系統各個感知能耗節點通過定時器（Timer）周期性向儀器設備收集信息，M2M管理模塊被觸發時，會與M2M代理人進行通信，M2M管理模塊利用節點協議的M2M協議程序，根據不同的對象識別碼對M2M代理人發出請求，以獲取對象資料。M2M代理人端的監測模塊根據所收到的對象標識符選擇對應的用戶，用戶獲取的多傳感器監測設備數據，是以一個M2M協議信息系統的對象呈現。該信息通過監測模塊回傳給M2M協議管理模塊。經計算獲取的耗電量與該次監測的時間將一同寫入數據庫，用戶再通過網絡服務器的網站程序讀取數據庫前端網頁接口呈現監測結果。系統流程如圖2所示。

圖2 系統流程

系統將能耗數據結合時間變化，計算出單一儀器設備使用的能耗的時段分布，數據存取模塊獲取時間節點后，對儀器設備24小時的能耗信息進行匯總。將電力能耗監測數據結合電價，精準預測出電費，使用者可以利用上述方法監測與預估能耗數量。過去一個實驗室只使用一個傳感器監測設備，監測數據不夠全面，很難發現各用電儀器設備的實際耗電情況。利用本系統可適度增購多傳感器將監測范圍擴展至各個儀器設備，科研機構就可以更詳細地掌握能耗信息。

4 結語

本文提出以物聯網技術為基礎的能耗監測方法，結合自定義的信息系統對象，利用NB-IoT開放式物聯網架構實現可擴充的網絡架構，搜集來自異構儀器設備的能耗信息，簡化異構儀器設備納入監測系統的復雜性。監測機制對于不同實驗室儀器設備不需要逐一安裝或開發監測工具，可與現有的網絡系統結合，可在既有的網絡架構及界面下獲取能耗監測信息，增進使用上的方便性。系統采用標準的監測接口，可減少對異構儀器設備監測的復雜度，可降低對生產廠商的依賴度，對采購實驗儀器設備做最佳的選擇。

參考文獻

［1］楊超華.能耗監測管理系統在軌道交通中的應用［J］.城市軌道交通研究，2016（12）：123-126.

［2］資永祥.基于傳感器的建筑施工能耗智能監測系統設計［J］.計算機測量與控制，2017（12）：54-56，79.

［3］JAYA K B，NIDHIN M S.為IoT設備的能耗操碎心——論智能設備的系統級電源管理［J］.電子產品世界，2020（2）：29-30.

［4］俞學豪.物聯網技術在建筑能源管理系統中的應用［J］.中國新技術新產品，2020（22）：37-39.

［5］趙婉芳，韓勇.基于調度器的物聯網設備能耗優化策略［J］.電信科學，2019（3）：84-90.

［6］丁承君，劉強，馮玉伯，等.基于物聯網和邊緣計算的高校機房在線監測［J］.計算機工程與應用，2018（21）：257-264.

［7］趙巧穎，瞿少成，張偉剛，等.基于物聯網的電信運營商機房能耗監控系統［J］.計算機工程與應用，2017（22）：204-207，270.

［8］王肇國，易涵，張為華.基于機器學習特性的數據中心能耗優化方法［J］.軟件學報，2014（7）：1432-1447.

［9］汪洪軍，董玉平，劉洋，等.計量實驗室能耗定額制定方法研究［J］.潔凈與空調技術，2022（2）：6-8.

［10］李雅潔.關于高校實驗室能耗分項計量的思考［J］.中國電力教育，2021（S1）：279-280.

［11］陳容健，耿帥凱.房間空調器實驗室節能技術及能耗等級劃分的探討［J］.家電科技，2021（2）：100-103，110.

［12］支琴，熊順子，彭華松.基于能耗監測的高校實驗室安全管理策略［J］.實驗室研究與探索，2020（7）：300-304.

（編輯 王永超）

Research on energy consumption management of laboratory equipment based on multi-sensorWang? Lei

（Taiyuan University， Taiyuan 030012， China）

Abstract： Laboratory equipment has become an indispensable resource for colleges and universities to improve teaching quality and output scientific research achievements， but its energy consumption is also huge. According to statistics， the energy consumption of laboratory equipment in colleges and universities accounts for 20% of the total energy consumption of colleges and universities. Based on the characteristics of precise management of multi-sensor technology， this paper develops a laboratory energy consumption management system. The system uses M2M protocol as the basis of energy consumption management mechanism of simple laboratory instruments and equipment， and uses Internet of things technology to apply a variety of sensors to energy consumption management system. In order to verify the feasibility of the energy consumption monitoring mechanism， we have carried out systematic simulation， successfully read the energy consumption information of various laboratory instruments from multiple sensors， and accurately manage the energy consumption according to the threshold setting. It is estimated that the laboratory energy consumption will decrease by an average of 30% after using this system.

Key words： energy consumption management; multi-sensor， Internet of things; laboratory instruments and equipment