基于物聯(lián)網(wǎng)的某醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

摘要：隨著醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，大型醫(yī)院的能耗問題成了關(guān)注的焦點，文章設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能終端采集電能表的數(shù)據(jù)，以4G的方式將各個電能計量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，開發(fā)了Modbus協(xié)議解析接口，設(shè)計了基于Web的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對醫(yī)院電能表的實時監(jiān)測、精準(zhǔn)計量和科學(xué)管理。文章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)過程，通過實際應(yīng)用案例驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；能耗監(jiān)測；智能終端；醫(yī)院

中圖分類號：TP311" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，醫(yī)院能源消耗也在逐年上升。電能作為醫(yī)院的主要能源消耗，其費用支出占醫(yī)院總運營成本的比例較大。因此，對醫(yī)院電能進(jìn)行準(zhǔn)確計量和實時監(jiān)測，加強醫(yī)院電能管理，降低能源消耗，提高能源利用效率，對于降低醫(yī)院運營成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

以新一代信息通信技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)立足于信息化與工業(yè)化深度融合，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新支撐，為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展拓展了新空間^［1］，隨著5G、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)更加高效、智能、安全的連接和服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在大型建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與通信、數(shù)據(jù)分析與處理以及系統(tǒng)集成與管理方面發(fā)揮著重要作用^［2］。各類傳感器被大量安裝在建筑中，用于采集能耗相關(guān)數(shù)據(jù)。如在各個能源供應(yīng)點（變電站、配電室等）和能源消耗點（辦公樓、研發(fā)中心等）安裝各類傳感器，包括電流傳感器、電壓傳感器、功率傳感器、智能電能表等，用于實時采集電力數(shù)據(jù)，精確監(jiān)測用電負(fù)荷、功率因數(shù)等參數(shù)。對于水、氣、熱等其他能源形式，安裝相應(yīng)的流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，以獲取全面的能耗信息。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)⒔ㄖ哪芎陌凑詹煌哪茉搭愋停ㄈ珉姟⑺?、氣、熱等）以及不同的用能區(qū)域、設(shè)備類型等進(jìn)行分類計量。這樣可以更精確地了解建筑內(nèi)能耗情況，為后續(xù)的能耗分析和管理提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。

在能耗管理系統(tǒng)中，多種通信技術(shù)被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。短距離通信技術(shù)如藍(lán)牙、ZigBee 等常用于建筑內(nèi)局部區(qū)域的設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸^［3］，例如智能照明系統(tǒng)中燈具之間的通信；Wi-Fi 技術(shù)則廣泛應(yīng)用于建筑內(nèi)移動設(shè)備與能耗管理系統(tǒng)的連接以及一些對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的場景。利用 ZigBee、LoRa 等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將分散在各處的傳感器連接起來。這些無線技術(shù)具有部署靈活、成本低、功耗小等優(yōu)點，適合大規(guī)模的能耗數(shù)據(jù)采集。而對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和建筑與外部管理平臺的通信，移動通信技術(shù)（4G/5G）以及有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如以太網(wǎng)）則發(fā)揮著重要作用。智能終端采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點上傳至能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。

在大型建筑中，能耗數(shù)據(jù)需要實時、準(zhǔn)確地傳輸?shù)焦芾砥脚_，以便管理者及時了解建筑的能耗狀況。現(xiàn)在的通信技術(shù)能夠較好地滿足這一需求，減少了數(shù)據(jù)傳輸中的丟包、延遲等問題，確保了能耗數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，提升了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

將建筑內(nèi)的各種能源系統(tǒng)（如電力系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等）以及相關(guān)的設(shè)備和傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接到一個統(tǒng)一的管理平臺上，這樣可以實現(xiàn)對建筑能耗的全面監(jiān)控和管理，提高管理效率和能源利用效率^［4］。例如，在一些大型醫(yī)院，通過集成化的管理平臺，可以同時監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備用電、照明用電、空調(diào)系統(tǒng)運行等情況，并進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和管理。

大型建筑的能耗管理系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉降哪芎臄?shù)據(jù)進(jìn)行基本的分析和處理。例如，計算建筑的總能耗、不同時間段的能耗變化趨勢、不同區(qū)域或設(shè)備的能耗占比等。通過這些分析，管理者可以初步了解建筑的能耗情況，發(fā)現(xiàn)一些明顯的能耗問題，如能耗高峰時段、高耗能區(qū)域等。此外，引入人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析和預(yù)測。通過對歷史能耗數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，系統(tǒng)可以預(yù)測未來的能耗趨勢^［5］，為管理者制定節(jié)能策略提供參考。

能耗管理平臺的功能也在不斷豐富和完善。除了基本的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析功能外，一些平臺還具備設(shè)備遠(yuǎn)程控制、能源審計、節(jié)能方案制定、報警管理等功能。例如，當(dāng)能耗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動時，管理平臺能夠及時發(fā)出報警信息，提醒管理者進(jìn)行排查和處理；平臺還可以根據(jù)建筑的能耗情況和節(jié)能目標(biāo)，制定個性化的節(jié)能方案，并對節(jié)能效果進(jìn)行評估。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

某醫(yī)院的電能耗管理目前仍采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、時效性差、管理成本高等問題。同時，醫(yī)院缺乏對電能耗的實時監(jiān)測和分析，無法及時發(fā)現(xiàn)能源浪費現(xiàn)象，也難以制定有效的節(jié)能措施。為此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)以實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的自動采集、分析與管理。

所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的某醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)主要由電能計量傳感器、智能終端、數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器和客戶端組成。電能計量傳感器負(fù)責(zé)采集醫(yī)院內(nèi)各個電能設(shè)備的電力能耗數(shù)據(jù)，4G網(wǎng)關(guān)機負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，云服務(wù)器負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，客戶端負(fù)責(zé)為用戶提供系統(tǒng)的訪問界面。

能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)的整體功能架構(gòu)如圖1所示，自下向上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層與應(yīng)用層。感知層主要由各種傳感器和智能儀表組成，負(fù)責(zé)采集電量能耗數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層主要由通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組成，負(fù)責(zé)將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層。它采用多種通信技術(shù)，如 ZigBee、LoRa、NB-IoT 等，以適應(yīng)不同區(qū)域環(huán)境和通信需求。同時，數(shù)據(jù)傳輸模塊還具備數(shù)據(jù)加密和糾錯功能，確保數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性。網(wǎng)關(guān)在對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和整合后，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺層的云服務(wù)器。

平臺層接收到來自網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分析和處理，用于存儲采集到的電能參數(shù)數(shù)據(jù)和應(yīng)用層處理后的分析結(jié)果，為應(yīng)用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐。平臺層的數(shù)據(jù)存儲包括實時數(shù)據(jù)域、時序數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫與運行規(guī)則庫。

應(yīng)用層主要由監(jiān)測中心和管理軟件組成，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算、處理和展示，具備數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報警管理、報表生成等功能，為用戶提供能耗監(jiān)測和管理服務(wù)，用戶終端的種類包括電腦、手機、平板電腦等。

Web監(jiān)測網(wǎng)站的整體功能模塊組成如圖2所示，監(jiān)測網(wǎng)站基于Web進(jìn)行開發(fā)，前端采用B/S架構(gòu)，即瀏覽器模式。前端框架使用Bootstrap，JavaScript腳本庫框架使用jQuery和Vue，圖標(biāo)庫使用HighChart、 ECharts、AntDesign。前后端通信采用WebSoket與WebService。實時監(jiān)控畫面采用SVG技術(shù)進(jìn)行展現(xiàn)與數(shù)據(jù)刷新。前后端數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控畫面測點的實時值采用WebSocket技術(shù)，其他交互采用WebServeice /AJAX。

平臺層與應(yīng)用層分布式部署運行于云服務(wù)器上，具有彈性擴展、高可用性、較好成本效益和快速部署的特點。能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活地調(diào)整計算資源，如 CPU、內(nèi)存、存儲等，實現(xiàn)快速地擴容或縮容，滿足業(yè)務(wù)動態(tài)變化，采用冗余架構(gòu)和故障轉(zhuǎn)移機制，大大降低了服務(wù)器宕機風(fēng)險，保障業(yè)務(wù)的持續(xù)穩(wěn)定運行，且無須前期的大額硬件投資，用戶只須按需付費，有效降低了運營成本。此外，能夠在短時間內(nèi)完成服務(wù)器的創(chuàng)建和配置，加快業(yè)務(wù)上線的速度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)采集

智能電能表支持Modbus RTU串口通信方式，使用RS485物理接口，屬于半雙工的方式通信^［6］，項目現(xiàn)場實際布線時采用線材特性阻抗120 Ω屏蔽雙絞線，這有助于減少2根RS485 通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及外界的共模干擾。每塊智能電能表提供一對通信端子，屏蔽雙絞線，

采用手拉手菊花鏈總線連接方式將智能電能表通信端子中的所有A端子連接在一起^［7］，所有B端子連接在一起，A端子統(tǒng)一使用藍(lán)色通信線，B端子統(tǒng)一使用紅色通信線。為保證通信質(zhì)量，本項目中每條主電纜鎖連接的負(fù)載設(shè)備即智能電能表的個數(shù)最大按照20個進(jìn)行設(shè)計。

4G網(wǎng)關(guān)機對下通過串口線連接電能表，對上通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)，實現(xiàn)Modbus RTU與Modbus TCP之間的協(xié)議轉(zhuǎn)化。Modbus協(xié)議遵循主從協(xié)議，在同一個總線通信線路上只會有一個主機，4G網(wǎng)關(guān)機是主機，該線路上的所有智能電能表是從機，所有的通信過程全部由主機主動發(fā)起，從機接收到主機請求后，會對請求做出響應(yīng)。從機不會主動進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從機之間也不會有通信過程。

采用C++語言在云服務(wù)器上編寫Modbus TCP接口應(yīng)用程序，接口程序首先綁定指定的服務(wù)器端口進(jìn)行監(jiān)聽，4G網(wǎng)關(guān)機啟動后首先向指定的服務(wù)器IP地址與端口發(fā)送身份注冊報文，Modbus TCP接口應(yīng)用程序如果校驗失敗，則斷開本次TCP連接，如果驗證通過，則基于Modbus TCP協(xié)議并根據(jù)智能電能表的設(shè)備地址、測點的寄存器地址下發(fā)請求報文，網(wǎng)關(guān)機采用透明傳輸模式，將接收到的Modbus TCP格式報文轉(zhuǎn)換成Modbus RTU格式，通過串口總線下發(fā)給智能電能表，目標(biāo)設(shè)備地址的智能電能表根據(jù)請求做出響應(yīng)，網(wǎng)關(guān)機收到后再轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器上的Modbus TCP接口應(yīng)用程序。部分代碼如下所示。

//校驗modbus返回報文準(zhǔn)確性與合規(guī)性

static int check_confirmation（uint8_t*req， uint8_t*rsp， int rsp_length）

{

int rc;

int rsp_length_computed;

int length = 2 + 2 * （req［offset + 3］ lt;lt; 8 req［offset + 4］）;

int compute_response_length_from_request = offset+length;

int _function = rsp［offset］;

rsp_length_computed = compute_response_length_from_request;

if （（rsp_length == rsp_length_computed） amp;amp; _function lt; 0x80）

{

int req_nb_value;

int rsp_nb_value;

if （_function ！= req［offset］）

{ return -1;}

…

req_nb_value = （req［offset + 3］ lt;lt; 8） + req［offset + 4］;

rsp_nb_value = （rsp［offset + 1］ / 2）;

}

…

return rc;

}

3.2 智能預(yù)警

在云服務(wù)器內(nèi)，基于采集到的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)警，進(jìn)而提高用電安全性、提高用電效率、保障用電連續(xù)性。

過載運行會使電線的絕緣層加速老化，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致短路。通過實時監(jiān)測電路中的電流防止運行過載，當(dāng)電流超過預(yù)先設(shè)定的安全電流閾值時，就會觸發(fā)過載預(yù)警，過載預(yù)警功能可以有效避免這些潛在危險。

電壓過高可能損壞電器設(shè)備，如導(dǎo)致電子設(shè)備電源模塊燒毀等；電壓過低則會使電器設(shè)備無法正常工作，如電動機類設(shè)備轉(zhuǎn)速下降等。智能預(yù)警可以持續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)電壓。正常的電壓范圍一般在額定電壓的 ±10% 左右，當(dāng)電壓超過閾值并持續(xù)一定時間時，電能表就會發(fā)出電壓異常預(yù)警，預(yù)警功能可以讓用戶及時采取措施，如使用穩(wěn)壓器來保護(hù)電器設(shè)備。

智能電能表可以計算電路中的功率因數(shù)。功率因數(shù)過低會導(dǎo)致電網(wǎng)的無功損耗增加，影響供電效率。當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，就會發(fā)出預(yù)警，提醒用戶對無功補償設(shè)備進(jìn)行檢查和調(diào)整，提高用電效率。

諧波會對電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，如干擾通信系統(tǒng)、使電容器等設(shè)備過熱損壞。系統(tǒng)能夠分析電路中的諧波成分。在含有大量非線性負(fù)載（如電子鎮(zhèn)流器、變頻設(shè)備等）的電路中，會產(chǎn)生諧波。當(dāng)諧波含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)（如總諧波畸變率超過規(guī)定的 5% ），就會發(fā)出預(yù)警。預(yù)警可以讓用戶對產(chǎn)生諧波的設(shè)備進(jìn)行濾波處理，改善電能質(zhì)量。

4 工程應(yīng)用

將設(shè)計的軟硬件架構(gòu)與功能模塊應(yīng)用到某醫(yī)院，選擇MySQL作為醫(yī)院電能耗數(shù)據(jù)存儲和管理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設(shè)計數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，包括電能耗數(shù)據(jù)表、設(shè)備信息表、用戶信息表等。采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言開發(fā)云服務(wù)器應(yīng)用程序，實現(xiàn)對電能耗數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理。應(yīng)用程序應(yīng)具有良好的可擴展性和可維護(hù)性。

Web界面上可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、報表生成、報警管理、遠(yuǎn)程控制等，界面樣式如圖3所示。圖3是對各個智能電能表的集中監(jiān)控畫面，可以實時監(jiān)測電能表的三相電流、三相電壓與有功電能。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)，給出了軟硬件架構(gòu)、主要功能模塊的設(shè)計方法與關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)方法，基于Modbus協(xié)議采用C++語言在云服務(wù)器上編寫Modbus TCP接口應(yīng)用程序，通過 4G 網(wǎng)關(guān)機將醫(yī)院內(nèi)各個電能計量設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器，通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的綜合應(yīng)用，最終實現(xiàn)了對醫(yī)院電能耗的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和管理，通過實際應(yīng)用案例驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。該系統(tǒng)能夠為醫(yī)院提供高效、準(zhǔn)確的能耗監(jiān)測解決方案，提高能源利用效率。

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（編輯 沈 強編輯）

Design and application of energy consumption measurement and monitoring system

for a hospital based on IoT

WANG" Ben， YAN" Wenjuan， LU" Ke， GUO" Xiaofeng， ZHENG" Mingming

（Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology， Nanjing 211306， China）

Abstract：" With the rapid development of the medical industry， the energy consumption of large hospitals has become a focus of attention. In the article， a hospital energy consumption measurement and monitoring system based on Internet of Things （IoT） technology is designed， which collects the data from the electricity meters through intelligent terminals， transmits the data of each power measuring device to the cloud server by 4G， develops the Modbus protocol parsing interface， and designs the online monitoring system based on the Web. It realizes real-time monitoring， accurate measurement and scientific management of hospital electricity meters. the article describes the overall system architecture， hardware design， software design and key technology implementation process， and verifies the effectiveness and feasibility of the system through practical application cases.

Key words： Internet of Things; energy-consuming supervising; intelligent terminal; hospital