基于物联网的酒店能耗监控系统

黄诗雯 周勃 杨昕培

1 沈阳工业大学建筑与土木工程学院

2 沈阳工业大学信息科学与工程学院

0 引言

能源是当今国内经济发展的物质基础，作为世界上最大的发展中国家，能源短缺已经成为我国亟待解决的问题。我国每年新增的建筑面积约20 亿m2，占世界一半，居全球首位。公共建筑作为民用建筑的重要组成部分，虽然只占建筑总面积的4%，但每年的耗电量却约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米的年耗电量更是普通居民住宅的10～20 倍，相当于发达国家是同类建筑的2 倍[1]。所以在能源问题日益突出的今天，需要有能耗管理系统参与控制并减少建筑能耗。

伴随着信息技术的发展和能源危机的出现，建筑节能已经成为建筑设计与能源管理的关键技术。目前国内很多大型公用建筑都存在用能不合理的情况，然而全国范围内也只有不到15%的公共建筑建立了能耗管理监控系统，绝大多数的酒店仍在使用传统的能耗管理方法。西方发达国家目前主要基于LonWorks技术对供暖、制冷、照明等能耗系统进行改造，使得能源消耗与同类大楼相比降低80%以上[2]。

本文从建筑节能角度出发，分析了酒店能耗监控需求，进行了符合环境要求与监控精度的传感器选型，并进行了监控系统与物联网云平台的设计。通过此酒店能耗监控系统，可以解决日常能耗测量中不规范、不连续、存在误差等问题，减少人力资源投入，便于即时查看能耗现状，对不同供热、制冷末端房间能耗进行经济性评价，有利于制定酒店能源使用策略，并进行简单温湿度与灯光控制，提高酒店节能效率并减少运营成本。

1 系统设计方案

系统设计主要分为监控系统和物联网云平台两部分。

监控系统负责采集传感器和智能抄表系统收集到的数据，利用酒店内原有的网络基础或使用独立的通信模块将监控数据上传到上位机服务器。根据应用场所与监控需求的不同，下位机主要分为两种不同的子系统：应用在人员密集、流动性大、房间大、层高较高的室内监控子系统，如酒店大堂、餐厅、会议室内。应用在以面积小、人员少的客房为主要监控对象的客房监控子系统。

物联网平台使用华为OceanConnect 云平台，负责接收并处理下位机发送的传感器数据，再根据设定阈值逻辑判断房间内节能情况，通过可视化界面将监控数据展现给酒店管理人员。酒店能耗监控系统总体设计方案图如图1 所示。

图1 监控系统总体框图

2 监控系统硬件设计

下位机主要使用传感器采集房间内温湿度、人数、空调出风口温度与风速、烟雾、单位时段用电量等信息，使用STM32 微控制器对实时采集的数据进行分析处理，再利用网络或通信模块，将监控数据上传到上位机服务器。

2.1 STM32 微控制器

STM32 系列32 位微控制器，由意法半导体公司（STMicroelectronics）研发与设计，其使用专门为要求高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M4 内核设计架构[3]。设计使用STM32L4 低功耗微控制器，其丰富的功能可以满足系统的设计需求，也为系统的可扩展性预留了空间。

2.2 数据采集系统

下位机采用DHT11 数字温湿度传感器采集室内与空调出风口温湿度，RAD20CM 红外传感器统计房间内人数，风速轮采集空调出风口风速，MQ-2 烟雾气敏传感器采集房间内烟雾情况，LT518 电能采集模块采集房间单位时段内耗电量，光敏二极管采集室内光照信息。各传感器使用总线结构与微控制器链接，由STM23 微控制器进行传感器的数据处理与通信指令发送。

2.3 通信系统

下位机监控系统使用ESP8266 WIFI 模块和NB-IoT 通信模块与上位机云平台进行通信。针对使用地点网络环境的不同情况，系统将自动切换网络工作状态，在有酒店基础网络覆盖的条件下，使用以太网接口或者WIFI 模块通信；其余环境使用NB-IoT 模块通信。

2.4 操作系统

设计使用实时内核μC/OS-III。根据酒店能耗监控系统的设计需求，将不同的模块功能设计成几个不同的任务：开始任务、温湿度采集任务、风速采集任务、光环境采集任务、红外人数统计任务、用电量采集任务、通信任务。

在酒店能耗监控系统的设计中，除了开始任务与通信任务之外，所有任务都时刻处于运行态。开始任务在运行结束后，会删除其自身任务。通信任务包括以太网、WIFI、NB-IoT 三个通信任务，系统根据环境自动选择模式后进行通信任务的挂起与恢复。操作系统工作示意图如图2 所示。

图2 操作系统工作示意图

3 物联网云平台设计

上位机系统使用了华为OceanConnect 物联网云平台，该平台具有应用预集成的解决方案与生态链构建、接入无关、强大的开放与集成能力、支持全球主流IoT 标准协议及功能实现等特点。

3.1 物联网产品开发

使用OceanConnect 物联网云平台进行产品开发，首先选择对应的设备型号、类型、通信协议等相关参数。不同类型的设备要接入到物联网平台并构建互联互通方案，需要经过Profile 定义、设备开发、插件开发、测试认证等一系列过程。

首先在物联网云平台进行编解码插件开发。编解码插件主要作用是根据设置的消息类型与字段顺序，将下位机通信模块发送的传感器监测信息数据解码，并保存在对应的字段内。亦将下发命令与数据按照字段顺序编码，发送给下位机通信模块。

结束编解码插件开发后，需要进行产品模型（Profile）定义。Profile 定义用于描述设备具备的能力和特性，同时设置命令属性，包含下发命令字段与相应命令字段的设置。通过Profile 命令属性定义进行数据的分析和控制策略设计，当实时监控室内温湿度超过设定阈值时，系统可向下位机发送发送命令调节室内温度。人数在某个范围内开启相对应数量的灯光。烟雾出现时进行报警等功能。

3.2 Web 应用开发

物联网云平台的Web 应用开发使用了华为IoT Booster 平台。IoT Booster 是一种无码化的应用开发SaaS 服务，可以更加便捷、快速的构建应用，管理设备。IoT Booster 平台搭建便捷，只需从组件面板拖拽所需模块，并配置相关参数接口，即可配置对应的用户界面。使用华为IoT Booster 平台搭建物联网监控界面如图3 所示。

图3 IoT Booster 界面图

4 系统测试与分析

使用此系统对北方地区某酒店客房进行能耗监控测试，测试时间夏季下午17 时左右，室外温度30 ℃。系统开始工作后监测房间内实时数据信息，可以得到数据结论：该客房内有一名测试人员，室内温度26 ℃左右，空调出风口温度16 ℃，送风口流速3 m/s，已用电量11.5 度，灯光环境与烟雾报警状态均正常。系统的能耗监控实时页面图如图4 所示。

图4 能耗监控实时页面图

图5 系统监测客房24 小时温湿度变化曲线

根据酒店能耗监控系统测得客房当日监控结果，导出24 小时温湿度监控数据并绘图如图5 所示。

由曲线可分析出，11:00 时系统检测到人员进入房间，并开启空调使房间温度湿度降低。18:00 时由于环境温度降低工作人员关闭空调，导致房间内温度湿度上升。温度曲线由显著变化并可分析出，开空调可导致房间湿度降低。因此系统可有效及时地测量房间温湿度，具有连续、准确、避免人为误差的特性，便于即时查看能耗现状，对不同供热、制冷末端房间能耗进行经济性评价，有利于制定酒店能源使用策略，提高酒店节能效率并减少运营成本。

5 结语

酒店能耗监控系统不仅实现了对酒店内能耗的监控，而且可以通过远程端实现简单的建筑电器控制。因此，酒店能耗监控系统提高了建筑能耗的监控效率，为进行酒店能耗经济性评价提供数据基础，实现酒店节能来达到大型商业建筑可持续发展。