基于Niagara的建筑智能化系统集成及能源管理平台设计

任静 赵婉婉

摘  要：我国人均能源占有量较低，而建筑能耗占社会能源消耗比重最高，使我国长期面临能源供应和环境保护的巨大压力，对完成节能减排目标造成了重大冲击。本系统利用Niagara技术，搭建了基于Niagara的建筑智能化系统集成及能源管理平台。该平台以JACE 8000网络控制器作为核心控制器，将建筑物中原有的采用多种协议的系统混合组网，实现各系统数据的交换共享及多系统的联动控制。同时，建立能耗计量数据与用能设备工作状态的有效联系，为提前发现用能设备异常提供数据参考，也为能耗分析、节能方案制定提供参考，进一步提高节能方案的有效性。

关键词：Niagara   JACE  系统集成  能耗监测

中图分类号：TU855           文献标识码：A                  文章編号：1674-098X（2021）02（c）-0085-05

Design of Intelligent Building System Integration and Energy Management Platform Based on Niagara

REN Jing*  ZHAO Wanwan

（Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan Province，450000 China）

Abstract： The per capita energy consumption of China is low，but the proportion of building energy consumption in social energy consumption is the highest，so China has long faced enormous pressure on energy supply and environmental protection，it has a major impact on the achievement of energy conservation and emission reduction targets. This system uses Niagara technology to build an intelligent building system integration and energy management platform based on Niagara. This platform takes JACE 8000 network controller as the core controller， combines the systems with various protocols originally in the building， to realize the exchange and sharing of data of various systems and the linkage control of multiple systems. At the same time， the effective connection between energy consumption measurement data and the working state of energy-using equipment is established to provide reference data for the detection of anomalies of energy-using equipment in advance， as well as provide reference for the analysis of energy consumption and the formulation of energy saving plans， so as to further improve the effectiveness of energy saving plans.

Key Words： Niagara; JACE; System integration; Energy consumption monitoring

随着我国经济的快速发展和人们生活水平的提高，对能源的需求量越来越大。我国能源资源总量居世界第三位，但因人口众多，人均能源占有量仅为世界平均水平的40%。在我国社会能源消耗中，建筑能耗占比为30%左右，已成为耗能最多的行业，且随着城市化进程的加快和人们生活质量的改善，该占比呈逐年上升的趋势，对我国完成节能减排目标造成了重大的冲击。住建部在2017年印发的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出，要加快提升建筑节能标准，提高新建建筑中绿色建筑推广比例，推进既有建筑节能改造，使建筑总体能耗持续下降[1]。

推动建筑节能的有效方式之一，就是建立能源管理平台，通过采集大量的能耗数据，对不同种类的能耗、不同时间段的能耗及相同类型的不同建筑的能耗进行横向或纵向的对比分析，实现数据的量化管理[2]，分析出能耗过高的原因，有针对性地进行能耗管理与改进。该项目基于Niagara Framework技术，将建筑物设备监控系统、能耗计量系统、能耗分析系统及集成管理系统混合组网，实现多协议、多系统的互连互通，实现建筑的能耗的监测与分析，制定节能优化方案，将建筑物能耗降低30%左右。

1  技术概述

Niagara Framework是由Tridium公司研发的一种开放的分布式架构框架，该平台能够连接任何协议、设备及网络，有效解决异构系统集成的复杂性、应用扩展及运维的高成本等问题，满足系统需求的多变性，实现各系统之间的互联、互通及互操作性，使建筑设施达到真正的智能化。

JACE（Java Application Control Engine）是一个采用Niagara框架、基于JAVA的嵌入式网络控制器及服务器，该控制器带有板载串口及IP网口，可以实现Modbus及IP设备的接入，通过扩展插槽，可实现对LonWorks、GPRS、Zigbee、Bacnet等各种通信协议的支持，便于多种异构系统的集成[3]。

2  系统设计

2.1 能耗监控系统

系统采用多回路智能计量表及JACE 8000网络控制器构建能耗监控物联网系统，对各回路能耗进行计量及显示，系统结构如图1所示。计量数据具体到各系统的各个区域及位置，智能計量表采集到的数据通过JACE 8000传输至管理层，作为能耗分析的基础数据。其主要结构由以下部分组成：

（1）感知层：该层主要是安装在终端用能区域的计量设备，包括智能电表、智能水表、智能冷热量表等，对用电设备进行能量计量，计量数据通过Modbus总线传输至控制层[4]。

智能电表采用ACR网络电力仪表，该仪表能够测量三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、电度、协波等常用电力参数，所有仪表参数可通过显示面板设定，同时还具备完善的网络通讯能力。仪表具有1路RS-485通讯接口，通过Modbus协议与JACE 8000进行通讯，实现数据传输及多种应用需求。智能水表及智能冷热量表也均采用具有RS-485通讯接口的设备，通过Modbus协议与JACE8000进行通讯。

（2）控制层：控制层主要设备为一台扩展了3个Modbus总线端口的JACE 8000网络控制器。其中COM1、COM2、COM3分别用于连接现场的智能电表回路、智能水表回路及智能冷热量表回路，智能计量表作为Modbus Async Device添加至相应串口的目录下，并对每台设备的数据、单位等参数及Modbus寄存器地址等信息进行设置，实现设备与JACE 8000网络控制器的通信。这些设备采集的数据通过Modbus总线传输至JACE 8000控制器，数据经过处理后，再通过JACE上的PRI端口，以TCP/IP协议传输至上位机的能源监测系统管理平台，用于进一步的能耗呈现、分析等功能。

2.2 系统集成

在一幢智能建筑中，往往存在着智能照明、暖通空调、视频监控、建筑环境监测等多种系统，各种系统设计、安装的时间不同，采用的技术也不相同，因此，在传统的智能建筑中，各个系统之间彼此独立，单独工作，相互之间没有联系，也没有数据的交互及统一的管理。在实际运行过程中，设备的工作状态不同，其能源消耗也有所不同，而随着设备损耗的增加，其单位工作时间内的能耗也会随之增加，因此，设备的状态与能耗是息息相关的。如果只是单纯地对各系统进行能耗计量，能耗监测就不可避免地会沦为一个抄表系统或收取水电费的工具。因此，该系统利用物联网技术实现系统集成与数据交互，使设备能耗与设备状态建立联系，提高能耗分析方案的有效性。系统架构如图2所示。

该项目采用基于Niagara的JACE 8000网络控制器来实现建筑内各系统的集成，实现对现场各种信号的采集，并结合节能方案，对现场的设备进行智能化控制，实现系统的“分散控制，集中管理”。系统由监控层及管理层组成，在监控层，利用JACE 8000网络控制器连接各系统的现场控制器，实现现场设备与上位机的数据通信，在管理层，利用JACE内置的组态软件，创建上位机集成管理软件，实现系统数据的远程监控及交互[5]。系统集成网络架构如图3所示。

（1）JACE 8000与智能照明系统的集成。

该建筑物原有的智能照明系统采用基于LonWorks总线的DDC开发的。该系统通过LonWorks总线，将DDC连接到JACE上支持LonWorks协议的模块接口上，实现智能照明系统系统集成平台的硬件连接。然后，在JACE的Station中添加Lon Network的驱动，自动搜索在线设备，将DDC添加至数据库中，再通过自动搜索该设备的网络变量，将需要监控的网络变量添加至数据库，将DDC中的网络变量转化成JACE中的Niagara点，并进行地址绑定，从而实现对DDC设备数据点的监测与控制。

智能照明系统中所需监测的点有各种灯具的开关状态、可调光灯具的光照度、各种灯具的故障状态、各种探测器的信号状态等。需要控制的点有各种灯具的开关、可调光灯具的照度值等。

（2）JACE 8000与暖通空调系统的集成。

该建筑物原有的暖通空调系统同样是采用基于LonWorks总线的DDC开发的，因此该系统的集成方法与智能照明系统类似。需要监测的点有空调系统与送排风系统的送、回风量;送、回风温湿度;送、回风机启停状态及手/自动状态;冷热水盘管进出水温度;冷水阀、热水阀、送风阀、回风阀、新风阀、排风阀等设备的开度;各设备故障状态等。需要控制的点有送、回风量;新风量;送风温湿度、送、回风机启停及各种设置参数等。

（3）JACE 8000与视频监控系统的集成。

Tridium公司开发了一个开放的视频框架Niagara Video，用于统一的、智能能、多设备的视频管理。Niagara Video能够集成数字硬盘录像机、IP摄像机、网络硬盘录像机等设备，使这些设备通过标准的协议进行通信。用户可以从控制台查看、录制视频，也可利用照片ID查看器将存档的照片与实时视频进行比较，提供可视化验证[6]。

该建筑物原有的视频监控系统采用了IP摄像机及网络硬盘录像机。将网络硬盘录像机与JACE 8000控制器连接，通过在Station的Driver下建立视频驱动，输入IP摄像机的IP地址将其添加进来，再利用Live Video控件显示在窗口中，实现视频信号的传输。

（4）JACE 8000与建筑环境监测系统的集成。

该建筑物原有的建筑环境监测系统是采用CAN总线技术开发的，在对该系统集成时，需要使用CAN转Modbus网关进行协议转换，实现CAN与Modbus TCP数据绑定及IP配置，网关配置完成后，通过在Station中添加Modbus TCP Network驱动，在应用端进行收发数据配置及网关设置，实现数据的传输。需要监测的点有环境温湿度、CO2浓度、PM2.5浓度、小微粒浓度、空气质量、天然气浓度等。

（5）Jace 8000网络控制器的集成。

在整个系统中，使用了多台JACE 8000网络控制器来集成建筑物中的各个子系统，为了将各个JACE 8000所采集的数据进行统一的监控和管理，需要将一个本地工作站和多台JACE 8000设备工作站建立通讯，实现对多台JACE 8000所应用的设备工作站的控制管理。

为了实现一台本地工作站和多台设备工作站的通讯，需要分别对各个JACE工作站的Niagara Network进行设置。通过双击Niagara Network中的Discovery按键查找JACE工作站，如果未查找到，需要新建相应的工作站，并对工作站的名字和IP地址进行设置，设置完成后执行Ping命令，便可实现JACE 8000之间通讯。

3  平台界面设计及系统功能

3.1 平台界面设计

在JACE上位机软件平台中，可以创建PX页面，通过背景页面设置、文本框编辑、按钮编辑、I/O数据绑定等操作，进行系统的物联网组态，对平台界面进行设计，将各个子系统采集的数据与设备运行状况直观地显示出来，还可通过Web Service命令，将平台发布到网络中去，使局域网中的设备可以通过工作站的IP地址，对平台进行远程访问。

平台界面主要包括首页、智能照明系统页面、暖通空调系统页面、视频监控系统页面、建筑环境监测系统页面和能耗监控系统页面。各页面不仅实现了本系统数据的监测与控制，不同系统之间的数据还可以通过模块化编程，进行数据的逻辑处理和分析，实现各系统之间的联动控制。

3.2 系统功能

（1）建筑设备监控及能耗监测。

通过对建筑物中各子系统集成，以及建立建筑能耗监测系统，实现对建筑各系统设备运行状态、监测数据、能耗数据的监控与呈现，并将这些数据保存在数据库中，后续可通过历史数据查询功能调取相关数据，方便后续的数据分析工作。

（2）建筑能耗数据分析。

实现对建筑照明、空调等系统设备能耗监测、分项计量的同时，将能耗数据与用能对象及区域相互匹配。通过能耗曲线，及早发现用能异常的设备，对其进行及时干预，防止造成更大的损失。在进行用能分析时，结合用能对象的实际工作状态，提升能耗分析的有效性。

（3）各子系统的联动控制。

通过对各子系统的集成，实现管理协同化、数据共享化，能够在一个平台中对不同系统中的数据进行调用，可以根据用户的需求进行单系统及跨系统之间的联动控制设定，进一步提高建筑物的智能化水平。

（4）報警处理预案。

通过对设备运行状态及能耗数据的规律性研究，对异常数据进行分析处理，找出用能异常点，制定报警预案处理机制，监控到异常情况时，确保能耗管理系统根据预案自动控制，实现智能管理。

4  结语

该系统在建立建筑能耗监测系统，实现对照明、空调、视频监控等系统设备能耗监测、分项计量的同时，利用Niagara Framework平台，将建筑物中采用不同协议的智能照明系统、暖通空调系统、视频监控系统及建筑环境监测系统进行集成，实现管理协同化、数据共享化。在进行能耗分析时，将能耗数据与用能对象的工作状态、区域相匹配，制定节能优化方案，提升能耗分析的有效性，将建筑物能耗降低30%左右。

参考文献

[1] BEIJIA HUANG， MAUERHOFER V ， GENG Y. Analysis of existing building energy saving policies in Japan and China[J]. Journal of Cleaner Production， 2016（112）：1510-1518.

[2] 王建华.物联网技术在建筑节能管理中的应用[J]. 建筑电气，2017（6）：69-72.

[3] 毕玉萍.基于Niagara物联网技术的综合管廊数字化的设计与实现[D].天津：天津工业大学，2019.

[4] 许维超，朱惠英.大型公建能耗远程监测系统的实现与节能分析[J].建筑节能，2016，44（9）：92-94，114.

[5] 曹宇.基于Niagara的分布式能源物联网管理平台开发[D].济南：山东建筑大学，2020.

[6] 穆永超，周志华，邹芳睿，等.基于Niagara平台的公共建筑监控系统研发[J].建筑技术，2020（1）：52-55.