高校智慧能源检测和管理平台设计

西安文理学院 杨 斌 马宗保 张佳赫 张䶮词

随着物联网技术的不断成熟，万物互联的时代已经来临。各种各样的软硬技术正在逐渐的融入人们的生活之中，能源智慧化亦是大势所趋。本文提出了以物联网技术为基础的一整套具有远程控制和实时监测的智慧能源平台设计方案。该平台基于数据网关和各类传感器、控制器将传统用能设备互联，从而实现实时控制设备和监测数据等功能。

1 项目概述

智慧能源的主要理念是基于能源结构优化和科学管理，使得能源利用更加安全高效。随着城市化的快速发展，能源短缺和环境污染已经严重影响了经济建设，由此，智慧能源管理平台应运而生。智慧能源就是通过不断的能源技术创新和管理制度优化，在现代能源利用、生产、开发技术和管理消费的每一环节，融合人类智慧和现代科技，建立并完善符合国家生态文明和可持续发展战略要求的能源技术和管理体系，呈现出一种全新的现代能源发展形式。

2 项目研究

2.1 研究目标

高校通过搭建智慧能源检测和管理平台，可以保证高等院校在不断发展的同时，严格控制高校能源的消耗量，使其逐年减少。五年内，总体财政支出预计比目前支出规模减少5%至20%。通过互联网和物联网等技术手段直接完成高校所有用能设备的质量管理、控制、分析和统计等工作，从而彻底实现现代智能高校监管模式和能耗监控服务。具体来说，就是把现代物联网信息传感器技术应用推广到水电及燃气等各种各样需要信息感知的用能设备中，如水电开关、空气、温度传感装置，把这些设备与用能设备连接，使之形成”物联网”，然后”物联网”又集成了现有的互联网技术，从而实现能源的安全管理和智慧管理的需要。

2.2 研究内容

高校构建智慧能源检测和管理平台的关键研究内容是对主流计量表具的安全可靠的数据网关，以及可远程控制和数据可视化的管理系统。其主要功能是在固定时间段采集数据、周期性数据采集和特定时间数据采集，并能实时接受数据中心发布的指令和配置。智慧能源检测和管理平台是将建筑内的所有能耗数据自动收集传输到管理系统中，通过远程自动抄表、集中计量监管和自动计量分析统计，实现用于建筑内的能源计量审计的远程信息化。对高层建筑内经常使用的各种能源设备以及参数数据进行不同层次的远程实时数据采集和远程监控，提供能耗账单数据。系统可提供区域、类型、设备名称等选项，以帮助用户确定要查询的具体数据。

3 拟解决的关键问题

3.1 物的管理——远程控制、经济快捷

高校内的电气设备通过物联网，管理员可以使用移动智能终端控制高校内任何一台或全部电气设备，如电气空调、开关、灯具等。据现场观察结果统计，一名管理员关闭全校(如6层共160台)的电气空调电源需要至少50min，开启或多次关闭所有高校楼层的电气照明设备电源至少需要15min，并且在操作过程中会直接造成管理员工作岗位的严重缺位。有了这个物联网企业管理安全系统，这些任务我们只需值班室的安全管理人员一键操作即可轻松实现。此外，该平台甚至还可以自动设置多种场景应用模式，完成无人值守的自动执行。

3.2 环境管理——安全高效、节能减排

智慧能源检测和管理平台不仅可以实时感知周围环境，还可以通过检测环境温度变化情况并对其做出科学调整。比如当夏天室内相对温度已经达到35℃以上时，系统将自动开启中央空调；冬天或雨季室内相对湿度达到80%时，可以自动关闭中央空调并进入除湿通风模式。这个功能设置既实用又人性化。此外，还可以通过设置空调系统实现自动关机等功能，在无人操作的情况下它还可以有效避免用户因忘记设置关闭空调而带来的巨大能源浪费和其他安全隐患。

3.3 人的管理——条件预警、及时精准

智慧能源检测和管理平台可以准确地感知学校教室、宿舍等公共区域工作人员的移动。例如在设定的学生上课时间内，若宿舍内有人走动时，环境变化传感器会通过推送电子邮件等方式及时通知宿舍管理员，哪个宿舍有人员滞留，从而实现对学生科学有效的管理。再者当宿舍有人使用大功率电器时，物联网继电器会及时发现并将警告信息推送给管理员。场景模式也可以设置为当检测到大功率电时关闭某个宿舍电源。这样既可以降低宿舍的安全风险，又可以对宿舍进行及时准确的管理。

3.4 信息管理——科学规范、有的放矢

高校智慧能源检测和管理平台可以根据高校设定的用电时间段自动计算高校用电量等数据，并自动绘制用电图表，方便管理工作人员随时查看。后台管理软件包含有每个后台设备的图形示例和当前状态等信息。智慧能源检测和管理平台主要具有能源设备信息实时统计和设备状态信息反馈等功能，从而使校园能源管理高效安全运行，并为建立科学绿色的能源管理高校提供有效决策依据。

4 平台设计

4.1 设计方案

4.1.1 检测系统

智能管理的前提便是尽可能的掌握更多更准确的数据，从而根据数据做出科学准确的决策，所以我们首先必须架设能够实时获取能源数据的检测系统。系统拟定使用ESP8266 Wifi芯片将DS18B20温度传感器、QFA3100湿度传感器，烟雾探测器和XM106自动控制计时器等设备联网，将数据发送到统一终端并完成汇总和分析。系统根据收集到的数据从使用时间、使用频率及用量等维度定期生成数据报表，供管理员查阅和分析，系统将使用可靠成熟的腾讯云图来实现数据可视化，从而将收集到的数据更直观明了的展示给用户。检测系统设计如图1所示。

图1 检测系统设计图

4.1.2 控制系统

智慧能源其智能之处即是能够智能控制能源设备，一切的工作都是为了能够更好的控制能源，使其更高效的为人们服务。系统拟定对电源、水阀等设备增设控制器，并将各个控制器连接到控制中枢，使其能够接收控制信号。当检测系统检测到能源使用可能会出现安全事故时，或者发现能源当前不允许被使用时，控制中枢将会收到来自检测系统的控制指令，根据具体指令各控制器会自动启用或关闭能源。实际中的能源使用场景基本都是一成不变的，所以根据预先设定好的时间、用量等标准，智能控制系统已经能够应对多数需求，但是难免有预料不到的情况，自然人为干预也就必不可少。所以平台同时需要一个接入了控制中枢的在线Web后台管理系统，保障能源控制更便捷。控制系统设计如图2所示。

图2 控制系统设计图

4.2 设计分析

物联网智慧能源需要将高度分散、种类繁琐的各类能源设备统筹起来，就必须要有一个便捷可靠的处理平台，接收各类传感器发送的数据，并及时分析处理，并通过预先设定的标准，向目标设备控制器精准下达控制指令。平台的实现难点在于：首先需要在网络条件较差的物联网链路中保证数据传输的可靠及时，因此根据该特点，系统拟定基于MQTT协议开发，该协议是一种基于发布/订阅模式的”轻量级”通讯协议。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网设备中有较广泛的应用。再者便是平台预先设定的各类标准必须科学并且实际，同时平台应该可以实时的更改此标准，从而保证平台的灵活稳定。科学的标准直接关系着智慧平台是否真正“智慧”，所以在平台开发前期需要进行大量调研和考证。