基于Niagara技术多源分布式建筑能源物联网实验平台开发与应用

李慧，谢林鸿，王桂荣，魏建平

（山东建筑大学热能工程学院，济南 250101）

0 引言

物联网在建筑能源领域已经占据了一定的市场，中国建筑节能协会更是成立了“建筑调适与运维专业委员会”。培养既具有建筑环境与能源应用工程专业知识又具有物联网技术的复合型人才是行业发展的需求，然而高校建筑环境与能源应用专业在此方面的人才培养还很欠缺。2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设［1］，新工科建设相比于过去传统的人才培养模式，更加注重学生创新意识与实践动手能力的提高［2］。将传感技术、控制技术、物联网技术与建筑能源系统有机结合，建立建筑能源物联网实验平台，强化学生的工程实践能力，提高学生的创新性和解决复杂问题的能力，促进建筑环境与能源应用工程专业向新工科转变［3］。

目前，国内外学者对建筑能源物联网平台已经做了一系列的研究［4-6］。在研究过程中发现的主要问题有：①原有项目中不同的建筑能源系统通常为异构系统，使用不同的通信方案，将其接入统一平台时需要编写特定的通信接口。②为实现平台所需功能，软件应用的开发周期长且编程繁琐。Niagara 是美国Tridium公司基于Java 开发的一款极其开放的物联网软件平台，Niagara的核心价值是可以连接任何协议、设备和网络，且Niagara 编程为图形化编程，编程效率高。Niagara物联网技术已经被广泛应用于智能建筑、智能电网、分布式能源、工业控制、商业连锁、智慧城市、数据中心等很多领域［7-10］。2020年，Niagara 物联网技术写入“高等学校物联网工程专业规范2.0”。因此，建筑能源物联网实验平台选用Niagara物联网技术。

1 多源分布式建筑能源系统

多源分布式建筑能源系统由3 个能源子系统组成，分别是太阳能辅助空气源热泵系统、微燃机冷热电三联供系统和地源热泵多联机系统，系统之间相对独立且服务于不同的末端用户。

1.1 太阳能辅助空气源热泵系统

太阳能辅助空气源热泵系统主要设备有空气源热泵机组、太阳能集热器、板式换热器、循环水泵、储热水箱、末端风机盘管等，其工作流程如图1 所示。夏季，空气源热泵单独运行，降低系统回水温度，为末端房间供冷；冬季，太阳能集热器吸收热量，加热储热水箱的水，该水与系统回水在板式换热器处进行一次热交换，提高空气源热泵机组的进水温度，空气源热泵再对系统回水进行二次热交换将系统出水温度提高到供暖设计温度，为末端房间供热。

图1 太阳能辅助空气源热泵系统工作流程

1.2 微燃机冷热电三联供系统

微燃机冷热电三联供系统主要设备有微燃机、冷温水机、烟气-水换热器、水源热泵、循环水泵等，其工作流程如图2 所示。微燃机燃烧高压天然气发电，排出的高温高压烟气用以驱动烟气型溴化锂冷温水机，从冷温水机排出的烟气通过换热器与水源热泵进行热交换。夏季冷温水机为末端房间供冷，水源热泵制取生活热水；冬季冷温水机和水源热泵共同为末端房间供热。

图2 微燃机冷热电三联供系统工作流程

1.3 地源热泵多联机系统

地源热泵多联机系统主要设备有地源热泵主机、地埋管换热器、室内机、循环水泵等，其工作流程如图3 所示。地源侧以水作为介质，通过地埋管换热器与大地进行换热。大地是个温度稳定的蓄热体，夏季地埋管放出热量，降低系统回水温度，同时将热量存储至地热场，冬季地埋管吸收热量，提高系统回水温度。用户侧使用冷剂作为循环介质，冷剂在主机处进行热交换后，经铜管输送至室内机，在室内机的风机带动下与室内空气进行换热。

图3 地源热泵多联机系统工作流程

2 实验平台网络结构

多源分布式建筑能源物联网实验平台网络结构框架如图4 所示，包括3 个建筑能源物联网子系统，分别为太阳能辅助空气源热泵物联网系统、微燃机冷热电三联供物联网系统、地源热泵多联机物联网系统。Supervior管理平台实现3 个能源系统的统一管理。其中，太阳能辅助空气源热泵物联网系统和微燃机冷热电三联供物联网系统与Supervior 管理平台的连接为有线网络连接，地源热泵多联机物联网系统与Supervior管理平台的连接通过云平台无线连接。

图4 实验平台网络架构

2.1 硬件设备

2.1.1 感知层设备

感知层设备主要包括传感器、执行器和机组设备控制板卡等，按照信号传输类型可以分为3 类。第1类为串口通信设备，通过RS-485 串口连接到JACE-8000 网络控制器的COM口，主要设备包括智能热表、智能电表、变频器、机组控制板等。第2 类为网口通信设备，光纤感温探测器的网口通过网线与现场PC 机的网口连接。第3 类为常规不带通信功能的设备，包括温度变送器、压力变送器、差压变送器、电动调节阀、设备开关信号及故障报警信号等。

2.1.2 网络层设备

网络层是感知层与应用层的桥梁，负责将感知层感知的信息传输到应用层，再将应用层的控制指令传输到执行设备。网络层的主要设备有JACE-8000 网络控制器、IO-28U 智能IO 模块和智能网关等。JACE-8000 网络控制器是一款用来连接多个设备和子系统，实现集成、监控、数据记录、报警、时间表和网络管理功能的嵌入式网络控制器［11］。IO-28U 是一款具有28个输入输出点，同时支持Bacnet 和Modbus 通信协议的智能IO模块，包括8 路UI、8 路DI、8 路DO和4 路AO。IO-28U智能IO 模块的输入输出通道与现场的温度传感器、压力传感器、差压传感器、交流接触器触点等连接。此外还有ZigBee网关，用以将ZigBee协议转换为Modbus RTU协议。

2.2 网络通信

实验平台采用两台JACE网络控制器分别采集太阳能辅助空气源热泵系统和微燃机冷热电三联供系统的底层设备的运行参数，并通过以太网口接入监控主机以TCP／IP协议进行双向通信，控制底层设备的运行。IO-28U智能IO 模块，智能热表、智能电表、变频器等智能仪表，机组控制板卡和ZigBee 网关等与JACE网络控制器的连接均为串口连接，通信协议为Modbus RTU协议。风机盘管温控器通过无线传感器网络以ZigBee 协议与ZigBee 网关通信［12］，ZigBee 网关负责将ZigBee协议转换为Modbus RTU协议。光纤感温探测器通过网线连接现场PC 机的网口，通信协议为Modbus TCP协议。

由于热泵机房距离监控主机较远，采取云平台形式。现场PC机连接底层设备采集地源热泵系统的运行数据并将其存储至云数据库，监控主机通过无线网络以TCP／IP 协议远程通信并读取云数据库内的数据。

3 软件设计

实验平台使用Niagara N4 进行软件编程，最终实现的物联网平台软件功能如图5 所示，分为系统集成、数据展示、故障报警、历史数据、自动控制等。

图5 实验平台软件功能

3.1 系统集成

包括JACE网络控制器与底层设备的网络通信编程，和Supervisor 管理平台与各JACE网络控制器及云平台数据库的通信编程。通过Driver 服务配置，根据硬件设备的通信协议添加Modbus 网络和Rdbms 网络，对Modbus设备通过寄存器点位读写数据，对云数据库数据通过SQL语句查询，基于统一平台实现了对3 个能源系统的数据集成。

3.2 数据展示

通过Px视图设计。该视图在Px Editor 页面中编程。通过插入Widget可视化组件实现以数值、图表及动态图片的形式展示代理点的实时状态；通过插入Actions组件实现对代理点的操作命令；通过插入Hyperlink Button 和Pop Binding 组件实现前端页面的视图切换。

3.3 故障报警

通过Alarm组件设计。根据专业知识确定报警的异常算法，对代理点添加报警扩展并填写报警文本、报警延迟、报警分类等参数，当系统故障或者数据异常时向监控主机发出警报。

3.4 历史数据

通过History组件设计。按照所设计的数据采集需求，通过对代理点添加历史扩展并填写容量、更新时间等参数，按一定时间间隔或一定数值变化采集传感器运行数据。

3.5 自动控制

在WireSheet 视图中模块化编程。通过添加LoopPoint（PID控制）、Tstat（双位控制）、LeadLag（轮询控制）等组件，与代理点的输入输出管脚连线，实现循环水泵的PID变频控制、末端风盘的双位控制、常用泵和备用泵之间的轮询控制等功能。

软件功能丰富，界面很多，图6 所示为软件平台的3 个典型画面。图6（a）所示为太阳能辅助空气源热泵系统流程界面，系统运行的主要参数在流程图上实时显示；图6（b）所示为微燃机冷热电三联供系统主画面，展示该系统的主要信息，展示内容包括：系统能源综合利用效率［13］、设备运行状态、主要数据棒条图展示等；图6（c）所示为地下温度场展示画面，地下温度场采用光纤温度传感器检测，地下温度场的检测用以地埋管传热传质分析［14］。

图6 软件平台3个典型画面

4 实验设计

建筑环境与能源应用工程专业的实验教学是人才培养的重要环节之一，原有实验大多基于某一门课程内容而设置，很难为学生提供知识融会贯通及综合应用的机会，不利于学生创新能力的培养。针对建筑设备自动化、建筑能源物联网、空气调节、热泵技术、分布式能源等课程，开发了一系列综合实验项目，表1 所示给出了部分开放创新性实验项目。

表1 部分开放创新性实验项目

开放创新性实验项目每学期开学时由学生自主申报，每个团队上限12 名成员，历时1 学期。项目小组成员分工合作，查阅文献、设计实验方案、开展相关实验并进行探索性研究，学期末提交实验项目结题报告。在整个开放创新性实验周期中，以学生为主，教师起引导作用。开放创新性实验充分调动了学生的积极性和探索精神，将所学专业知识有机地融入实践中，将理论与实践深度融合，提高了学生的创新性和解决复杂工程问题的能力。

5 结语

物联网技术为建筑能源行业的信息化进程提供了助力。以我校3 个分布式能源系统为对象，从网络架构到软件编程完成了物联网平台的搭建，实现了对多源分布式建筑能源系统的综合管理。针对该实验平台设计了丰富的开放创新性实验，用于学生的实践锻炼，锻炼学生的创新性和解决复杂工程问题的能力，为复合型人才培养提供基础。此外，该实验平台也为广大教师提供了很好的科研平台，可在太阳能热利用、地埋管传热特性分析、分布式能源综合利用、能源系统节能控制、能源物联网大数据分析等方面开展丰富的科学实验研究，提升科研水平。