浅谈基于物联网的智慧园区综合平台的设计与实现

张 振， 赵德志

(1. 江苏安科瑞微电网研究院有限公司，江阴 214405； 2. 新疆建筑设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830002)

0 前言

围绕“双碳”工作部署，全国多个省市开展低碳工业园区建设及零碳体系试点，推进绿色工厂、绿色园区建设，实施产业园区绿色化、循环化改造，建设绿色产业示范基地，打造近零碳排放示范区。2021 年国务院发《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》，推动公共设施共建共享、资源循环利用、能源梯级利用和污染物集中安全处置，推进产业园区与产业集群循环化改造，鼓励电、水、气、冷、热等多种能源协同互济的项目建设。

智慧园区综合平台运用IoT、云计算、大数据、AI、互联网等ICT 技术，将人员、车辆、楼宇、能源、变电所、数据中心、设备、环境等人与物进行连接，实现互联化、感知化和智能化，可广泛应用于大型公建、高校、商业广场、工业园区等场所，有助于解决传统园区存在的建设缺乏顶层设计、服务感知差、基础设施老化、管理效率低下且缺乏有效手段、管理运营能力薄弱、信息孤岛难以打破等问题，打造集智慧管理、智慧运营、智慧消防、智慧安防、智慧环保于一体的“安全、高效、舒适、绿色、低碳”的智慧园区。

1 方案总体设计

1.1 总体结构

智慧园区平台采用分层分布式结构(图1)，由现场感知层、网络层和平台层三个部分组成，可以容纳大量设备，后期也可以根据接入设备数量的增加，在不更改架构的前提下进行水平扩展，满足大数据和高并发的要求。

图1 智慧园区平台总体结构

感知层:各类传感器，包括多功能仪表、流量计、电气火灾主机、消防设备电源、智能照明、应急疏散、防火门、空调面板、电瓶车充电桩、汽车充电桩、环境在线监测仪、开关量监测模块、门禁、智能摄像头等。

网络层:数据传输设备，包含智能网关、数采仪、DTU、网络交换机等，采集感知层的数据，进行规约转换将数据上传至数据中台。

平台层:提供应用所需的基础服务，包含数据中台和园区综合平台，中台整合底层的各类传感器数据，为园区综合平台提供统一标准的数据，园区综合平台作为应用平台，在PC 端和移动端为用户提供应用服务。

1.2 应用支撑平台架构

整个系统依靠应用支撑平台构筑支撑，基于信息安全实现资源共享及应用系统互通的运营管理。应用支撑平台包括感知层、基础设施、数据层、应用层、展现层和运营层。

(1)感知层:智能物联网感知平台用于监测电力、电能质量、火灾、视频、环境、设备运行、人脸/车辆识别等数据，并进行预警，同时对能源消耗和费用进行计量。

(2)基础设施:智慧园区综合平台可以实现本地、私有云和公有云部署。

(3)数据层:数据中台负责采集智能物联网感知平台的各类数据，并进行清洗、检查、计算和分析，将处理后的数据按照不同的应用分别存入Redis、MySQL、MongoDB、HBase、ES 等关系型和非关系型数据库。 支持通过MQTT、Socket、API、中间库OPC 等方式与第三方平台进行数据交互。

(4)应用层:智慧园区综合平台分为智慧管理、智慧运营、智慧消防、智慧安防和智慧环保5 个方面，包含变电所监控、能源管理、设备管理、智慧消防、门禁管理、充电桩管理、预付费、环境监测等功能。

(5)展现层:智慧园区综合平台以Web、App 和H5 等形式传达和反馈用户需求，实现用户功能界面。

(6)运营层:智慧园区综合平台为政府管理部门、园区管委会、园区物业、园区企业等提供服务，协调管理各子系统，实现全局管控。

2 智慧园区子系统设计

智慧园区综合平台包含变电所电力监控、数据中心监控、预付费水电管理、能源管理、智慧环保、充电桩收费运营、空调管理、设备管理与控制、电梯监控、智能照明、门禁管理、智慧消防12 个子系统。通过虚拟仿真实现多维度可视化，为客户提供运营管理、运行服务，助力园区能源经济双向管理，提升能源管理水平。

2.1 变电所监控子系统

该子系统可实现配电系统运行、变电所环境的数据采集、故障定位、故障切除、自愈和自适应。

(1)系统设计

变电所安装有源滤波柜、无功补偿柜、进线/出线安装多功能电表、电气节点安装测温装置；配电房安装温湿度传感器、水浸传感器、烟雾传感器、摄像头、门磁、微机保护，配备UPS、双机热备冗余。

多功能电表、无功补偿柜、有源滤波柜、环境传感器、烟雾传感器、测温装置、摄像头可通过RS485、Lora、4G、NB、以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，其中多功能电表/测温装置也可通过4G 直接上传平台。

(2)系统功能

1)电力监控:监测配电系统中的电力参数，实现遥信、遥测、遥控；2)电能质量监测:监测配电系统的功率因数及谐波含量，以便进行无功补偿或滤除谐波；3)环境监测:监测配电房的烟感、门禁、水浸、温度、湿度、监控视频等环境情况；4)报警管理:App、手机短信、邮件、语音等多种方式提醒及异常闭环处理；5)运维巡检管理:平台制定巡检计划，移动端执行签到、巡检、消缺，负责人审核闭环；6)变压器监测:监测变压器的运行状态及损耗。

2.2 数据中心监控子系统

该子系统可实现数据中心的供电安全可靠、运行稳定、绿色节能。

(1)系统设计

数据中心进线安装多功能电表、温湿度传感器、水浸传感器、烟感、摄像头、门磁传感器；列头柜安装多功能电表；母线安装母线监控模块；UPS 电池安装电池检测传感器；机架安装水浸传感器、温湿度传感器。

多功能电表、摄像头、水浸传感器、烟感/温湿度传感器、门磁传感器、母线监控模块、电池检测传感器可通过RS485、4G、以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，其中多功能电表也可通过4G 直接上传平台。

(2)系统功能

1)列头柜监测:监测发电机、UPS、列头柜、空调、蓄电池等设备的运行情况；2)UPS 监测:监测UPS 主路旁路及输出的电力参数，以及蓄电池参数及环境温度；3)电池监测:监测电池组电压、电流、浮充电流、组温，以及单节电池的电压、内阻、温度；4)环境监测:监测数据中心温/湿度、开关门、水浸、烟雾、噪声、气体浓度等环境参数；5)能效评估:计算PUE 值，并与行业标准进行对比分析。

2.3 预付费水电管理子系统

该子系统可实现用户先缴费，后用水电，并对宿舍用电安全进行管理和控制。

(1)子系统设计

房间用电进线安装预付费电表、多功能计量箱；房间进水管安装预付费水表；宿舍用电回路安装一进多出多功能电表。

预付费电表、多功能计量箱、预付费水表可通过RS485、Lora 传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，也可通过4G 或NB 直接上传平台。

(2)系统功能

1)远程抄表:远程售水电，包含多种计费模式；2)事件提醒:余额不足、欠费、充值到账时，通过手机短信提醒用户；3)远程控制:平台端执行远程拉闸、保电、参数下发等操作；4)恶性负载识别:员工宿舍支路接入未经允许的恶性负载(主要为较大的功率增量及增量因数)或发生拔断空调插座动作时自动跳闸；5)自助购水电:用户在线自助购电购水；6)财务分析:根据用电情况分析财务轨迹。

2.4 能源管理子系统

该子系统可实现变电所、数据中心、建筑、空调、电梯、照明、充电桩、重点设备等用能支路的数据采集及用能计量，避免能源浪费，提升能源利用率。

(1)系统设计

用能支路中安装多功能电表、智能水表、燃气表、冷热量表、流量计等计量器具。 计量器具可通过RS485、Lora、以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，其中多功能电表也可通过4G 直接上传平台。

(2)系统功能

1)能耗监测:监测园区内各建筑及支路的电、水、气、冷、热等分类能源消耗；2)能耗分析:对各类能源消耗进行趋势及同环比分析；3)复费率统计:对单栋建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析；4)能源流向图:展示单栋建筑中各分类能源的流向；5)数据报表:数据集抄报表、支路费用报表、容需量报表等；6)分项用能:建筑内照明插座、空调、动力、特殊用电等分项电能进行统计；7)碳排放管理:对区域碳排放进行趋势分析和同环比分析；8)报警管理:能耗超标时触发报警，并通过App、手机短信、邮件、语音等多种方式进行提醒；9)节能分析:提供能源消耗报告及节能分析建议。

2.5 智慧环保子系统

该子系统可实现对区域内空气质量、噪音、废气/废水排放情况的实时监测和告警。

(1)系统设计

园区安装空气质量监测仪、扬尘噪声监测仪；废气排口安装VOCs 监测仪；废水排口安装水质监测仪。

质量检测仪、扬尘噪声检测仪、VOCs 检测仪、水质检测仪可通过4G 直接上传平台，也可采用废气、废水、噪音、空气质量传感器，通过RS485 或者模拟量接入数采仪，再由数采仪通过4G 上传平台。数采仪或在线监测仪满足HJ477 技术要求，以HJ212 协议传输数据。

(2)系统功能

1)实时监测:监控PM2.5、PM10、气体浓度、非甲烷总烃、苯系物、PH 值、氨氮、一氧化碳、噪音等环境参数的实时值；2)超标报警:检测数据超标时触发报警，并通过App、手机短信、邮件、语音等多种方式进行提醒；3)AQI 分析:将监测数据与AQI 进行趋势对比分析；4)数据统计:统计监测数据的分钟平均值、小时平均值、日平均值。

2.6 充电桩收费运营子系统

该子系统可实现充电过程的安全可靠、对火灾进行预警，并对充电异常进行保护。

(1)系统设计

充电区域安装交流/直流汽车充电桩、电瓶车充电桩、摄像头、烟雾传感器；充电桩出线回路安装测温装置、限流式保护器。

充电桩、测温装置、烟雾传感器、限流式保护器、摄像头可通过RS485、Lora、4G、NB、以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，其中充电桩、烟雾传感器、限流式保护器也可通过4G 直接上传平台。

(2)系统功能

1)充电桩管理:对充电桩充电权限进行管理，包括公桩、私桩模式；2)充电桩监控:实时监控汽车、电瓶车充电桩的状态；3)功率控制:根据充电站的功率负载对充电桩的充电功率进行控制；4)远程控制:平台端执行参数设置、下发电价、复位等操作；5)安全监控:实时监控充电过程，及时定位故障，切除火灾隐患；6)隐患管理:App、手机短信、邮件、语音等多种方式提醒及隐患闭环处理；7)运营分析:区域、站点、时间等多维度统计充电、广告收益；8)用户充电:充电用户使用微信/支付宝小程序、IC 卡启动充电，支持手机充值，享受优惠活动。

2.7 门禁管理子系统

该子系统可实现人员、车辆出入的管理与控制，达到安全防护和高效管理的目的。

(1)系统设计

园区入口安装人脸识别闸机、车牌识别摄像头、车牌识别道闸；建筑楼层安装人脸识别门禁机；电梯内安装梯控。

人脸识别闸机、车牌识别摄像头、车牌识别道闸可通过RS485 传输至控制主板，再由控制主板通过以太网上传平台。 人脸识别门禁机/梯控可通过以太网直接上传平台。

(2)系统功能

1)刷脸门禁:根据人脸识别结果对内部人员及外来人员进入园区和建筑进行有序管理；2)车牌识别:根据车牌识别结果对内部车辆及外来车辆进入园区进行有序管理；3)电梯控制:刷卡后控制电梯启动，对人员入户进行控制；4)权限管理:根据人脸识别结果和人员进入权限，对人员入户进行控制；5)出入记录:记录进出的对象和时间，可调取历史监控画面。

2.8 智慧消防子系统

该子系统可实现故障定位、火灾隐患切除、电气安全预警、火灾报警、火灾疏散逃生指示，最大限度保障人员生命财产安全。

(1)系统设计

监控室安装电气火灾主机、火报主机；用电回路安装电流互感器、漏电流互感器、温度传感器、电气火灾探测器、消防设备电源、限流式保护器、故障电弧探测器；消防喷淋、消防水池安装水压传感器、水位传感器；公共区域安装烟雾传感器、摄像头、应急照明和疏散指示灯、防火门开闭器。

火报主机、水压传感器、水位传感、烟雾传感器、限流式保护器、电气火灾探测器、故障电弧探测器、摄像头可通过RS485 或以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网或4G 上传平台，其中电气火灾探测器、消防设备电源、限流式保护器、故障电弧探测器、电气火灾主机、应急照明和疏散指示灯、防火门、水压传感器、水位传感/烟雾传感器也可通过4G、NB 或以太网直接上传平台。

(2)系统功能

1)电气安全监测:监测用电回路中的漏电流、线缆温度、故障电弧等电气参数，漏电流过大、线缆温度温度过高、线路中有故障电弧时产生报警；2)消防水监测:监测消防水泵的水位、水压，水位和水压过低时产生报警；3)烟感监测:监测烟感状态，有烟雾时产生报警；4)消防设备电源监测:监测消防设备电源的工作状态；5)防火门监测:监测防火门的开关状态；6)应急疏散管理:配置疏散预案，根据火灾报警联动信号及疏散预案改变指示灯箭头方向；7)视频监控:监控公共区域的视频；8)隐患管理:App、手机短信、邮件、语音等多种方式提醒及隐患闭环处理；9)运维巡检管理:平台制定巡检计划，移动端执行签到、巡检、消缺，负责人审核闭环。

2.9 其他子系统

2.9.1 空调管理子系统

该子系统可实现空调的数据采集、用能计量及节能控制。

(1)系统设计:房间安装空调温控器，通过RS485与采集箱通讯，再由采集箱通过以太网上传平台。

(2)系统功能:1)运行监测:监控空调的运行模式、水阀开关、当前温度、当前风速等工作状态；2)远程控制:平台端执行运行模式设置、控制水阀开关、设定温度、调节风速、开关机等操作；3)控制策略:冬季空调温度不允许设置大于20℃，夏季空调温度不允许设置小于26℃(温度自定义，平台下发给网关)。

2.9.2 设备管理与控制子系统

该子系统可实现设备的数据采集、控制及用能计量，保证设备稳定运行。

(1)系统设计:风机、水泵、冷却塔等设备支路安装DDC 控制器，DDC 可通过RS485 以ModBus/BACnet 传输至智能网关，再由智能网关上传平台。

(2)系统功能:1)设备监控:监控设备运行实时状态；2)故障报警:设备故障时，通过App、手机短信、邮件、语音等多种方式提醒；3)运维管理:移动端执行点检、保养、维修等线上处理；4)设备台账:设备档案归档；5)备件管理:对备件进行计划、采购、供应、出入库、库存的管理；6)远程控制:平台端执行设备启停操作。

2.9.3 电梯监控子系统

该子系统可实现电梯的数据采集及用能计量，保障电梯安全运行。

(1)系统设计:电梯内安装RS485 串口通信模块、串口转以太网透传模块、摄像头。 串口通信模块通过RS485 传输至透传模块，再由透传模块通过以太网上传平台。 摄像头可通过以太网传输至智能网关，再由智能网关通过以太网/4G 上传平台。

(2)系统功能:1)运行监测:实时监控电梯工作状态；2)故障报警:电梯故障时，通过App、手机短信、邮件、语音等多种方式提醒；3)档案管理:电梯档案归档；4)运维管理:移动端执行维保、年检等线上处理；5)应急救援:紧急情况时自动联系相关责任人员；6)视频监控:监控电梯内的实时画面，支持历史监控回放；此外，识别到电瓶车进电梯后，实时触发报警并控制梯门不允许关闭。

2.9.4 智能照明子系统

该子系统可实现对现场照明灯具的智能化控制与用能计量，满足各场景的应用。

(1)系统设计:配电箱安装开关驱动器、边缘计算主机；控制现场安装智能面板、传感器。 智能面板、传感器采集数据可通过RS485 传输至边缘计算主机，再由边缘计算主机通过4G 上传平台。

(2)系统功能:1)运行监测:实时监控照明区域灯光状态；2)报警管理:电流越限时触发报警，并通过App、手机短信、邮件、语音等多种方式进行提醒；3)远程集中控制:平台端执行灯光开关、亮度调节、场景切换、运行时间设置等操作；4)控制策略:根据外界环境自动控制灯光开闭；按照预设的运行时间自动控制灯光；通过智能开关个性化调节所属区域灯光；5)系统联动:通过干接点连接消防系统做联动。

3 结束语

本文设计的智慧园区综合平台旨在打造集场景式用户体验和数字化运营服务于一体的智能化园区。 可缩减访客进出时间，提高效率；监控人员、车辆行为，实现7×24h 防护；检测资源利用情况，提升资源利用率；提供优化的能耗运营策略，实现办公节能10%左右，总节能3%左右；对设备进行全生命周期管理，随时感知状态，自动定位故障，及时切除隐患；由事后处理转变为事前预防，快速响应过程，提升处理效率，助力实现无保安值守、无出入等待、无盲区监管、无区域限制的创新园区。