基于多传感器的实验室设备能耗研究

王磊

摘要：实验室设备已成为高校提高教学质量、产出科研成果不可或缺的资源，但其在能耗方面也是巨大的。据统计，高校实验室仪器设备的能耗占高校总能耗的20%。文章基于多传感器技术精准管理的特点开发一个实验室能耗管理系统。系统采用M2M协议作为简易实验室仪器设备能耗管理机制的基础，并利用物联网技术将多种传感器应用到能耗管理系统中。为验证能耗监测机制的可行性，文章进行了系统的模拟仿真，成功地从多传感器中读取了各类实验室仪器能耗信息，按照阈值设定进行精确的能耗管理。据测算，在使用本系统之后的实验室能耗平均下降30%。

关键词：能耗管理；多传感器；物联网；实验室仪器设备

中图分类号：TP399  文献标志码：A

0 引言

近年来，物联网技术蓬勃发展，为未来精确管理应用带来无限可能。目前，实验室能耗是个突出的问题，因此如何有效监测实验室仪器设备的状态与效能，将是未来必须面对的重要课题［1］。另外，近年各国环境保护意识逐渐普及，减少能耗的殷切需求来自各产业，“绿水青山就是金山银山”的发展趋势正方兴未艾［2］。据统计，高校实验室仪器设备的能耗占学校总能耗的20%，例如：网络服务提供者的数据中心（Data Center）能耗就非常巨大，必须有效地监督与控制实验室仪器设备的能耗［3-4］。

实验室仪器设备的能耗测量主要由多传感器负责，随着实验室仪器设备大量增加，多传感器数量分布会越来越广。本研究基于物联网传感器技术，利用多传感器将整体的实验室仪器设备能耗监控形成监测网络。目前，实验室仪器设备能耗的测量与控制解决方案多为封闭式系统，只能适用特定的实验室仪器设备的能耗监测［5］。除了内嵌于特定实验室仪器设备的能耗测量监测功能，也可利用以太网络接口或其他物联网通信协议从远程进行能耗监测。实验室仪器设备能耗测量与控制解决方案因为有多种选择，造成异构的仪器设备管理问题。因此，在异构的实验室仪器设备环境提供一致性的能耗测量与控制方式，监测接口的标准化是需要的［6］。

本文的研究重点在于如何以开放式的多传感器监测架构进行实验室仪器设备能耗监测。在物联网协议方面，本文提出由NB-IoT低功耗窄带物联网作为通信媒介，所有的物联网仪器设备可通过NB-IoT节点进行连接。在能耗信息的监测上，本文也将提出一个较为简易并符合M2M协议的通信网络能耗管理机制［7］。

1 能耗监测机制

目前，已有许多基于物联网的电力监测传感设备提供远程监测功能，但窄带物联网的能耗更低［8］。本文采用NB-IoT开放式低功耗物联网架构，将能耗监测多传感器设备设计为一个NB-IoT用户，利用NB-IoT节点架构将散布各处的能耗监测多传感器设备进行统一管理。在能耗信息的呈现及现有网络系统整合方面，本研究遵循目前NB-IoT标准架构的思想，提出一个结合NB-IoT与M2M的实验室仪器设备能耗管理机制，使得不同仪器设备间的通信与统一管理更加容易［9-10］。

研究重点是基于NB-IoT与M2M协议标准架构下如何让多种异构仪器设备在同一系统下呈现与管理。对于部分内建能耗管理并支持M2M的实验室仪器设备，可直接由系统以M2M协议获取所需能耗监测信息，这类仪器设备多放置于机房等固定位置，属于大型实验室仪器设备。网络人员以传统M2M协议标准方式进行监测。实验室仪器设备物理位置较为分散，采用封闭式监测方式不利于规模较大的信息通信环境且无法与传统的网络与系统管理整合，容易形成信息管理孤岛［11］。因此，本文研究重点在于对能耗监测多传感器设备进行有效统一管理，通过NB-IoT物联网架构将现有非标准的能耗监测仪器设备以物联网进行连接后，再将其监测接口转为标准的M2M协议接口。为此，本研究定义专属的M2M管理对象进行信息存取。

这些仪器设备将作为NB-IoT节点上一个用户，某用户会作为一个标准的代理，使得网络系统也可以使用标准的M2M协议获取信息，以有效分析仪器设备能耗。网络系统搜集资料是按照设定好的时间间隔周期性地向仪器设备收集信息［12］。节点利用M2M协议接口至NB-IoT的監测模块下达存取对象的M2M指令，监测模块对节点而言相当于一般的M2M代理，监测模块运行方式为通过消息总线向其他仪器设备的用户请求监测数据，并使用M2M标准上传数据给相关节点。监测模块对节点使用M2M协议标准沟通，对于仪器设备则使用NB-IoT标准沟通。每一用户先通过NB-IoT协议在消息总线上进行注册，完成后每当节点向监测模块收集信息时，监测模块就在消息总线上向仪器设备用户获取监测信息，并按照信息系统所定义的数据结构将对象标识符与对象状态值进行绑定，用以提取组合信息，接着将组成的变量组合加入监测模块中。完成绑定后，当节点通过M2M协议方式发送网络指令时，监测模块将根据欲存取对象的标识符选定对应的用户获取监测信息，再以M2M标准信息回传给节点。节点再将信息储存至数据库并进行呈现。

2 系统设计

系统基于上述NB-IoT与M2M协议的能耗监测架构进行系统设计。本研究选择电源分配单元作为仪器设备。其支持M2M协议功能，可以代表支持M2M协议的仪器设备直接与管理服务器沟通。另外，本研究还选择了2台多传感器设备，代表不支持M2M协议的小型仪器设备，2台多传感器设备需搭载支持网络界面的信号转换器。以下通过多传感器设备为例，说明不支持M2M协议的实验室仪器设备利用NB-IoT进行信息管理的系统设计。基于NB-IoT与M2M协议的实验室仪器设备能耗监测架构如图1所示。

由于大部分的多传感器监测设备本身并没有网络接口，无法以IP地址等网络地址进行直接通信，因此对于此类仪器设备可以通过信号转换器上的消息总线协议让用户程序得以与能耗监测多传感器设备沟通，必须把消息总线标准格式转换成让使用者可以直接观察的数值格式。

3 系统方案

系统各个感知能耗节点通过定时器（Timer）周期性向仪器设备收集信息，M2M管理模块被触发时，会与M2M代理人进行通信，M2M管理模块利用节点协议的M2M协议程序，根据不同的对象识别码对M2M代理人发出请求，以获取对象资料。M2M代理人端的监测模块根据所收到的对象标识符选择对应的用户，用户获取的多传感器监测设备数据，是以一个M2M协议信息系统的对象呈现。該信息通过监测模块回传给M2M协议管理模块。经计算获取的耗电量与该次监测的时间将一同写入数据库，用户再通过网络服务器的网站程序读取数据库前端网页接口呈现监测结果。系统流程如图2所示。

图2 系统流程

系统将能耗数据结合时间变化，计算出单一仪器设备使用的能耗的时段分布，数据存取模块获取时间节点后，对仪器设备24小时的能耗信息进行汇总。将电力能耗监测数据结合电价，精准预测出电费，使用者可以利用上述方法监测与预估能耗数量。过去一个实验室只使用一个传感器监测设备，监测数据不够全面，很难发现各用电仪器设备的实际耗电情况。利用本系统可适度增购多传感器将监测范围扩展至各个仪器设备，科研机构就可以更详细地掌握能耗信息。

4 结语

本文提出以物联网技术为基础的能耗监测方法，结合自定义的信息系统对象，利用NB-IoT开放式物联网架构实现可扩充的网络架构，搜集来自异构仪器设备的能耗信息，简化异构仪器设备纳入监测系统的复杂性。监测机制对于不同实验室仪器设备不需要逐一安装或开发监测工具，可与现有的网络系统结合，可在既有的网络架构及界面下获取能耗监测信息，增进使用上的方便性。系统采用标准的监测接口，可减少对异构仪器设备监测的复杂度，可降低对生产厂商的依赖度，对采购实验仪器设备做最佳的选择。

参考文献

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［2］资永祥.基于传感器的建筑施工能耗智能监测系统设计［J］.计算机测量与控制，2017（12）：54-56，79.

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［8］王肇国，易涵，张为华.基于机器学习特性的数据中心能耗优化方法［J］.软件学报，2014（7）：1432-1447.

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［10］李雅洁.关于高校实验室能耗分项计量的思考［J］.中国电力教育，2021（S1）：279-280.

［11］陈容健，耿帅凯.房间空调器实验室节能技术及能耗等级划分的探讨［J］.家电科技，2021（2）：100-103，110.

［12］支琴，熊顺子，彭华松.基于能耗监测的高校实验室安全管理策略［J］.实验室研究与探索，2020（7）：300-304.

（编辑 王永超）

Research on energy consumption management of laboratory equipment based on multi-sensorWang  Lei

（Taiyuan University， Taiyuan 030012， China）

Abstract： Laboratory equipment has become an indispensable resource for colleges and universities to improve teaching quality and output scientific research achievements， but its energy consumption is also huge. According to statistics， the energy consumption of laboratory equipment in colleges and universities accounts for 20% of the total energy consumption of colleges and universities. Based on the characteristics of precise management of multi-sensor technology， this paper develops a laboratory energy consumption management system. The system uses M2M protocol as the basis of energy consumption management mechanism of simple laboratory instruments and equipment， and uses Internet of things technology to apply a variety of sensors to energy consumption management system. In order to verify the feasibility of the energy consumption monitoring mechanism， we have carried out systematic simulation， successfully read the energy consumption information of various laboratory instruments from multiple sensors， and accurately manage the energy consumption according to the threshold setting. It is estimated that the laboratory energy consumption will decrease by an average of 30% after using this system.

Key words： energy consumption management; multi-sensor， Internet of things; laboratory instruments and equipment