基于物联网的某医院能耗计量与监测系统设计及应用

摘要：随着医疗行业的快速发展，大型医院的能耗问题成了关注的焦点，文章设计了一种基于物联网技术的医院能耗计量与监测系统，通过智能终端采集电能表的数据，以4G的方式将各个电能计量设备的数据传输至云服务器，开发了Modbus协议解析接口，设计了基于Web的在线监测系统，实现了对医院电能表的实时监测、精准计量和科学管理。文章详细介绍了系统的总体架构、硬件设计、软件设计以及关键技术实现过程，通过实际应用案例验证了系统的有效性和可行性。

关键词：物联网；能耗监测；智能终端；医院

中图分类号：TP311" 文献标志码：A

0 引言

随着我国医疗卫生事业的不断发展，医院的规模和数量不断增加，医院能源消耗也在逐年上升。电能作为医院的主要能源消耗，其费用支出占医院总运营成本的比例较大。因此，对医院电能进行准确计量和实时监测，加强医院电能管理，降低能源消耗，提高能源利用效率，对于降低医院运营成本，实现可持续发展具有重要意义。

1 物联网技术

以新一代信息通信技术为核心的物联网技术立足于信息化与工业化深度融合，广泛应用于各个领域。物联网为产业数字化转型提供了新支撑，为数字经济发展拓展了新空间^［1］，随着5G、边缘计算、人工智能等技术的不断进步和应用场景的不断拓展，物联网将实现更加高效、智能、安全的连接和服务。

物联网技术在大型建筑能耗监测系统中的数据采集、数据传输与通信、数据分析与处理以及系统集成与管理方面发挥着重要作用^［2］。各类传感器被大量安装在建筑中，用于采集能耗相关数据。如在各个能源供应点（变电站、配电室等）和能源消耗点（办公楼、研发中心等）安装各类传感器，包括电流传感器、电压传感器、功率传感器、智能电能表等，用于实时采集电力数据，精确监测用电负荷、功率因数等参数。对于水、气、热等其他能源形式，安装相应的流量传感器、压力传感器、温度传感器等，以获取全面的能耗信息。通过物联网技术，能够将建筑的能耗按照不同的能源类型（如电、水、气、热等）以及不同的用能区域、设备类型等进行分类计量。这样可以更精确地了解建筑内能耗情况，为后续的能耗分析和管理提供详细的数据支持。

在能耗管理系统中，多种通信技术被应用于物联网系统的数据传输。短距离通信技术如蓝牙、ZigBee 等常用于建筑内局部区域的设备连接和数据传输^［3］，例如智能照明系统中灯具之间的通信；Wi-Fi 技术则广泛应用于建筑内移动设备与能耗管理系统的连接以及一些对数据传输速率要求较高的场景。利用 ZigBee、LoRa 等低功耗广域网技术构建无线传感网络，将分散在各处的传感器连接起来。这些无线技术具有部署灵活、成本低、功耗小等优点，适合大规模的能耗数据采集。而对于远程数据传输和建筑与外部管理平台的通信，移动通信技术（4G/5G）以及有线网络技术（如以太网）则发挥着重要作用。智能终端采集到的数据通过无线方式传输至汇聚节点，再由汇聚节点上传至能耗监测系统的数据中心。

在大型建筑中，能耗数据需要实时、准确地传输到管理平台，以便管理者及时了解建筑的能耗状况。现在的通信技术能够较好地满足这一需求，减少了数据传输中的丢包、延迟等问题，确保了能耗数据的及时性和准确性，提升了传输的稳定性和可靠性。

将建筑内的各种能源系统（如电力系统、暖通空调系统、给排水系统等）以及相关的设备和传感器通过物联网技术连接到一个统一的管理平台上，这样可以实现对建筑能耗的全面监控和管理，提高管理效率和能源利用效率^［4］。例如，在一些大型医院，通过集成化的管理平台，可以同时监控医院内的医疗设备用电、照明用电、空调系统运行等情况，并进行统一调度和管理。

大型建筑的能耗管理系统能够对采集到的能耗数据进行基本的分析和处理。例如，计算建筑的总能耗、不同时间段的能耗变化趋势、不同区域或设备的能耗占比等。通过这些分析，管理者可以初步了解建筑的能耗情况，发现一些明显的能耗问题，如能耗高峰时段、高耗能区域等。此外，引入人工智能、大数据分析等技术，对能耗数据进行更深入的分析和预测。通过对历史能耗数据的学习和分析，系统可以预测未来的能耗趋势^［5］，为管理者制定节能策略提供参考。

能耗管理平台的功能也在不断丰富和完善。除了基本的能耗数据监测和分析功能外，一些平台还具备设备远程控制、能源审计、节能方案制定、报警管理等功能。例如，当能耗数据出现异常波动时，管理平台能够及时发出报警信息，提醒管理者进行排查和处理；平台还可以根据建筑的能耗情况和节能目标，制定个性化的节能方案，并对节能效果进行评估。

2 系统架构

某医院的电能耗管理目前仍采用传统的人工抄表方式，存在数据不准确、时效性差、管理成本高等问题。同时，医院缺乏对电能耗的实时监测和分析，无法及时发现能源浪费现象，也难以制定有效的节能措施。为此，本文基于物联网技术设计能耗计量与监测系统以实现能耗数据的自动采集、分析与管理。

所设计的基于物联网的某医院能耗计量与监测系统主要由电能计量传感器、智能终端、数据采集器、通信网络、云服务器和客户端组成。电能计量传感器负责采集医院内各个电能设备的电力能耗数据，4G网关机负责将采集到的数据传输至云服务器，云服务器负责对数据进行存储、分析和处理，客户端负责为用户提供系统的访问界面。

能耗计量与监测系统的整体功能架构如图1所示，自下向上分为感知层、网络层、平台层与应用层。感知层主要由各种传感器和智能仪表组成，负责采集电量能耗数据。

网络层主要由通信网络和数据传输设备组成，负责将感知层采集到的数据传输到平台层。它采用多种通信技术，如 ZigBee、LoRa、NB-IoT 等，以适应不同区域环境和通信需求。同时，数据传输模块还具备数据加密和纠错功能，确保数据的安全性和准确性。网关在对数据进行初步处理和整合后，通过互联网将数据发送至平台层的云服务器。

平台层接收到来自网络层数据传输模块的数据后，进行数据清洗、分析和处理，用于存储采集到的电能参数数据和应用层处理后的分析结果，为应用层提供统一的数据支撑。平台层的数据存储包括实时数据域、时序数据库、关系数据库与运行规则库。

应用层主要由监测中心和管理软件组成，负责对数据进行分析计算、处理和展示，具备数据接收、数据处理、数据分析、报警管理、报表生成等功能，为用户提供能耗监测和管理服务，用户终端的种类包括电脑、手机、平板电脑等。

Web监测网站的整体功能模块组成如图2所示，监测网站基于Web进行开发，前端采用B/S架构，即浏览器模式。前端框架使用Bootstrap，JavaScript脚本库框架使用jQuery和Vue，图标库使用HighChart、 ECharts、AntDesign。前后端通信采用WebSoket与WebService。实时监控画面采用SVG技术进行展现与数据刷新。前后端数据交互，监控画面测点的实时值采用WebSocket技术，其他交互采用WebServeice /AJAX。

平台层与应用层分布式部署运行于云服务器上，具有弹性扩展、高可用性、较好成本效益和快速部署的特点。能够根据业务需求灵活地调整计算资源，如 CPU、内存、存储等，实现快速地扩容或缩容，满足业务动态变化，采用冗余架构和故障转移机制，大大降低了服务器宕机风险，保障业务的持续稳定运行，且无须前期的大额硬件投资，用户只须按需付费，有效降低了运营成本。此外，能够在短时间内完成服务器的创建和配置，加快业务上线的速度。

3 关键技术

3.1 数据采集

智能电能表支持Modbus RTU串口通信方式，使用RS485物理接口，属于半双工的方式通信^［6］，项目现场实际布线时采用线材特性阻抗120 Ω屏蔽双绞线，这有助于减少2根RS485 通信线之间产生的分布电容以及外界的共模干扰。每块智能电能表提供一对通信端子，屏蔽双绞线，

采用手拉手菊花链总线连接方式将智能电能表通信端子中的所有A端子连接在一起^［7］，所有B端子连接在一起，A端子统一使用蓝色通信线，B端子统一使用红色通信线。为保证通信质量，本项目中每条主电缆锁连接的负载设备即智能电能表的个数最大按照20个进行设计。

4G网关机对下通过串口线连接电能表，对上通过4G网络连接到云服务，实现Modbus RTU与Modbus TCP之间的协议转化。Modbus协议遵循主从协议，在同一个总线通信线路上只会有一个主机，4G网关机是主机，该线路上的所有智能电能表是从机，所有的通信过程全部由主机主动发起，从机接收到主机请求后，会对请求做出响应。从机不会主动进行数据的发送，从机之间也不会有通信过程。

采用C++语言在云服务器上编写Modbus TCP接口应用程序，接口程序首先绑定指定的服务器端口进行监听，4G网关机启动后首先向指定的服务器IP地址与端口发送身份注册报文，Modbus TCP接口应用程序如果校验失败，则断开本次TCP连接，如果验证通过，则基于Modbus TCP协议并根据智能电能表的设备地址、测点的寄存器地址下发请求报文，网关机采用透明传输模式，将接收到的Modbus TCP格式报文转换成Modbus RTU格式，通过串口总线下发给智能电能表，目标设备地址的智能电能表根据请求做出响应，网关机收到后再转发给云服务器上的Modbus TCP接口应用程序。部分代码如下所示。

//校验modbus返回报文准确性与合规性

static int check_confirmation（uint8_t*req， uint8_t*rsp， int rsp_length）

{

int rc;

int rsp_length_computed;

int length = 2 + 2 * （req［offset + 3］ lt;lt; 8 req［offset + 4］）;

int compute_response_length_from_request = offset+length;

int _function = rsp［offset］;

rsp_length_computed = compute_response_length_from_request;

if （（rsp_length == rsp_length_computed） amp;amp; _function lt; 0x80）

{

int req_nb_value;

int rsp_nb_value;

if （_function ！= req［offset］）

{ return -1;}

…

req_nb_value = （req［offset + 3］ lt;lt; 8） + req［offset + 4］;

rsp_nb_value = （rsp［offset + 1］ / 2）;

}

…

return rc;

}

3.2 智能预警

在云服务器内，基于采集到的电能数据进行分析与预警，进而提高用电安全性、提高用电效率、保障用电连续性。

过载运行会使电线的绝缘层加速老化，严重时可能导致短路。通过实时监测电路中的电流防止运行过载，当电流超过预先设定的安全电流阈值时，就会触发过载预警，过载预警功能可以有效避免这些潜在危险。

电压过高可能损坏电器设备，如导致电子设备电源模块烧毁等；电压过低则会使电器设备无法正常工作，如电动机类设备转速下降等。智能预警可以持续监测电网电压。正常的电压范围一般在额定电压的 ±10% 左右，当电压超过阈值并持续一定时间时，电能表就会发出电压异常预警，预警功能可以让用户及时采取措施，如使用稳压器来保护电器设备。

智能电能表可以计算电路中的功率因数。功率因数过低会导致电网的无功损耗增加，影响供电效率。当功率因数低于设定的标准值，就会发出预警，提醒用户对无功补偿设备进行检查和调整，提高用电效率。

谐波会对电网质量产生不良影响，如干扰通信系统、使电容器等设备过热损坏。系统能够分析电路中的谐波成分。在含有大量非线性负载（如电子镇流器、变频设备等）的电路中，会产生谐波。当谐波含量超过一定标准（如总谐波畸变率超过规定的 5% ），就会发出预警。预警可以让用户对产生谐波的设备进行滤波处理，改善电能质量。

4 工程应用

将设计的软硬件架构与功能模块应用到某医院，选择MySQL作为医院电能耗数据存储和管理的数据库系统，设计数据表结构，包括电能耗数据表、设备信息表、用户信息表等。采用面向对象的编程语言开发云服务器应用程序，实现对电能耗数据的存储、分析和处理。应用程序应具有良好的可扩展性和可维护性。

Web界面上可进行数据查询、报表生成、报警管理、远程控制等，界面样式如图3所示。图3是对各个智能电能表的集中监控画面，可以实时监测电能表的三相电流、三相电压与有功电能。

5 结语

本文设计了一种基于物联网的医院能耗计量与监测系统，给出了软硬件架构、主要功能模块的设计方法与关键技术的实现方法，基于Modbus协议采用C++语言在云服务器上编写Modbus TCP接口应用程序，通过 4G 网关机将医院内各个电能计量设备的数据传输至云服务器，通过对物联网技术、传感器技术、通信技术和数据分析技术的综合应用，最终实现了对医院电能耗的实时监测、数据分析和管理，通过实际应用案例验证了系统的有效性和可行性。该系统能够为医院提供高效、准确的能耗监测解决方案，提高能源利用效率。

参考文献

［1］杨毅宇，周威，赵尚儒，等.物联网安全研究综述：威胁、检测与防御［J］.通信学报，2021（8）：188-205.

［2］曹礼勇，钟永彦，陈娟，等.基于BLE和Wi-Fi的建筑能耗监测系统设计［J］.工程设计学报，2021（5）：654-661.

［3］霍一，马晓轩.ZigBee与神经网络的智能节能照明控制系统设计［J］.现代电子技术，2020（20）：61-66.

［4］王首彬，吴放，郭卫星，等.基于无线传感器网络的建筑楼宇能耗设计［J］.无线互联科技，2020（12）：6-8.

［5］韩少锋，吴迪，张圣原，等.基于EMD与机器学习算法的近零能耗建筑负荷预测方法［J］.暖通空调，2024（7）：82-89，97.

［6］史先传，张本阳，卢鸿运，等.基于Modbus RTU协议的多传感器数据采集系统设计［J］.仪表技术与传感器，2024（7）：46-50，76.

［7］郭琼，姚晓宁.基于Modbus的多站点互联通信系统应用研究［J］.制造技术与机床，2020（4）：30-33.

（编辑 沈 强编辑）

Design and application of energy consumption measurement and monitoring system

for a hospital based on IoT

WANG" Ben， YAN" Wenjuan， LU" Ke， GUO" Xiaofeng， ZHENG" Mingming

（Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology， Nanjing 211306， China）

Abstract：" With the rapid development of the medical industry， the energy consumption of large hospitals has become a focus of attention. In the article， a hospital energy consumption measurement and monitoring system based on Internet of Things （IoT） technology is designed， which collects the data from the electricity meters through intelligent terminals， transmits the data of each power measuring device to the cloud server by 4G， develops the Modbus protocol parsing interface， and designs the online monitoring system based on the Web. It realizes real-time monitoring， accurate measurement and scientific management of hospital electricity meters. the article describes the overall system architecture， hardware design， software design and key technology implementation process， and verifies the effectiveness and feasibility of the system through practical application cases.

Key words： Internet of Things; energy-consuming supervising; intelligent terminal; hospital