安科瑞 鮑靜君

　　摘要：城市建設(shè)背景下，對(duì)城市建筑能耗管理系統(tǒng)的應(yīng)用提出更高要求。從當(dāng)前各類公共建筑物運(yùn)營(yíng)情況看，能源消耗問題仍較為突出，傳統(tǒng)依托于計(jì)算機(jī)、測(cè)控單元與通訊設(shè)備單位工具的系統(tǒng)管理模式，并不能達(dá)到建筑能耗管理目的，在此背景下考慮引入LoRa技術(shù)，提高建筑能耗管理系統(tǒng)整體性能，實(shí)現(xiàn)控制能源消耗目標(biāo)。本次研究中主要對(duì)LoRa無線技術(shù)做簡(jiǎn)單介紹，分析智能能耗管理系統(tǒng)形式與性能、提LoRa技術(shù)應(yīng)用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

　　關(guān)鍵詞：LoRa無線技術(shù)；智能建筑能耗管理系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

　　1 前言

　　  作為我國(guó)目前大眾關(guān)注的主要焦點(diǎn)，能源消耗問題是全社會(huì)致力于解決的問題。從相關(guān)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，城鎮(zhèn)耗電量總數(shù)中，大型公共建筑耗電量占比高，除電能外，水資源能耗問題也突出。而解決這一現(xiàn)狀的關(guān)鍵在于做好大型公共建筑智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此時(shí)考慮在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入相關(guān)的技術(shù)作為支撐。因此，本文對(duì)LoRa技術(shù)應(yīng)用下智能建筑能耗 管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，具有十分重要的意義。

　　2 LoRa無線技術(shù)基本介紹

　　  關(guān)于LoRa技術(shù)，是一種有低功耗、超遠(yuǎn)距離特征的無線通信技術(shù)。與以往物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的技術(shù)，如藍(lán)牙、wifi、Zigbee比較，LoRa技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸。從該技術(shù)具體特征看，作為無線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可用于傳輸距離長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量小的場(chǎng)景中，有容量大、功耗低、使用壽命長(zhǎng)特征，對(duì)于該技術(shù)相關(guān)設(shè)備，也有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低與體積小等特點(diǎn)，所以應(yīng)用于建筑能耗管理系統(tǒng)中較為適用，無需過多的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本，且能滿足智能化運(yùn)營(yíng)要求。將LoRa技術(shù)引入下，其中組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)用于終端設(shè)備、云端的連接。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接中則借助標(biāo)準(zhǔn)IP實(shí)現(xiàn)，終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)通信中主要選擇單跳模式，節(jié)點(diǎn)為雙向通信。另外，從以往實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，LoRa技術(shù)應(yīng)用下，網(wǎng)關(guān)可對(duì)多路信號(hào)同時(shí)接收與處理，網(wǎng)絡(luò)容量較高。由此可見，LoRa技術(shù)的應(yīng)用，除能夠滿 足數(shù)據(jù)傳輸要求外，有低功耗特點(diǎn) ，應(yīng)作為智能建筑能耗管理系統(tǒng)的技術(shù)支撐。

　　3 智能化能耗管理系統(tǒng)形式與性能

　　3.1 智能化能耗管理系統(tǒng)解讀

　　  我國(guó)近年來城市發(fā)展中，將智能建筑作為主要方向，這種建筑類型側(cè)重于系統(tǒng)化管理建筑相關(guān)的公共安全問題、設(shè)備管理問題以及信息設(shè)施應(yīng)用問題等，整個(gè)智能建筑集管理、服務(wù)、優(yōu)化于一體，使建筑環(huán)境更具節(jié)能環(huán)保、便捷、安全等特征。我國(guó)相關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，也對(duì)智能建筑的含義做出相關(guān)界定，認(rèn)為智能建筑實(shí)質(zhì)為統(tǒng)一的建筑環(huán)境，被賦予智能化、節(jié)能化特點(diǎn)，特別其中的節(jié)能化，需從管理、設(shè)備與建筑整體上實(shí)現(xiàn)節(jié)能化。而在此基礎(chǔ)上提出的能源管理系統(tǒng)，則主要利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)完成計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)程序的編寫，程序內(nèi)有多個(gè)指令，用于采集與分析建筑物設(shè)各能耗參數(shù)，其中部分指令編寫為操控指令，將在樓字智能控制系統(tǒng)下完成操作過程。

　　3.2 智能化能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式與性能

　　  智能能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，目的在于實(shí)時(shí)采集建筑樓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)采集與監(jiān)測(cè)結(jié)果，使遠(yuǎn)程管理與控制有具體依據(jù)，由于系統(tǒng)運(yùn)行中強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)控制，所以在設(shè)計(jì)形式上主要為分層分布式，具體結(jié)構(gòu)形式涉及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通訊層與站控管理層。首先，從站控管理層看，該部分處于系統(tǒng)上層部分，涉及的結(jié)構(gòu)設(shè)備包括UPS電源、打印機(jī)以及監(jiān)控主機(jī)等，如監(jiān)控主機(jī)設(shè)備，運(yùn)行中負(fù)責(zé)采集與處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)過監(jiān)控主機(jī)提供的接入口實(shí)現(xiàn)，而UPS作為不問斷電源，為系統(tǒng)提供連續(xù)供電，若出現(xiàn)斷電情況，站控管理層設(shè)備可在UPS電源供電下維持運(yùn)行。軟件方面，利用人機(jī)相容形式，對(duì)各類數(shù)據(jù)做分析、處理，并將結(jié)果利用現(xiàn)場(chǎng)聲音、數(shù)據(jù)或圖形等形式反饋呈現(xiàn)。其次，網(wǎng)絡(luò)通訊層，其構(gòu)成部分包括總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)設(shè)備、通訊管理機(jī)等，用于數(shù)據(jù)信息交換，將上位機(jī)指令向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳達(dá)，確保設(shè)備執(zhí)行控制指令。具體剖析其中的各組成部分，如以太網(wǎng)設(shè)備，主要為以太網(wǎng)交換機(jī)，再如通訊管理機(jī)，處理采集的數(shù)據(jù)，且有前置機(jī)服務(wù)功能，同時(shí)利用光纖、雙絞線作為通信介質(zhì)，或通過無線通訊實(shí)現(xiàn)。另外，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，其構(gòu)成主要以智能儀表為主，許多能耗數(shù)據(jù)均需由該層上傳與存儲(chǔ)，如其中的測(cè)量?jī)x表，數(shù)據(jù)采集過程中在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心傳輸。

　　4 基于LoRa技術(shù)應(yīng)用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

　　4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　  智能建筑發(fā)展趨勢(shì)下，建筑物能耗系統(tǒng)近年來也成為較多公共建筑物設(shè)計(jì)中的主要部分，以往系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要借助的工具為通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)與測(cè)控單元，系統(tǒng)運(yùn)行中選擇光纖環(huán)網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可滿足遠(yuǎn)程控制管理要求。值得注意的是，由于數(shù)據(jù)采集中面臨數(shù)據(jù)點(diǎn)位過于分散情況，所以在數(shù)據(jù)傳輸中需考慮如何解決空間距離跨度過大問題，且要求做好中繼器、網(wǎng)關(guān)設(shè)置等工作。這些均使能耗管理系統(tǒng)應(yīng)用下面臨較多難題。另外，若從建筑的能耗實(shí)際情況看，能耗來源主要集中在動(dòng)力、照明、生活熱水、空調(diào) 、供暖、辦公設(shè)備等方面，能耗表現(xiàn)為水、電、氣等，建筑內(nèi)能源消耗范圍較廣，一般用于能耗問題記錄的主要以冷熱量表、水表與電能表為主，若在數(shù)據(jù)收集中直接借助人工抄表形式實(shí)現(xiàn)，要求配以大量的巡查人員，其意味建筑運(yùn)營(yíng)將投入較大的成本。綜合來看，人工抄表形式成本較高，而傳統(tǒng)建筑能耗系統(tǒng)又無法使數(shù)據(jù)傳輸空間距離跨度大等問題解決，所以考慮引入LoRa無線技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用下強(qiáng)調(diào)向云服務(wù)器中傳輸數(shù)據(jù)，而云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可被管理層讀取，這樣在優(yōu)化能耗管理系統(tǒng)下，使能耗管理水平提高，保證建筑能源利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

　　4.2 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　  本次研究中所選擇的建筑為醫(yī)院建筑，建筑特點(diǎn)表現(xiàn)為各層平面內(nèi)面積較大，包括多個(gè)功能分區(qū)，且有較多房間分隔，能耗消耗問題明顯。同時(shí)，該建筑以傳統(tǒng)布線方式為主，實(shí)際施工中面臨設(shè)備光纖成本高、施工量大等特征，做智能化建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，目前停留在改造階段。改造過程中發(fā)現(xiàn)因電纜井的位置，需重復(fù)進(jìn)行布線，投入成本高，且能源浪費(fèi)明顯，同時(shí)改造時(shí)可能使原有的系統(tǒng)運(yùn)行受到影響。在此背景下，考慮引入LoRa技術(shù)，即通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式，保證改造進(jìn)程，節(jié)約資源，且降低對(duì)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響。

　　  具體改造設(shè)計(jì)中，LoRa技術(shù)引入下，使整個(gè)系統(tǒng)細(xì)化為4層，分別為網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及云端。系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括冷熱量表、水表、遠(yuǎn)傳電能表等，借助有線方式與LoRa模塊連接。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)被電表采集后，會(huì)向模塊內(nèi)轉(zhuǎn)入并轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)向LoRa網(wǎng)關(guān)傳入，連接網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器，這樣便能滿足上傳與管理數(shù)據(jù)的目的。同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中計(jì)算機(jī)終端主要設(shè)置于管理層，為便于數(shù)據(jù)調(diào)取與能耗情況分析，需將計(jì)算機(jī)終端接入云端服務(wù)器權(quán)限開放。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)保證數(shù)據(jù)庫(kù)的合理設(shè)計(jì)，用于能耗管理相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為后續(xù)管理分析提供依據(jù)，使建筑能耗管理過程中有相應(yīng)的參考。

　　  另外，將星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入到醫(yī)院能耗管理系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)以透明中繼形式呈現(xiàn)，與終端處理設(shè)備、云端服務(wù)器連接，其中終端設(shè)備與多個(gè)網(wǎng)關(guān)間的通信借助單跳模式實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)連接服務(wù)器則需有標(biāo)準(zhǔn)IP。考慮到醫(yī)院系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，于頂層機(jī)房?jī)?nèi)布置云服務(wù)器、LoRa網(wǎng)關(guān)。有實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)，每平方公里內(nèi)，一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可與5000個(gè)終端設(shè)備連接。因此，醫(yī)院僅需將 1個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)置于頂層機(jī)房中既可，既能滿足系統(tǒng)共運(yùn)行要求，且為配置測(cè)試、后期維護(hù)帶來便利，有助于整體成本控制。

　　4.3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

　　  本次研究中所選取的醫(yī)院樓層共5層，涉及的分區(qū)域較多，如急診留觀病房、ICU機(jī)房、綠色急救通道、急診急救大廳、門診掛號(hào)收費(fèi)區(qū)、門診大廳以及設(shè)備機(jī)房等，不同區(qū)域內(nèi)均設(shè)有相應(yīng)的計(jì)量設(shè)備，包括水表、電表等。設(shè)計(jì)過程中借助LoRa模塊將各設(shè)備的數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)傳輸，在此基礎(chǔ)上由網(wǎng)關(guān)向云端服務(wù)器上傳存儲(chǔ)，通過管理層設(shè)備可對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)取分析。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)中也提及進(jìn)行能耗管理數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，所以醫(yī)院在做能耗問題分析中，可直接從中調(diào)取數(shù)據(jù)，做分類、匯總，預(yù)測(cè)未來發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上制定如何做好能耗管理工工作，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

　　5 安科瑞用能單位能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　5.1 系統(tǒng)概述

　　  工業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)集成Intranet/Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、Web Service軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等于一體的大型數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級(jí)能耗內(nèi)部用戶、瀏覽者提供了一個(gè)訪問的網(wǎng)絡(luò)通道，搭建了一個(gè)合理的信息傳輸平臺(tái)和管理平臺(tái)。工業(yè)能耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用為政府管理部門、企業(yè)生產(chǎn)管理、計(jì)量管理、節(jié)能管理提高到一個(gè)新的高度，是我們對(duì)節(jié)能減排、節(jié)能降耗實(shí)現(xiàn)的一種解決方案。

　　能源組成及監(jiān)測(cè)內(nèi)容：

圖1 能源組成

圖2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

　　  用電類：采集采暖、鍋爐、空調(diào)、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)等耗電設(shè)備的用電信息。主要監(jiān)測(cè)其用電量，對(duì)于大耗電設(shè)備監(jiān)測(cè)其電流、電壓及功率因數(shù)等信息。

　　  配電類：采集6kv/10kv配電開關(guān)設(shè)備、變壓器，狀態(tài)信號(hào)、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電能等。

　　  用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計(jì)、水表等；

　　  用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃?xì)獗恚?/p>

　　  環(huán)境參數(shù)：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計(jì)；采暖空調(diào)供回水溫度；

　　5.2 系統(tǒng)框架

圖3 系統(tǒng)框架

　　  (1)能源消費(fèi)管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以對(duì)=用能企業(yè)煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質(zhì)進(jìn)行定期錄入和實(shí)時(shí)采集，并將收集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理存儲(chǔ)，為匯總分析和上報(bào)作數(shù)據(jù)支持。

　　  (2)能源利用狀況信息報(bào)送系統(tǒng)

　　用能企業(yè)可通過該系統(tǒng)將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報(bào)告》，報(bào)送至市節(jié)能監(jiān)察中心，經(jīng)初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊(duì)審核，而后上報(bào)國(guó)家有關(guān)部門。

　　  (3)單位能耗水平識(shí)別評(píng)價(jià)系統(tǒng)

　　利用用能單位能耗數(shù)據(jù)，對(duì)企業(yè)用能狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，查找問題。為政府節(jié)能管理部門掌握、分析信息和研究節(jié)能改造并制定相關(guān)政策措施提供科學(xué)的依據(jù)和平臺(tái)。

　　  (4)決策服務(wù)和專家咨詢服務(wù)系統(tǒng)

　　系統(tǒng)提供直觀、簡(jiǎn)明、快捷的數(shù)據(jù)信息查詢和決策支持服務(wù)。對(duì)用能企業(yè)的能耗進(jìn)行科學(xué)、合理的咨詢指導(dǎo)，幫助用能企業(yè)做出及時(shí)、正確、可行的解決方案。

　　  (5)能耗預(yù)測(cè)、能源安全預(yù)警系統(tǒng)

　　通過系統(tǒng)掌握用能企業(yè)能源購(gòu)置、使用、消耗及生產(chǎn)情況，對(duì)企業(yè)的用能情況進(jìn)行綜合的評(píng)判和分析，對(duì)比同期值和限定值，對(duì)能耗超標(biāo)情況予以預(yù)警提示。

　　在獲取能源使用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)能耗的預(yù)測(cè)分析功能，為政府相關(guān)部門的宏觀決策提供支撐體系。

　　  (6)節(jié)能監(jiān)察及信息發(fā)布、法律法規(guī)知識(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)：

　　通過該系統(tǒng)平臺(tái)，可對(duì)耗能企業(yè)做節(jié)能監(jiān)察工作；發(fā)布節(jié)能法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以及能源基礎(chǔ)知識(shí)、能源統(tǒng)計(jì)知識(shí)、節(jié)能監(jiān)測(cè)方法等資料；處理日常節(jié)能管理工作相關(guān)的公文、通知、公告等。

　　5.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　  系統(tǒng)把數(shù)據(jù)信息從各個(gè)企業(yè)的能源監(jiān)控中心采集到后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，提供分析預(yù)測(cè)和預(yù)警功能。同時(shí)通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為省、市領(lǐng)導(dǎo)以及相關(guān)委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務(wù)。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　5.4 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品選型

　　6 結(jié)論

　　  LoRa技術(shù)的應(yīng)用為智能化建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供保障。設(shè)計(jì)做系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)正確認(rèn)識(shí)到LoR a技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括低功耗傳輸、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?，在此基礎(chǔ)上結(jié)合建筑能耗管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，將LoRa技術(shù)引入其中。具體設(shè)計(jì)中，主要需從數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設(shè)計(jì)上著手，保證滿足網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備以及云端各部分運(yùn)行要求，這樣整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行下能夠?qū)崿F(xiàn)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、分類、處理等，通過分析數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)，為后續(xù)能耗管理工作提供依據(jù)，推動(dòng)智能建筑的建設(shè)發(fā)展 。