摘要：針對高校教學建筑能效監(jiān)督效率低的問題，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能校園建筑能效監(jiān)督系統(tǒng)的整體設計、分層設計、硬件系統(tǒng)設計、軟件系統(tǒng)設計和功能測試。通過對能耗監(jiān)督系統(tǒng)關鍵功能的測試，測試效果良好，結(jié)果符合設計要求。

1.引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化和現(xiàn)代化進程穩(wěn)步推進，資源和能源的合理利用始終影響著經(jīng)濟和社會的發(fā)展。根據(jù)《中國建筑能耗報告2020》，2005年至2018年，建筑運行階段能耗從4.8億tce(噸標準煤)增長到9.5億tce，年平均增長率為5.39%。《重點用能單位節(jié)能管理辦法》自2018年5月1日起施行，要求重點用能單位提高能源利用效率，控制能源消費總量。有效的建筑能耗監(jiān)測是實現(xiàn)節(jié)約型校園的重要組成部分，迫切需要配備能耗監(jiān)管系統(tǒng)來控制能源消費。根據(jù)高校教學建筑能耗現(xiàn)狀，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)引入ZigBee和WiFi無線傳輸技術，以理想教室為研究對象，收集溫度、流量、功耗數(shù)據(jù)，建立相應的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，借助云服務器平臺總結(jié)數(shù)據(jù)，分析教室空調(diào)制冷、水加熱能源效率，清晰控制校園建筑能耗，為節(jié)能改造提供依據(jù)。

2.系統(tǒng)的整體設計

2.1系統(tǒng)設計框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的能效監(jiān)管系統(tǒng)由能耗數(shù)據(jù)感知層(獲取數(shù)據(jù))組成、由數(shù)據(jù)傳輸層(數(shù)據(jù)匯總和上傳)和數(shù)據(jù)應用層(數(shù)據(jù)顯示)組成，系統(tǒng)總體設計框圖如圖所示。

數(shù)據(jù)感知層（獲取數(shù)據(jù)）由大量的傳感終端組成，收集到的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)傳輸層的協(xié)調(diào)器，接收能耗數(shù)據(jù)并上傳到數(shù)據(jù)應用層。數(shù)據(jù)應用層由Onenet云服務器支持，具有數(shù)據(jù)整理、分析、顯示等功能，為相應教室的空調(diào)制冷和水加熱能源效率評價提供數(shù)據(jù)支持。同時，云服務器可根據(jù)能耗數(shù)據(jù)上傳路徑發(fā)布指令，控制傳感終端。

2.2系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計

該系統(tǒng)采用ZigBee網(wǎng)絡技術。ZigBee網(wǎng)絡通常由三個節(jié)點組成：協(xié)調(diào)（Coordinator）、路由器（Router）、終端（EndDevice）。協(xié)調(diào)器和終端設備節(jié)點形成星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，如圖所示。

從圖中不難看出，傳感器終端連接各種傳感器來收集能耗數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器用于創(chuàng)建和領導Zigbee網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器節(jié)點又稱聚合節(jié)點，將多個終端設備節(jié)點放置在不同的位置。它們將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄酆瞎?jié)點，先處理數(shù)據(jù)，然后通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關。網(wǎng)關與云服務器通信，上傳能耗數(shù)據(jù)，發(fā)布遠程指令，將Zigbee網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標。

3硬件系統(tǒng)選型

3.1主控制器選型

CC2530單片機是CC2530單片機，CC2530用于2.4GHziEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。Z-STACK協(xié)議棧以ZigBee為聯(lián)盟認定的參考協(xié)議，使得編譯和修改相關程序不易出錯。

3.2溫度傳感器選型

溫度傳感器為DS18B20，用于測量氣體溫度和水溫，具有接線方便、精度高、擴展方便、覆蓋范圍廣的特點。任何DS18B20都可以存儲在同一條單線總線上，允許溫度敏感器件放置在許多不同的地方?？偩€設計可以通過尋求平均值來使測量結(jié)果更準確，并節(jié)省ZigBee節(jié)點。

3.3流量傳感器選型

流量傳感器型號為霍爾流量計，安裝在加熱水管上檢測進水流量?；魻柫髁坑嫷念~定工作電壓為DC5V，通用性好，使用方便。

3.4電量變送器選型

功率變送器為SUI-101A，具有精度高、兼容性好的優(yōu)點。*大測量電壓為AC400V，電流上限為30A，具有一定的載荷能力，內(nèi)置防雷保護，安全性好。

4.高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運維

集成設備所有數(shù)據(jù)、綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行、集中監(jiān)控、集中監(jiān)控、數(shù)字檢查、移動運維、團隊優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進的網(wǎng)絡抄表支付管理技術，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合收費，實現(xiàn)遠程抄表、費率設置、賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源支付管理，培養(yǎng)能源群體和部門的節(jié)能意識。

4.2.1宿舍用電管理

學生宿舍用電管理控制：基本用電量和定期通斷功能可批量發(fā)放；可識別惡性負荷，檢測非法電氣，獲得非法用電跳閘記錄。

4.2.2店鋪水電收費

對校園超市、商鋪、食堂等個人水電用能進行預付費管理。

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"的信息能源結(jié)構中是必不可shao的。充電樁的應用管理也是校園生活服務不可缺shao的一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全面監(jiān)控，提供靈活智能的路燈管理，實現(xiàn)校園內(nèi)任何線路、任何路燈的定時開關、強制開關、亮度調(diào)節(jié)和定時控制方案的靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

對校園水、電、氣等接入能源進行統(tǒng)計分析，包括同比分析、環(huán)比分析、損耗分析等。了解總能耗和能源流量。

根據(jù)校園建筑的分類，收集和統(tǒng)計各種建筑功耗數(shù)據(jù)。如辦公建筑、教學建筑、學生宿舍等，分析數(shù)據(jù)分類，提供領導決策，提高管理效率。

構建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容和要求的數(shù)據(jù)庫，自動完成能耗數(shù)據(jù)采集，自動生成各種形式的報表、圖表和系統(tǒng)的能耗審計報告，監(jiān)控能耗設備的運行狀態(tài)，設置控制策略，實現(xiàn)節(jié)能目標。

4.4智能消防系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術，智能消防云平臺連接分散的火災自動報警設備、電氣火災監(jiān)控設備、智能煙霧探測器、智能消防水等設備形成網(wǎng)絡，智能感知、識別、定位，實時動態(tài)收集消防信息，通過云平臺數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格管理、實施多責任監(jiān)督等目標。實現(xiàn)無人值守智能消防，實現(xiàn)智能消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災預防，到火災報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上運行，用戶、安全人員、監(jiān)管單位可以通過平臺直觀地看到各種消防設備和傳感器的運行，在細節(jié)、火災等緊急和非緊急情況下，在幾秒鐘內(nèi)，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、電子郵件提醒和應用推送，可以快速通知相關人員。

5.平臺部署硬件選型

5.1電力監(jiān)控與運維平臺

5.2后勤計費管理

5.2.1宿舍/商業(yè)預付費平臺

6.結(jié)束語

在節(jié)能減排的大背景下，對能源消耗占比較大的校園建筑進行有效能效監(jiān)管意義重大。本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧校園建筑能效監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)了建筑能耗分類、分項和分戶監(jiān)管等功能，為優(yōu)化高校建筑能源消耗管理和節(jié)能改造提供依據(jù)。

【參考文獻】

【1】巫春玲，周 潛，任 凱，王致垚.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園能效監(jiān)管系統(tǒng)設計[J].建筑電氣，2022，15（09）：64-69.

【2】中國建筑節(jié)能協(xié)會.中國建筑能耗研究報告2020[J].建筑節(jié)能（中英文），2021，49（2）：1-6.

【3】高校綜合能效解決方案2022.5版.

【4】企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版.