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淺談基于微電網的智慧校園能耗監測系統的設計與產品應用

更新時間：2023-08-11

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安科瑞陳聰

摘要：針對高校教學建筑能效監管效率低的問題，從系統總體設計、分層設計、硬件系統設計、軟件系統設計、功能測試等方面闡述了一種基于物聯網技術的智慧校園建筑能效監管系統。通過對能耗監管系統關鍵功能的測試，測試效果良好，結果符合設計要求。

關鍵詞：能效監管；智慧校園；物聯網；能源管理；能耗數據；ZigBee；WiFi；節能改造

0 引言

隨著中國社會經濟的飛速發展，工業化、現代化進程穩步推進，隨之而來的資源、能源的合理利用等問題也時刻影響著經濟社會的發展。據《中國建筑能耗報告2020》顯示，2005 ~ 2018年期間，建筑運行階段能耗從4.8億tce（噸標準煤）增長至9.5億tce，年平均增長率為5.39%。《重點用能單位節能管理辦法》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。有效的建筑能耗監測是實現節約型校園不可少的重要環節，配備能耗監管系統用于控制能源消費成為迫切需求。本研究針對高校教學建筑能耗現狀，設計了一種基于物聯網技術的智慧校園建筑能效監管系統。該系統引入ZigBee和WiFi無線傳輸技術，以一間理想教室為研究對象，采集溫度、流量、電量消耗數據，建立相應的數據傳輸內部組網，借助云服務器平臺匯總數據，分析教室空調制冷、水暖供暖的能源效率，從而清楚地掌控校園建筑的能源消耗情況并為節能改造提供依據。

1 系統總體設計

1.1 系統設計框圖

基于物聯網的能效監管系統由能耗數據感知層（獲取數據）、數據傳輸層（數據匯總和上傳），以及數據應用層（數據展示）3大部分組成，系統總體設計框圖如圖1所示。

數據感知層（獲取數據）由數量眾多的傳感終端組成，采集到的數據匯總至數據傳輸層的協調器，接收能源消耗數據并上傳至數據應用層。數據應用層由OneNET 云服務器支持，具備數據整理、分析、顯示等多項功能，為對應教室的空調制冷、水暖供暖能源使用效率評價提供數據支撐。同時，云服務器可按照能源消耗數據上傳的路徑發布指令，控制傳感終端。

1.2系統網絡拓撲設計

該系統采用ZigBee網絡技術。ZigBee 網絡通常由3個節點構成：協調（Coordinator）、路由器（Router）、終端（End Device）。協調器和終端設備節點形成星型網絡拓撲結構，如圖2所示。

從圖2中不難看出，傳感終端連接各種傳感器采集能源消耗數據.協調器用來創建和主導一個ZigBee網絡。協調器節點也稱為匯聚節點，將多個終端設備節點置于不同的位置，它們把采集到的數據傳給匯聚節點，匯聚節點先對數據進行處理，然后把數據通過 WiFi 模塊傳給網關。網關與云服務器進行通信，上傳能耗數據，下發遠程指令，將ZigBee網絡與互聯網進行連接，實現萬物互聯的目標。

2 系統分層設計

2. 1 數據感知層設計

數據感知層包含眾多傳感終端，雖然每種傳感終端連接的傳感器種類和數量存在差異，但在結構上具備高度一致性，如圖3所示。

圖3中，傳感終端基于CC2530單片機設計，每個傳感終端安裝數量不同的傳感器。水暖傳感終端在此基礎上增加一個繼電器用于遠程控制閥門通斷。各傳感終端與協調器通信采用ZigBee通信模塊，通過外置天線發送數據、接收指令。CC2530單片機完成驅動傳感器、打包采集數據、驅動通信模塊、處理上級系統指令等功能。

2. 2 數據傳輸層設計

協調器基于CC2530單片機設計，驅動兩個串口，連接ZigBee和ESP8266兩種通信模塊，肩負數據匯總和協議轉換兩種職能。協調器包含一個ZigBee通信模塊和一個ESP8266WiFi 模塊：串口1連接ZigBee通信模塊，與傳感終端形成星形拓撲結構，接收傳感終端的數據，發送控制命令至傳感終端；串口2連接ESP8266模塊，負責通過WiFi發送數據給云平臺，并接收云平臺反饋的指令。

2. 3 數據應用層設計

數據應用層負責將數據上傳至云服務器和下發指令至協調器，其信息的通信均遵循 MQTT協議。因此數據應用層結構與MQTT協議應用模型具有較高相似性，其結構如圖4所示。本設計中，協調器作為訂閱者，服務器則是發布者，協調器接收到終端發送的數據后，依照 MQTT協議的報文格式進行數據流封裝，打包完成的新數據從協調器上傳至代理，代理隨后將數據放入云服務器后臺。下發指令時，代理首先對指令指向的終端所屬協調器名進行解析，隨后將指令發送至對應協調器等待下一步操作。

3 硬件系統選型

3.1主控制器選型

主控器選型為CC2530單片機，CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802. 15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）解決方案。其封裝的、被ZigBee為聯盟認定為參考協議的Z - STACK 協議棧使得編譯、修改相關程序變得不易出錯。

3.2溫度傳感器選型

溫度傳感器選型為DS18B20，用于測量氣體溫度和水溫，具有接線便捷、精度高、拓展方便、覆蓋范圍廣等特點。任意多個DS18B20可以存放在同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。總線設計可通過求取平均值使得測量結果更準確，節省 ZigBee節點。

3.3流量傳感器選型

流量傳感器的型號選擇為霍爾流量計，安裝在暖氣水管上，用于檢測進水流量。本設計選用的霍爾流量計額定工作電壓為DC5V，通用性好，使用方便。

3.4電量變送器選型

電量變送器選型為SUI - 101A，具有精度高、兼容性好等優點。*大測量電壓為 AC 400V，電流上限為30A，具備一定的載荷能力，且內置了防雷保護，安全性好。

4軟件系統設計

4.1溫度傳感終端軟件設計

溫度傳感終端驅動程序包括初始化、循環讀取溫度數據兩部分，如圖5所示。

圖5中，溫度傳感終端由于驅動多個DS18B20傳感器，因此給每一個傳感器增加了一個序號，從不同引腳讀取的溫度分配一個單獨的變量存儲這一數據，通過指針不斷加1來指向不同的存儲單元。由于在讀取每一個引腳時，都需要單獨拉高電平和延時，因此多個傳感器共同工作時采用輪次查詢方式讀取各個傳感器的溫度數據并存儲，等待上傳程序按相同順序讀取。

4.2流量傳感終端軟件設計

流量傳感器驅動程序主體為一次計數的中斷，如圖6所示。圖6中，霍爾流量計的輸出信號為不同頻率的方波，通過方波頻率來表示相應的流速，因此這部分的程序編寫采用中斷方式對方波個數進行計數，通過換算即可得出流速數據。

4.3電量傳感終端軟件設計

電量變送器底層邏輯已被鎖定，本部分軟件流程提供的僅為“容器”作用，創建變量存儲讀取每一項數據，流程如圖7所示。圖7中，電量變送器共有6項數據可以檢測，上電啟動后變送器進入初始化并創建7位變量，1位用于序號標記變送器。隨后變送器直接上傳檢測數據而無需進行其他操作。

4.4傳感終端軟件設計

傳感終端軟件運行流程如圖8所示。圖8中，傳感終端日常運行在采集模式，上電啟動后，終端周期性激活底層驅動函數，采集得到能耗數據，終端依照ZigBee通信協議的報文格式打包，通過ZigBee模塊上傳至協調器。第一次數據上傳既實現了通信狀況的檢驗，又傳輸了實際數據。隨后繼續進行底層驅動函數調用以采集能耗數據。當協調器收到指令下發給終端后，終端進入指令模式。終端對數個指令依次進行解析、執行，并不斷查詢是否還有指令未處理。當指令全部處理完畢后，終端重新進入采集模式，繼續進行周期性能耗數據采集和上傳。

4.5協調器軟件設計

協調器軟件運行流程如圖9所示。圖9中，協調器日常運行在采集模式，采集模式主要包含兩方面工作：一是連接云服務器，二是上傳數據。上電啟動后，協調器驅動 ESP8266 按照預先寫入的WiFi 信息、API key和端口編號連接云服務器的TCP服務器。隨后，ZigBee 模塊接收的能耗數據依據終端節點編號存入順序表，依據MQTT協議報文格式進行數據流封裝，*終上傳至云服務器。

多個命令同時下發時，協調器對指令逐個解析并下發。結束這一進程后，協調器重新回到采集模式，繼續進行能耗數據采集、封裝和上傳。

4.6上位機軟件設計

收集的建筑能耗數據上傳至云服務器，為使數據顯示清晰、有序，本設計增加了基于物聯網的智慧校園建筑能效監管平臺用于數據顯示，從而為節能改造提供明確、直觀的建議，圖形界面如圖 10 所示。

從圖10可以看出，能耗數據查看頁面包括7個折線圖、2個實時數據儀表和 1 個繼電器遠程開關。折線圖分別顯示空調能耗效率、水暖能耗效率、教室內外溫差、水暖進出水溫差、空調用電量、水暖累計流量、水暖瞬時流量；實時數據儀表顯示教室內外平均氣溫；繼電器遠程開關可以控制繼電器通斷。這10個板塊共同實現了氣溫上傳、流量上傳、電量上傳、空調制冷效率、水暖供暖效率功能，以此實現建筑能耗管理：

a. 氣溫上傳功能分析。為了對空調、水暖的實際制冷、制熱效率進行評價，需要得到單位時間內室內氣溫的變動數據以及其與教室外的溫度差。溫度上傳功能包含兩項數據，一是具體溫度，二是溫差。如圖10中（a）顯示室內外實時氣溫，（b）顯示監控時間內教室內外氣溫差值。

b. 流量上傳功能分析。本設計對水暖系統實際流過的熱水流量進行監控，以便計算單位體積熱水的換熱效率。流量上傳功能包含流量的兩個方面：瞬時流量與累計流量。如圖 10 （c）顯示水暖瞬時流量，（d）顯示水暖累計流量。此外，水流量數據可以指示當前水管是否存在破損漏水情況。

c.電量上傳功能分析。電量上傳以3s 為一個周期，如圖10（e）顯示空調的累計用電量變化，正常運行時折線應當趨勢穩定、波動較小。故障時，折線將出現很大變化。

d.空調制冷效率功能分析?？照{制冷效率具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（f）顯示空調的制冷效率，空調啟動之初及課間人流量大時空調高效運轉，這與實際情況較為符合。

e.水暖供暖效率功能分析。水暖制熱效率也具備一定的能源消耗追蹤能力。如圖10（g）顯示水暖進出水溫差，基于這一數據得出圖10（h）所示的水暖的供暖效率，在水暖系統的運行周期內若無異常情況，這一折線應當不產生較大波動。圖10（i）是對應水暖管的繼電器開關，在檢修時可以遠程控制其通斷。

5 高校綜合能效解決方案

5.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

5.2后勤計費管理

采用的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

5.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄。

5.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理。

5.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

5.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

5.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

5.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

6.平臺部署硬件選型

6.1電力監控與運維平臺