基于LoRa下智能建筑能耗管理系統(tǒng)的分析與設計

浙江大云物聯(lián)科技有限公司 虞振興

1 前言

作為我國目前大眾關注的主要焦點，能源消耗問題是全社會致力于解決的問題。從相關研究數據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全國城鎮(zhèn)耗電量總數中，大型公共建筑耗電量占比極高，除電能外，水資源能耗問題也極為突出。而解決這一現(xiàn)狀的關鍵在于做好大型公共建筑智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設計，此時考慮在該系統(tǒng)設計中引入相關的技術作為支撐。因此，本文對LoRa技術應用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設計研究，具有十分重要的意義。

2 LoRa無線技術基本介紹

關于LoRa技術，是一種有低功耗、超遠距離特征的無線通信技術。與以往物聯(lián)網領域中的技術，如藍牙、wifi、Zigbee比較，LoRa技術可實現(xiàn)遠距離的傳輸。從該技術具體特征看，作為無線電調制解調技術，可用于傳輸距離長、數據量小的場景中，有容量大、功耗低、使用壽命長特征，對于該技術相關設備，也有抗干擾能力強、傳輸距離遠、功耗低與體積小等特點，所以應用于建筑能耗管理系統(tǒng)中較為適用，無需過多的運營與維護成本，且能滿足智能化運營要求。將LoRa技術引入下，其中組網網絡通過星型拓撲結構呈現(xiàn)，網關用于終端設備、云端的連接。網關與服務器連接中則借助標準IP實現(xiàn)，終端設備與網關通信中主要選擇單跳模式，節(jié)點為雙向通信。另外，從以往實踐研究發(fā)現(xiàn)，LoRa技術應用下，網關可對多路信號同時接收與處理，網絡容量較高。由此可見，LoRa技術的應用，除能夠滿足數據傳輸要求外，有低功耗特點，應作為智能建筑能耗管理系統(tǒng)的技術支撐[1]。

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，這種建筑類型側重于系統(tǒng)化管理建筑相關的公共安全問題、設備管理問題以及信息設施應用問題等，整個智能建筑集管理、服務、優(yōu)化于一體，使建筑環(huán)境更具節(jié)能環(huán)保、高效便捷、舒適安全等特征。我國相關建筑設計規(guī)范標準中，也對智能建筑的含義做出相關界定，認為智能建筑實質為統(tǒng)一的建筑環(huán)境，被賦予智能化、節(jié)能化特點，特別其中的節(jié)能化，需從管理、設備與建筑整體上實現(xiàn)節(jié)能化。而在此基礎上提出的能源管理系統(tǒng)，則主要利用自動化控制系統(tǒng)完成計算機管理系統(tǒng)程序的編寫，程序內有多個指令，用于采集與分析建筑物設備能耗參數，其中部分指令編寫為操控指令，將在樓宇智能控制系統(tǒng)下完成操作過程。

3.2 智能化能耗管理系統(tǒng)設計形式與性能

智能能耗管理系統(tǒng)設計與開發(fā)，目的在于實時采集建筑樓實時數據，根據采集與監(jiān)測結果，使遠程管理與控制有具體依據，由于系統(tǒng)運行中強調對設備進行檢測控制，所以在設計形式上主要為分層分布式，具體結構形式涉及現(xiàn)場設備層、網絡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，涉及的結構設備包括UPS電源、打印機以及監(jiān)控主機等，如監(jiān)控主機設備，運行中負責采集與處理數據，系統(tǒng)內外部數據傳輸需經過監(jiān)控主機提供的接入口實現(xiàn)，而UPS作為不間斷電源，為系統(tǒng)提供連續(xù)供電，若出現(xiàn)斷電情況，站控管理層設備可在UPS電源供電下維持運行。軟件方面，利用人機相容形式，對各類數據做分析、處理，并將最后的結果利用現(xiàn)場聲音、數據或圖形等形式反饋呈現(xiàn)。其次，網絡通訊層，其構成部分包括總線網絡、以太網設備、通訊管理機等，用于數據信息交換，將上位機指令向現(xiàn)場設備傳達，確保設備執(zhí)行控制指令。具體剖析其中的各組成部分，如以太網設備，主要為以太網交換機，再如通訊管理機，處理采集的數據，且有前置機服務功能，同時利用光纖、雙絞線作為通信介質，或通過無線通訊實現(xiàn)。另外，在現(xiàn)場設備層，其構成主要以智能儀表為主，許多能耗數據均需由該層上傳與存儲，如其中的測量儀表，數據采集過程中在保證數據準確性、完整性的基礎上，實時將數據向數據中心傳輸[2]。

4 基于LoRa技術應用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)設計研究

4.1 系統(tǒng)設計要求

智能建筑發(fā)展趨勢下，建筑物能耗系統(tǒng)近年來也成為較多公共建筑物設計中的主要部分，以往系統(tǒng)設計中，主要借助的工具為通訊設備、計算機與測控單元，系統(tǒng)運行中選擇光纖環(huán)網、現(xiàn)場總線等組網方式，實現(xiàn)數據的實時采集、開關狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)可滿足遠程控制管理要求。值得注意的是，由于數據采集中面臨數據點位過于分散情況，所以在數據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、網關設置等工作。這些均使能耗管理系統(tǒng)應用下面臨較多難題。另外，若從建筑的能耗實際情況看，能耗來源主要集中在動力、照明、生活熱水、空調、供暖、辦公設備等方面，能耗表現(xiàn)為水、電、氣等，建筑內能源消耗范圍較廣，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，若在數據收集中直接借助人工抄表形式實現(xiàn)，要求配以大量的巡查人員，其意味建筑運營將投入較大的成本。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)又無法使數據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，技術應用下強調向云服務器中傳輸數據，而云服務器中的數據可被管理層讀取，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，達到節(jié)能減排的目的[3]。

4.2 數據傳輸組網設計

本次研究中所選擇的建筑為醫(yī)院建筑，建筑特點表現(xiàn)為各層平面內面積較大，包括多個功能分區(qū)，且有較多房間分隔，能耗消耗問題明顯。同時，該建筑以傳統(tǒng)布線方式為主，實際施工中面臨設備光纖成本高、施工量大等特征，做智能化建筑能耗管理系統(tǒng)設計，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，需重復進行布線，投入成本高，且能源浪費明顯，同時改造時可能使原有的系統(tǒng)運行受到影響。在此背景下，考慮引入LoRa技術，即通過無線數據傳輸模式，保證改造進程，節(jié)約資源，且降低對系統(tǒng)運營產生的影響。

具體改造設計中，LoRa技術引入下，使整個系統(tǒng)細化為4層，分別為網關、現(xiàn)場采集設備、終端數據處理設備以及云端。系統(tǒng)中現(xiàn)場數據采集設備，包括冷熱量表、水表、遠傳電能表等，借助有線方式與LoRa模塊連接。當數據信號被電表采集后，會向模塊內轉入并轉換，使轉換后的數據向LoRa網關傳入，連接網關、云端服務器，這樣便能滿足上傳與管理數據的目的。同時，設計過程中計算機終端主要設置于管理層，為便于數據調取與能耗情況分析，需將計算機終端接入云端服務器權限開放。此外，系統(tǒng)設計中應保證數據庫的合理設計，用于能耗管理相關數據存儲，為后續(xù)管理分析提供依據，使建筑能耗管理過程中有相應的參考[4]。

另外，將星型拓撲結構引入到醫(yī)院能耗管理系統(tǒng)中，網關以透明中繼形式呈現(xiàn)，與終端處理設備、云端服務器連接，其中終端設備與多個網關間的通信借助單跳模式實現(xiàn)，網關連接服務器則需有標準IP?？紤]到醫(yī)院系統(tǒng)設計需求，于頂層機房內布置云服務器、LoRa網關。有實踐研究中發(fā)現(xiàn)，每平方公里內，一個LoRa網關可與5000個終端設備連接。因此，醫(yī)院僅需將1個網關設置于頂層機房中既可，既能滿足系統(tǒng)共運行要求，且為配置測試、后期維護帶來極大便利，有助于整體成本控制[5]。

4.3 系統(tǒng)應用效果

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機房、綠色急救通道、急診急救大廳、門診掛號收費區(qū)、門診大廳以及設備機房等，不同區(qū)域內均設有相應的計量設備，包括水表、電表等。設計過程中借助LoRa模塊將各設備的數據向網關傳輸，在此基礎上由網關向云端服務器上傳存儲，通過管理層設備可對數據調取分析。同時，本次設計中也提及進行能耗管理數據庫的構建，所以醫(yī)院在做能耗問題分析中，可直接從中調取數據，做分類、匯總，預測未來發(fā)展趨勢，在此基礎上制定如何做好能耗管理工工作，達到節(jié)能降耗的目的。

5 結論

LoRa技術的應用為智能化建筑能耗管理系統(tǒng)的設計提供保障。設計做系統(tǒng)設計中，應正確認識到LoRa技術應用優(yōu)勢，包括低功耗傳輸、遠距離傳輸等，在此基礎上結合建筑能耗管理系統(tǒng)設計需求，將LoRa技術引入其中。具體設計中，主要需從數據傳輸組網設計上著手，保證滿足網關、現(xiàn)場采集設備、終端數據處理設備以及云端各部分運行要求，這樣整個系統(tǒng)運行下能夠實現(xiàn)能耗相關數據的收集、分類、處理等，通過分析數據并預測，為后續(xù)能耗管理工作提供依據，推動智能建筑的建設發(fā)展。

[1]劉莎,馬偉健,王誠祺等.基于LoRa的智能建筑能耗管理系統(tǒng)分析與設計[N].金陵科技學院學報,2017,33(02)：36-40.

[2]關蕾,鮑國棟,王欣欣.基于EMS的智能建筑能源管理方案設計[J]科技展望,2016,26(06)：175.

[3]吳敏,和簫.智能建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)科技,2015,(13)：51-53.

[4]廖鳴鏑,肖建平,施松.廣州市能源計量與管理系統(tǒng)建設指引[J].智能建筑與城市信息,2014,(08)：73-76.

[5]李春旺,范同順,蘇瑋等.大型公共建筑設備管理系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)劃設計研究[J].智能建筑,2014(06)：54-58.