高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳凱

摘 ?要： 基于51單片機(jī)的能源管理系統(tǒng)采用51單片機(jī)設(shè)計(jì)，僅能對(duì)高校電能的消耗情況進(jìn)行監(jiān)控，不能對(duì)系統(tǒng)能源進(jìn)行全面監(jiān)管。設(shè)計(jì)高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集終端、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和智能的監(jiān)控管理中心。電表管理模塊基于B/S開發(fā)模式，采用實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各單位用電情況的實(shí)時(shí)管理。用水管理模塊采用三級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水耗監(jiān)測(cè)，獲取高校水表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，整理分析該數(shù)據(jù)獲取高校的耗水報(bào)表，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)各單位用水情況的監(jiān)控與管理。利用GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)分析能耗數(shù)據(jù)，對(duì)高校能源實(shí)行智能監(jiān)管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能源監(jiān)管范圍廣且對(duì)高校用電、用水以及用熱的信息智能檢索精度均達(dá)到95%以上。

關(guān)鍵詞： 能源監(jiān)管; 智能系統(tǒng); 用電; 用水; 監(jiān)控; 信息智能檢索

中圖分類號(hào)： TN99?34; TU244.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）13?0142?04

Design and realization of intelligent system for energy supervision in colleges

WU Kai

（Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221000， China）

Abstract： The traditional energy management system based on 51 single chip microcomputer can only monitor the electric energy consumption in colleges and universities， but can′t supervise the system energy sources completely. Therefore， the intelligent system of energy supervision in colleges and universities is designed. The overall structure of the system includes real?time data acquisition terminal， data gateway， data transmission network， and intelligent monitoring and management center. The ammeter management module is based on B/S development model， adopts the real?time communication and data acquisition technologies to realize the real?time management of the electricity consumption of each unit. The water management module adopts the three?level monitoring point to monitor the water consumption， obtain the real?time data of the universities′ water meter. The real?time data is collated and analyzed to obtain the water consumption statement of the university， according to which the monitoring and management of the water consumption of each unit are realized. The GPRS mobile network and the energy consumption data of statistical analysis are used to realize the intelligent supervision of energy resources in colleges and universities. The experimental results show that the designed system has wide range of energy source supervision， and the information intelligent retrieval accuracies of electricity， water and heat consumptions in colleges and universities are all higher than 95%.

Keywords： energy supervision; intelligent system; electricity consumption; water consumption; monitoring; information intelligent retrieval

0 ?引 ?言

目前，我國(guó)高校建筑為大型公共建筑，建筑面積龐大，高校的能源消耗飛速提升。當(dāng)前普遍采用的能源管理主要是通過人工手段對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，這種工作方式存在工作量大和計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確性差的弊端，不利于及時(shí)了解高校能耗數(shù)據(jù)，無法快速發(fā)現(xiàn)學(xué)校的用能漏洞。文獻(xiàn)[1]提出基于51單片機(jī)的能源管理系統(tǒng)，采用51單片機(jī)設(shè)計(jì)能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理以及能量的有效分配。但是該系統(tǒng)僅能對(duì)高校電能的消耗情況進(jìn)行監(jiān)控，系統(tǒng)的能源監(jiān)管效果不完善。文獻(xiàn)[2]提出基于二維碼的高校教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)，以智能手機(jī)和教學(xué)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境普及為契機(jī)，建立高校教學(xué)設(shè)備的二維碼信息平臺(tái)以及后臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高校能源的有效管理。但由于收集客戶端的內(nèi)存較小，存在單位時(shí)間接收信息量少的弊端。

為解決以上問題，本文設(shè)計(jì)高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)，完善系統(tǒng)的監(jiān)管范圍，提升信息的智能檢索精度。

1 高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高校能源監(jiān)管能耗的數(shù)據(jù)可視化、管理動(dòng)態(tài)化以及節(jié)能指標(biāo)化。本文為實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)目標(biāo)[3]，基于分布采集和集中管理的思想對(duì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集終端、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、智能監(jiān)控管理中心。

圖1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 ?電表管理模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中電表管理模塊的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是對(duì)高校建筑中的電能使用情況進(jìn)行分類和分項(xiàng)計(jì)量[4]。分項(xiàng)用電即照明、動(dòng)力、空調(diào)等一些特殊用電，這些用電按照高校建筑消耗的各類電能進(jìn)行用途分類和數(shù)據(jù)收集。

電表管理模塊基于B/S開發(fā)模式，采用實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，結(jié)合分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布，確保各用電單位對(duì)本單位用電情況的實(shí)時(shí)管理，電表管理模塊還可對(duì)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]，有效實(shí)現(xiàn)高校各單位用電的量化管理。

1.3 ?用水管理模塊設(shè)計(jì)

從圖2的用水管理模塊結(jié)構(gòu)圖可以看出，系統(tǒng)采用用水管理模塊對(duì)高校的供水進(jìn)行三級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水耗監(jiān)測(cè)，獲取高校水表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再對(duì)獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到高校的耗水報(bào)表[6]。高校各單位可通過耗水報(bào)表實(shí)現(xiàn)對(duì)本單位用水情況的監(jiān)控與管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的用水管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)高校供水網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)[7]，模塊構(gòu)建的用水報(bào)警機(jī)制可實(shí)現(xiàn)對(duì)漏水的分析和用水異常情況的有效識(shí)別，降低了資源的浪費(fèi)。

1.4 ?GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用傳輸透明協(xié)議的GPRS DTU，無線DTU（Date Terminal Unit）除具有穩(wěn)定的進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ芡?，還可以進(jìn)行自身檢測(cè)，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫接行ПＵ蟍8]。DTU的協(xié)議配置需要串口、短信和數(shù)據(jù)中心共同配合，串口在接收到AT的指令后，能快速地實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)配置，DTU的命令格式如表1所示。

圖2 ?用水管理模塊結(jié)構(gòu)圖

表1 ?DTU的命令格式

當(dāng)配置串口發(fā)送+++后，DTU出現(xiàn)in set mode同時(shí)進(jìn)入?yún)f(xié)議配置過程，用戶采用AT命令進(jìn)行配置、查詢、重啟或結(jié)束配置過程[9]，配置過程實(shí)現(xiàn)對(duì)高校能源監(jiān)管數(shù)據(jù)的讀取和修改。

高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸遵循規(guī)則如下：采用AT指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行包裝、發(fā)送，對(duì)接收的數(shù)據(jù)采取AT指令解析、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)解析，以接收數(shù)據(jù)為例，其GPRS數(shù)據(jù)接收流程如圖3所示。

1.5 ?統(tǒng)計(jì)分析能耗數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，需要采集各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)需求對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用[10]，生成各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，將獲取的報(bào)表作為高校能源智能監(jiān)管的參考依據(jù)。

根據(jù)用戶的統(tǒng)計(jì)分析需求，輸入待統(tǒng)計(jì)分析的對(duì)象、能源消耗類型、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)需求、起止時(shí)間、統(tǒng)計(jì)模式（單位機(jī)構(gòu)）和統(tǒng)計(jì)時(shí)間顆粒度信息。統(tǒng)計(jì)分析能耗數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖3 ?GPRS數(shù)據(jù)接收流程

圖4 ?統(tǒng)計(jì)分析能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)流程圖

假設(shè)采集的[n]個(gè)能源數(shù)據(jù)用[X=x1，x2，…，xn]表示，在[t1]時(shí)刻采集到數(shù)據(jù)[X]及[t2]時(shí)刻采集數(shù)據(jù)[Y]的數(shù)據(jù)最大變化率用公式（1）表示，且[t1]和[t2]間時(shí)間間隔較短。

當(dāng)[PYX]值大于采集數(shù)據(jù)的最大變化率閾值[λ]時(shí)，則將采集到的能源數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而發(fā)送給用戶。

2 ?實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)為測(cè)試本文設(shè)計(jì)的高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高校能源智能監(jiān)管中的優(yōu)越性能，對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析。實(shí)驗(yàn)建立在嵌入式Linux內(nèi)核平臺(tái)上，輸入Source install命令進(jìn)行編譯的同時(shí)安裝系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，完成數(shù)據(jù)和程序的有效加載，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)信息智能存取的吞吐性能和信息檢索精度的準(zhǔn)確性。在15個(gè)高校單位通道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為突出本文系統(tǒng)的優(yōu)越性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于51單片機(jī)的能源管理系統(tǒng)和基于二維碼的高校教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行比較，單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)信息智能存取的吞吐量測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 ?單位時(shí)間內(nèi)三種系統(tǒng)信息智能存取的吞吐量測(cè)試結(jié)果

分析表2三種系統(tǒng)信息智能存取的吞吐量測(cè)試結(jié)果，從中可以看出：本文系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的信息智能存取吞吐量較大，15個(gè)高校單位測(cè)試得到的吞吐量數(shù)值均達(dá)到4 000 Mb/s以上，且平均吞吐量也高達(dá)4 370.8 Mb/s;而傳統(tǒng)基于51單片機(jī)的能源管理系統(tǒng)的單位時(shí)間內(nèi)信息存取吞吐量在1 638.4和1 853.4之間變化，且平均吞吐量也僅有1 739.3 Mb/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文系統(tǒng)的單位時(shí)間信息智能存取吞吐量;基于二維碼的高校教學(xué)設(shè)備管理系統(tǒng)的單位時(shí)間信息存取吞吐量在2 234.5和2 635.1之間變化，平均吞吐量為2 433.3 Mb/s，該數(shù)值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于本文系統(tǒng)的單位時(shí)間信息智能存取吞吐量，說明本文系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)信息智能存取吞吐量大，系統(tǒng)性能優(yōu)越。

在上述實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)信息智能存取吞吐量測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析本文系統(tǒng)的信息智能檢索精度（即向用戶反饋的信息精度），并將三種系統(tǒng)的用電、用水和用熱信息智能檢索平均精度進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 ?三種系統(tǒng)的用電、用水和用熱信息智能檢索精度

從圖5可以清楚地看出，三種系統(tǒng)在用電、用水和用熱信息智能檢索的精度上相差較大。本文系統(tǒng)的高校用電、用水、用熱信息檢索精度均高于90%，且平均檢索精度高達(dá)95%。除此之外，本文系統(tǒng)在用水、用電和用熱方面的信息智能檢索精度均大幅度優(yōu)于另外兩種系統(tǒng)。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)的高校能源監(jiān)管智能系統(tǒng)，通過電表管理模塊和用水管理模塊，實(shí)現(xiàn)高校各單位對(duì)電力和水利資源的有效監(jiān)管。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，本文系統(tǒng)在信息智能存取的吞吐量上效果顯著，單位時(shí)間內(nèi)的吞吐量在4 000 Mb以上，且系統(tǒng)對(duì)高校用電、用水以及用熱的信息智能檢索精度均達(dá)到95%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩種系統(tǒng)的信息檢索精度，說明本文系統(tǒng)的智能監(jiān)控性能佳。

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