基于LoRa的園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

孫偉 武春艷

摘 要：能耗管理系統(tǒng)是減少能源消耗、提高能源利用效率的有效途徑，是園區(qū)實現(xiàn)整體節(jié)能減排的必要手段。文中提出一種基于LoRa技術的園區(qū)能耗管理系統(tǒng)。LoRa技術的低功耗、遠距離傳輸、抗干擾性強的特點，為其在能耗管理系統(tǒng)的應用提供了基礎。管理系統(tǒng)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和應用層組成。該系統(tǒng)建立了從能源供應到用能終端的能源管控平臺，為能耗數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析和能源調度等提供了依據(jù)。

關鍵字：低功耗廣域網(wǎng);LoRa技術;園區(qū)能耗管理;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP391;TU201文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）01-00-02

0 引 言

研究表明，我國能源利用效率為33%，相比發(fā)達國家低10個百分點。能源問題給社會發(fā)展和環(huán)境資源帶來了巨大壓力，節(jié)能減排形式嚴峻[1]。傳統(tǒng)的粗放式能源管理方式和舉措難以滿足管理需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，尤其是低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技術的興起，借助新興技術，搭建園區(qū)能源管理系統(tǒng)已成為推進節(jié)能降耗和實現(xiàn)用能精細化管理的必然趨勢。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)綜合運用現(xiàn)代通信技術、能源物聯(lián)網(wǎng)技術以及需求側管理措施等，對園區(qū)內各單位的耗能進行實時監(jiān)測、動態(tài)分析和集中管理，提升園區(qū)能源管理水平，降低能源成本。

目前，能耗管理數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)多采用WiFi[2]，ZigBee[3]，存在信號衰減快、極易受到其他信號干擾的問題[4]。本文設計了一種基于LoRa（Long Range，LoRa）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱@區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)耗能的實時采集及科學預警。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的一種長距離通信技術，解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡傳輸距離與低功耗不能兼得的問題[4]。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)利用園區(qū)內各種傳感器采集耗能信息，實現(xiàn)采集、顯示、分析、診斷等功能，并實現(xiàn)對各系統(tǒng)的控制和優(yōu)化管理。

1 園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設計

園區(qū)的正常運轉需要水、暖、電、氣等多種能源供給，各種能源消耗具有范圍廣、時間不規(guī)律、消耗量大等特點[5]。通過園區(qū)耗能數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)管理及應用，實現(xiàn)了園區(qū)能源調配與優(yōu)化運維。園區(qū)能源管理平臺采用標準的物聯(lián)網(wǎng)體系架構，由四部分組成，如圖1所示。

（1）感知層

感知層作為整個能耗管理系統(tǒng)最基礎最重要的部分，由各個采集節(jié)點組成。根據(jù)用能性質，各傳感器節(jié)點部署在不同區(qū)域，監(jiān)測園區(qū)各種耗能數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層

針對園區(qū)特點，從數(shù)據(jù)采集節(jié)點到網(wǎng)關采用LoRa技術進行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去了綜合布線，降低了施工難度;從網(wǎng)關到數(shù)據(jù)中心，可采用移動通信網(wǎng)絡或LoRa技術。

（3）數(shù)據(jù)處理層

通過建立能耗評估模型，并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計計算、多維分析等手段對能耗數(shù)據(jù)進行分析，為功能應用層提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）應用層

能耗管理平臺具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，通過多維度、可視化的系統(tǒng)功能實現(xiàn)與用戶的信息互動。

2 LoRa數(shù)據(jù)通信技術

LoRa是美國Semtech公司發(fā)布的一種基于擴頻調制的解調技術[6-9]，其最大特點是超遠距離和低功耗。該技術主要針對小數(shù)據(jù)量、長距離傳輸?shù)挠脩魣鼍啊oRa具有的低功耗、遠距離、大容量和穿透能力強的特點，能夠減少開發(fā)成本和運營維護成本，適用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)。

LoRa具有典型的星型拓撲結構，架構如圖2所示，主要由終端、網(wǎng)關和服務器三部分組成，終端設備應用LoRa技術采用單跳模式，實現(xiàn)與一個或多個網(wǎng)關的雙向通信。網(wǎng)關是一個透明的中繼，采用標準TCP/IP與服務器連接，實現(xiàn)終端與服務器數(shù)據(jù)的交互。

3 基于LoRa的園區(qū)能耗設計

通過需求分析，園區(qū)主要用能形式有水、暖、電、氣，主要監(jiān)測量有電量、流量、壓力、溫濕度、供回水溫差等。園區(qū)存在占地面積大，建筑分布廣、數(shù)量多、類型多樣，用能情況復雜的問題。目前工業(yè)園區(qū)耗能統(tǒng)計上普遍存在計量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗數(shù)據(jù)不完整、不全面等問題。由于缺乏準確而詳實的能耗數(shù)據(jù)作為依據(jù)，因而無法進行能源定量分析、能耗動態(tài)趨勢分析，以及節(jié)能潛力的挖掘、節(jié)能效益的評價等方面的工作。例如，采用有線傳輸方式，存在園區(qū)內數(shù)據(jù)點位分布廣，數(shù)據(jù)傳輸面臨空間跨度大，網(wǎng)關、中繼設置地點選擇困難等問題。

LoRa技術具有的遠距離低功耗特點非常適用于園區(qū)能耗監(jiān)測。通過LoRa通信將能耗數(shù)據(jù)集中到服務器，管理層終端可通過云端讀取數(shù)據(jù)分析，并對整個能耗管理系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而形成良性循環(huán)，最終得出能耗管理的最佳方案，極大地提升能源利用效率，改善能源浪費現(xiàn)象，達到節(jié)能減排的目的。

以某工業(yè)園區(qū)為例，根據(jù)能耗管理系統(tǒng)的特點，將系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集設備、網(wǎng)關、服務器3層。采用LoRa技術進行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去綜合布線，降低施工成本。

針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備，通過各類智能表計自動化采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能耗的分類、分項、分戶計量。園區(qū)中選擇帶有遠傳功能的電度表、水表和冷熱計量表等，與LoRa模塊相連接，采用Modbus RTU協(xié)議并采用點對點方式傳輸至LoRa網(wǎng)關，網(wǎng)關與服務器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中上傳和統(tǒng)一管理。LoRa網(wǎng)關程序流程框圖如圖3所示。

4 平臺功能

能耗管理平臺具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，從而實現(xiàn)能源調度、能耗動態(tài)趨勢分析、能效分析診斷，節(jié)能潛力挖掘、節(jié)能效益評價等功能[10]。能耗管理平臺如圖4所示。

5 結 語

本文針對LoRa技術低功耗、遠距離傳輸?shù)奶攸c，將其應用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了園區(qū)能耗的實時采集、監(jiān)測及統(tǒng)計分析。后續(xù)將基于平臺積累的能源數(shù)據(jù)，為能源大數(shù)據(jù)模型的建立提供數(shù)據(jù)支撐，為更精準的能源調度和優(yōu)化提供有力支撐。

參 考 文 獻

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