基于物聯(lián)網(wǎng)的高校水電節(jié)能平臺(tái)的建設(shè)研究

滿莎 胡懷雯

摘 要：國(guó)家頒布了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引導(dǎo)高校建設(shè)節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)進(jìn)行能源管理，推進(jìn)節(jié)約型校園建設(shè)。水電管理是高校能源管理的重要組成部分，如何用新技術(shù)新手段進(jìn)行節(jié)能管理，是目前亟待解決的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為第三次信息革命的新興技術(shù)，將其用于水電節(jié)能管理平臺(tái)的建設(shè)中，有助于高校水電的監(jiān)控和管理，提高資源利用率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧節(jié)能;建設(shè)研究

國(guó)家已頒布《高等學(xué)校校園設(shè)施節(jié)能運(yùn)行管理辦法》《高等學(xué)校節(jié)約型校園指標(biāo)體系及考核評(píng)價(jià)辦法》等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，用于指導(dǎo)高校能源管理及節(jié)能監(jiān)管平臺(tái)的建設(shè)。在高校能源資源消耗中，水電消耗占據(jù)了很大一部分，如何通過(guò)新技術(shù)新手段建設(shè)智慧節(jié)能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電用量的有效管理是當(dāng)前高?？滩蝗菥彽膯?wèn)題。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高校水電節(jié)能管理平臺(tái)建設(shè)中，對(duì)校園能耗進(jìn)行計(jì)量監(jiān)控，分析用能問(wèn)題，減少能源浪費(fèi)，挖掘節(jié)能潛力，提高節(jié)能意識(shí)，實(shí)現(xiàn)校園水電的節(jié)能管理，有助于推進(jìn)節(jié)約型校園的建設(shè)。

一、高校水電節(jié)能平臺(tái)建設(shè)的必要性

（一）控制節(jié)點(diǎn)分散

水電消耗是高校能源消耗的重要組成部分，具有控制節(jié)點(diǎn)分散、使用時(shí)段不固定等特點(diǎn)。高校師生人數(shù)眾多、區(qū)域分散，其中教學(xué)區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)，每個(gè)區(qū)域在不同時(shí)段的水電消耗又不一致，每個(gè)區(qū)域在特定時(shí)段都有可能出現(xiàn)高能耗狀態(tài)，傳統(tǒng)的水電管理無(wú)法解決水電資源合理分配的問(wèn)題。而且由于控制節(jié)點(diǎn)過(guò)于分散，在某些區(qū)域不可避免地會(huì)出現(xiàn)能源浪費(fèi)的現(xiàn)象，特別是在設(shè)備、設(shè)施損壞又無(wú)人發(fā)現(xiàn)的情況下，容易造成巨大的能源消耗，不便于節(jié)能管理。因此，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)建設(shè)高校水電節(jié)能平臺(tái)能有效進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，提高能效管理，使水電資源分配更合理、利用更高效。

（二）設(shè)備設(shè)施老化

設(shè)備設(shè)施陳舊老化是出現(xiàn)能源“跑冒滴漏”現(xiàn)象的主要原因，特別是老校區(qū)、老樓棟，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，大部分高校的水電供應(yīng)設(shè)備出現(xiàn)機(jī)器老化、功能落后的情況，而對(duì)于老化設(shè)備，由于維護(hù)不及時(shí)容易造成能源的過(guò)度消耗。水電的正常傳輸供給是穩(wěn)定高校整體發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的水電管理無(wú)法發(fā)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施老化帶來(lái)的能源浪費(fèi)問(wèn)題。因此，可以通過(guò)建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的高校水電節(jié)能平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)校水電設(shè)備的使用和運(yùn)行情況，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)定位，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常立即報(bào)警，通過(guò)平臺(tái)提供的報(bào)錯(cuò)信息分析故障產(chǎn)生的原因，力求在最短的時(shí)間內(nèi)排查故障、阻止能源浪費(fèi)。

（三）管理模式落后

目前，多數(shù)高校的水電管理系統(tǒng)仍停留在水電計(jì)量、水電充值等初級(jí)階段，水電管理模式比較落后，缺陷較多，對(duì)水電節(jié)能管理效率不高，無(wú)法滿足智慧型、節(jié)約型校園管理的新標(biāo)準(zhǔn)、新要求。尤其是在水電數(shù)據(jù)采集方式上，存在精確度差、自動(dòng)化水平低等缺點(diǎn)。建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)的水電節(jié)能管理平臺(tái)，利用智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理，通過(guò)平臺(tái)的云計(jì)算功能預(yù)估全年的水電消耗量，對(duì)水電消耗的實(shí)際情況進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗分析、高效管理。

（四）節(jié)能意識(shí)薄弱

目前，部分高校沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)管理。仍存在重學(xué)生輕教師，重生活區(qū)輕教學(xué)區(qū)的思維慣性，節(jié)能意識(shí)薄弱，節(jié)能監(jiān)管不到位。很多人認(rèn)為浪費(fèi)一點(diǎn)點(diǎn)水電只是小事情，沒(méi)有形成節(jié)能意識(shí)、養(yǎng)成節(jié)能習(xí)慣，沒(méi)有形成全員節(jié)能的氛圍。重視高校水電節(jié)能管理平臺(tái)的建設(shè)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算來(lái)規(guī)范能耗統(tǒng)計(jì)、進(jìn)行能耗分析、監(jiān)督控制水電使用情況，能幫助全員增加節(jié)能意識(shí)、落實(shí)節(jié)能行動(dòng)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理目標(biāo)，促使高校能源監(jiān)管工作向更廣泛、更深入、更科學(xué)的方向發(fā)展。

二、水電節(jié)能平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的信息產(chǎn)業(yè)新方向，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其英文名稱為“Internet of Things”。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);物聯(lián)網(wǎng)用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)有三個(gè)層次，底層是用來(lái)感知數(shù)據(jù)的感知層，中間層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上層則是應(yīng)用層。感知層關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)以及二維碼技術(shù)等;網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)包括Internet、移動(dòng)通信技術(shù)以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)包括M2M、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、中間件以及嵌入式技術(shù)等?；谖锫?lián)網(wǎng)的水電節(jié)能平臺(tái)的構(gòu)建主要是用到了物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、WiFi技術(shù)以及嵌入式技術(shù)。

（二）傳感器技術(shù)

作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的輸入端，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的位置至關(guān)重要。傳感器實(shí)際上是一種功能塊，是一種檢測(cè)裝置，其作用是能感受到被測(cè)量的信息，并將外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制的要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成。傳感器是高校水電管理平臺(tái)獲取信息的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)部署紅外傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)校園水電的監(jiān)控和管理。例如綠化灌溉系統(tǒng)中通過(guò)部署溫度傳感器、濕度傳感器等感知設(shè)備對(duì)綠化灌溉動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行采集從而實(shí)現(xiàn)灌溉的實(shí)時(shí)控制。

（三）短距離無(wú)線通信技術(shù)

短距離無(wú)線通信技術(shù)主要包括ZigBee、藍(lán)牙、Wi-Fi、超寬帶技術(shù)（UWB）、NFC等技術(shù)，其具有三個(gè)重要特征，即低成本、低功耗和對(duì)等通信。按數(shù)據(jù)傳輸速率可以分為高速短距離無(wú)線通信技術(shù)和低速無(wú)線通信技術(shù)兩類，不同的短距離無(wú)線通信技術(shù)具有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適用于不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。Wi-Fi是目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee的優(yōu)勢(shì)是低功耗和自組網(wǎng)，藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)是組網(wǎng)簡(jiǎn)單。這三種無(wú)線技術(shù)特點(diǎn)如表1所示，從傳輸距離來(lái)說(shuō)，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍(lán)牙;從功耗來(lái)說(shuō)，是Wi-Fi﹥藍(lán)牙﹥ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可;從傳輸速率來(lái)講，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍(lán)牙?；谝陨咸攸c(diǎn)在智能水電管理系統(tǒng)中，智能電表、智能水表等智能設(shè)備的組網(wǎng)采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，嵌入式控制器與Internet連接采用Wi-Fi技術(shù)。

（四）嵌入式技術(shù)

水電節(jié)能管理系統(tǒng)中需要大量的節(jié)能設(shè)備不在依賴人與人之間的交互產(chǎn)生聯(lián)系，更多通過(guò)協(xié)議、通信、程序設(shè)計(jì)等方式連接到一處。例如，在路燈系統(tǒng)中當(dāng)光照強(qiáng)度到達(dá)一定閾值時(shí)則關(guān)閉路燈，光照強(qiáng)度低于閾值時(shí)開啟路燈，這就需要嵌入式技術(shù)的支持。嵌入式技術(shù)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。作為水電節(jié)能平臺(tái)的核心，嵌入式控制器通過(guò)各區(qū)域內(nèi)的傳感器和控制設(shè)備對(duì)各區(qū)域水電消耗情況進(jìn)行監(jiān)控。

三、水電節(jié)能平臺(tái)建設(shè)方案

智慧水電節(jié)能平臺(tái)如圖1所示，采用最新信息化與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)，平臺(tái)整體架構(gòu)合理，具有一定的開放性和兼容性。平臺(tái)監(jiān)控軟件與嵌入式控制器構(gòu)成C/S模型。平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、節(jié)能控制系統(tǒng)和節(jié)能服務(wù)系統(tǒng)，在安全、可擴(kuò)展移植性等方面做了充分考慮。通過(guò)數(shù)據(jù)采集終端采集水、電、空調(diào)、路燈、灌溉等用電用水設(shè)備的信息，再由嵌入式控制器根據(jù)采集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理與大數(shù)據(jù)分析達(dá)到水電精準(zhǔn)控制，同時(shí)平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)在提供水電查詢基礎(chǔ)服務(wù)之外增加了節(jié)能提醒服務(wù)，幫助師生養(yǎng)成良好的節(jié)能習(xí)慣。

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

校園內(nèi)水電消耗量的監(jiān)測(cè)及處理由基于ZigBee技術(shù)的采集控制終端完成。采集控制終端包括電流傳感器、電壓傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、與溫濕度傳感器等，采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)終端與協(xié)調(diào)器組成星型網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器匯聚傳感器模塊采集到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等能源信息通過(guò)Wi-Fi網(wǎng)關(guān)傳輸至嵌入式控制器。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到嵌入式控制器的控制命令，根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)與設(shè)備類型發(fā)送控制命令，對(duì)需要控制的設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行開啟設(shè)備或關(guān)閉設(shè)備，以達(dá)到節(jié)能的目的。

（二）節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)

節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)分別由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，是水電節(jié)能平臺(tái)的基礎(chǔ)和核心，也是平臺(tái)建設(shè)的首要內(nèi)容。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)校園的教學(xué)區(qū)、生活區(qū)、運(yùn)動(dòng)區(qū)等各個(gè)區(qū)域進(jìn)行供電、供水參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)平臺(tái)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)掌握水電的用量，能清楚地了解“水電去哪兒了”這個(gè)核心問(wèn)題。控制系統(tǒng)對(duì)水電的在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取精準(zhǔn)計(jì)量以后，在云平臺(tái)大數(shù)據(jù)的分析下進(jìn)行判斷有針對(duì)性的開展節(jié)能控制，通過(guò)可靠性較高的TCP/IP協(xié)議與嵌入式控制器完成數(shù)據(jù)傳輸從而實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，重點(diǎn)解決如何進(jìn)行水電節(jié)能管理的問(wèn)題。主要是對(duì)變電所、水泵房、路燈等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，保障重點(diǎn)設(shè)備的可靠、高效、低耗運(yùn)行。

（三）節(jié)能服務(wù)系統(tǒng)

在節(jié)能服務(wù)系統(tǒng)中設(shè)置了充值繳費(fèi)、信息查詢、欠費(fèi)提醒等基本功能，師生可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)APP、微信等方式隨時(shí)了解自己的用量信息。同時(shí)設(shè)置了節(jié)能榜單、能源足跡、綠色生活等引導(dǎo)功能，目的是引導(dǎo)人們養(yǎng)成良好節(jié)能行為，在節(jié)能活動(dòng)中人才是主體，只有解決好如何養(yǎng)成節(jié)能意識(shí)的問(wèn)題，才能杜絕人對(duì)設(shè)備的不當(dāng)使用造成的能源浪費(fèi)，才能真正解決節(jié)能的根本問(wèn)題。通過(guò)提高師生對(duì)自身能源消費(fèi)的關(guān)注度和透明度，促進(jìn)了能源的理性消費(fèi)和自我管理，從被動(dòng)的節(jié)能行為變?yōu)橹鲃?dòng)的節(jié)能行為。

四、對(duì)水電節(jié)能平臺(tái)的幾點(diǎn)建議

本文分析了高校水電節(jié)能平臺(tái)建設(shè)的必要性，介紹了建設(shè)平臺(tái)所需的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了高校水電節(jié)能管理平臺(tái)的建設(shè)方案。在方案實(shí)施過(guò)程中需要注意以下幾點(diǎn)：第一，整個(gè)方案中通信方式均為無(wú)線通信，但數(shù)據(jù)采集終端可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行有線組網(wǎng);第二，平臺(tái)以大數(shù)據(jù)作為依托，在建設(shè)時(shí)需考慮服務(wù)器容量的問(wèn)題;第三，平臺(tái)的功能可根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以方便能源管理;第四，加強(qiáng)平臺(tái)運(yùn)維工作人員的專業(yè)素質(zhì)，確保平臺(tái)的正常運(yùn)行。

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