基于物聯(lián)網(wǎng)的某醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)設計及應用

摘要：隨著醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，大型醫(yī)院的能耗問題成了關注的焦點，文章設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)，通過智能終端采集電能表的數(shù)據(jù)，以4G的方式將各個電能計量設備的數(shù)據(jù)傳輸至云服務器，開發(fā)了Modbus協(xié)議解析接口，設計了基于Web的在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對醫(yī)院電能表的實時監(jiān)測、精準計量和科學管理。文章詳細介紹了系統(tǒng)的總體架構、硬件設計、軟件設計以及關鍵技術實現(xiàn)過程，通過實際應用案例驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；能耗監(jiān)測；智能終端；醫(yī)院

中圖分類號：TP311" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，醫(yī)院能源消耗也在逐年上升。電能作為醫(yī)院的主要能源消耗，其費用支出占醫(yī)院總運營成本的比例較大。因此，對醫(yī)院電能進行準確計量和實時監(jiān)測，加強醫(yī)院電能管理，降低能源消耗，提高能源利用效率，對于降低醫(yī)院運營成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術

以新一代信息通信技術為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術立足于信息化與工業(yè)化深度融合，廣泛應用于各個領域。物聯(lián)網(wǎng)為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型提供了新支撐，為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展拓展了新空間^［1］，隨著5G、邊緣計算、人工智能等技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)更加高效、智能、安全的連接和服務。

物聯(lián)網(wǎng)技術在大型建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與通信、數(shù)據(jù)分析與處理以及系統(tǒng)集成與管理方面發(fā)揮著重要作用^［2］。各類傳感器被大量安裝在建筑中，用于采集能耗相關數(shù)據(jù)。如在各個能源供應點（變電站、配電室等）和能源消耗點（辦公樓、研發(fā)中心等）安裝各類傳感器，包括電流傳感器、電壓傳感器、功率傳感器、智能電能表等，用于實時采集電力數(shù)據(jù)，精確監(jiān)測用電負荷、功率因數(shù)等參數(shù)。對于水、氣、熱等其他能源形式，安裝相應的流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，以獲取全面的能耗信息。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，能夠將建筑的能耗按照不同的能源類型（如電、水、氣、熱等）以及不同的用能區(qū)域、設備類型等進行分類計量。這樣可以更精確地了解建筑內能耗情況，為后續(xù)的能耗分析和管理提供詳細的數(shù)據(jù)支持。

在能耗管理系統(tǒng)中，多種通信技術被應用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。短距離通信技術如藍牙、ZigBee 等常用于建筑內局部區(qū)域的設備連接和數(shù)據(jù)傳輸^［3］，例如智能照明系統(tǒng)中燈具之間的通信；Wi-Fi 技術則廣泛應用于建筑內移動設備與能耗管理系統(tǒng)的連接以及一些對數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的場景。利用 ZigBee、LoRa 等低功耗廣域網(wǎng)技術構建無線傳感網(wǎng)絡，將分散在各處的傳感器連接起來。這些無線技術具有部署靈活、成本低、功耗小等優(yōu)點，適合大規(guī)模的能耗數(shù)據(jù)采集。而對于遠程數(shù)據(jù)傳輸和建筑與外部管理平臺的通信，移動通信技術（4G/5G）以及有線網(wǎng)絡技術（如以太網(wǎng)）則發(fā)揮著重要作用。智能終端采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點上傳至能耗監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。

在大型建筑中，能耗數(shù)據(jù)需要實時、準確地傳輸?shù)焦芾砥脚_，以便管理者及時了解建筑的能耗狀況。現(xiàn)在的通信技術能夠較好地滿足這一需求，減少了數(shù)據(jù)傳輸中的丟包、延遲等問題，確保了能耗數(shù)據(jù)的及時性和準確性，提升了傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

將建筑內的各種能源系統(tǒng)（如電力系統(tǒng)、暖通空調系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等）以及相關的設備和傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術連接到一個統(tǒng)一的管理平臺上，這樣可以實現(xiàn)對建筑能耗的全面監(jiān)控和管理，提高管理效率和能源利用效率^［4］。例如，在一些大型醫(yī)院，通過集成化的管理平臺，可以同時監(jiān)控醫(yī)院內的醫(yī)療設備用電、照明用電、空調系統(tǒng)運行等情況，并進行統(tǒng)一調度和管理。

大型建筑的能耗管理系統(tǒng)能夠對采集到的能耗數(shù)據(jù)進行基本的分析和處理。例如，計算建筑的總能耗、不同時間段的能耗變化趨勢、不同區(qū)域或設備的能耗占比等。通過這些分析，管理者可以初步了解建筑的能耗情況，發(fā)現(xiàn)一些明顯的能耗問題，如能耗高峰時段、高耗能區(qū)域等。此外，引入人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術，對能耗數(shù)據(jù)進行更深入的分析和預測。通過對歷史能耗數(shù)據(jù)的學習和分析，系統(tǒng)可以預測未來的能耗趨勢^［5］，為管理者制定節(jié)能策略提供參考。

能耗管理平臺的功能也在不斷豐富和完善。除了基本的能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析功能外，一些平臺還具備設備遠程控制、能源審計、節(jié)能方案制定、報警管理等功能。例如，當能耗數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動時，管理平臺能夠及時發(fā)出報警信息，提醒管理者進行排查和處理；平臺還可以根據(jù)建筑的能耗情況和節(jié)能目標，制定個性化的節(jié)能方案，并對節(jié)能效果進行評估。

2 系統(tǒng)架構

某醫(yī)院的電能耗管理目前仍采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，存在數(shù)據(jù)不準確、時效性差、管理成本高等問題。同時，醫(yī)院缺乏對電能耗的實時監(jiān)測和分析，無法及時發(fā)現(xiàn)能源浪費現(xiàn)象，也難以制定有效的節(jié)能措施。為此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)以實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的自動采集、分析與管理。

所設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的某醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)主要由電能計量傳感器、智能終端、數(shù)據(jù)采集器、通信網(wǎng)絡、云服務器和客戶端組成。電能計量傳感器負責采集醫(yī)院內各個電能設備的電力能耗數(shù)據(jù)，4G網(wǎng)關機負責將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至云服務器，云服務器負責對數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理，客戶端負責為用戶提供系統(tǒng)的訪問界面。

能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)的整體功能架構如圖1所示，自下向上分為感知層、網(wǎng)絡層、平臺層與應用層。感知層主要由各種傳感器和智能儀表組成，負責采集電量能耗數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡層主要由通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳輸設備組成，負責將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_層。它采用多種通信技術，如 ZigBee、LoRa、NB-IoT 等，以適應不同區(qū)域環(huán)境和通信需求。同時，數(shù)據(jù)傳輸模塊還具備數(shù)據(jù)加密和糾錯功能，確保數(shù)據(jù)的安全性和準確性。網(wǎng)關在對數(shù)據(jù)進行初步處理和整合后，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至平臺層的云服務器。

平臺層接收到來自網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)清洗、分析和處理，用于存儲采集到的電能參數(shù)數(shù)據(jù)和應用層處理后的分析結果，為應用層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐。平臺層的數(shù)據(jù)存儲包括實時數(shù)據(jù)域、時序數(shù)據(jù)庫、關系數(shù)據(jù)庫與運行規(guī)則庫。

應用層主要由監(jiān)測中心和管理軟件組成，負責對數(shù)據(jù)進行分析計算、處理和展示，具備數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報警管理、報表生成等功能，為用戶提供能耗監(jiān)測和管理服務，用戶終端的種類包括電腦、手機、平板電腦等。

Web監(jiān)測網(wǎng)站的整體功能模塊組成如圖2所示，監(jiān)測網(wǎng)站基于Web進行開發(fā)，前端采用B/S架構，即瀏覽器模式。前端框架使用Bootstrap，JavaScript腳本庫框架使用jQuery和Vue，圖標庫使用HighChart、 ECharts、AntDesign。前后端通信采用WebSoket與WebService。實時監(jiān)控畫面采用SVG技術進行展現(xiàn)與數(shù)據(jù)刷新。前后端數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控畫面測點的實時值采用WebSocket技術，其他交互采用WebServeice /AJAX。

平臺層與應用層分布式部署運行于云服務器上，具有彈性擴展、高可用性、較好成本效益和快速部署的特點。能夠根據(jù)業(yè)務需求靈活地調整計算資源，如 CPU、內存、存儲等，實現(xiàn)快速地擴容或縮容，滿足業(yè)務動態(tài)變化，采用冗余架構和故障轉移機制，大大降低了服務器宕機風險，保障業(yè)務的持續(xù)穩(wěn)定運行，且無須前期的大額硬件投資，用戶只須按需付費，有效降低了運營成本。此外，能夠在短時間內完成服務器的創(chuàng)建和配置，加快業(yè)務上線的速度。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)采集

智能電能表支持Modbus RTU串口通信方式，使用RS485物理接口，屬于半雙工的方式通信^［6］，項目現(xiàn)場實際布線時采用線材特性阻抗120 Ω屏蔽雙絞線，這有助于減少2根RS485 通信線之間產(chǎn)生的分布電容以及外界的共模干擾。每塊智能電能表提供一對通信端子，屏蔽雙絞線，

采用手拉手菊花鏈總線連接方式將智能電能表通信端子中的所有A端子連接在一起^［7］，所有B端子連接在一起，A端子統(tǒng)一使用藍色通信線，B端子統(tǒng)一使用紅色通信線。為保證通信質量，本項目中每條主電纜鎖連接的負載設備即智能電能表的個數(shù)最大按照20個進行設計。

4G網(wǎng)關機對下通過串口線連接電能表，對上通過4G網(wǎng)絡連接到云服務，實現(xiàn)Modbus RTU與Modbus TCP之間的協(xié)議轉化。Modbus協(xié)議遵循主從協(xié)議，在同一個總線通信線路上只會有一個主機，4G網(wǎng)關機是主機，該線路上的所有智能電能表是從機，所有的通信過程全部由主機主動發(fā)起，從機接收到主機請求后，會對請求做出響應。從機不會主動進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，從機之間也不會有通信過程。

采用C++語言在云服務器上編寫Modbus TCP接口應用程序，接口程序首先綁定指定的服務器端口進行監(jiān)聽，4G網(wǎng)關機啟動后首先向指定的服務器IP地址與端口發(fā)送身份注冊報文，Modbus TCP接口應用程序如果校驗失敗，則斷開本次TCP連接，如果驗證通過，則基于Modbus TCP協(xié)議并根據(jù)智能電能表的設備地址、測點的寄存器地址下發(fā)請求報文，網(wǎng)關機采用透明傳輸模式，將接收到的Modbus TCP格式報文轉換成Modbus RTU格式，通過串口總線下發(fā)給智能電能表，目標設備地址的智能電能表根據(jù)請求做出響應，網(wǎng)關機收到后再轉發(fā)給云服務器上的Modbus TCP接口應用程序。部分代碼如下所示。

//校驗modbus返回報文準確性與合規(guī)性

static int check_confirmation（uint8_t*req， uint8_t*rsp， int rsp_length）

{

int rc;

int rsp_length_computed;

int length = 2 + 2 * （req［offset + 3］ lt;lt; 8 req［offset + 4］）;

int compute_response_length_from_request = offset+length;

int _function = rsp［offset］;

rsp_length_computed = compute_response_length_from_request;

if （（rsp_length == rsp_length_computed） amp;amp; _function lt; 0x80）

{

int req_nb_value;

int rsp_nb_value;

if （_function ！= req［offset］）

{ return -1;}

…

req_nb_value = （req［offset + 3］ lt;lt; 8） + req［offset + 4］;

rsp_nb_value = （rsp［offset + 1］ / 2）;

}

…

return rc;

}

3.2 智能預警

在云服務器內，基于采集到的電能數(shù)據(jù)進行分析與預警，進而提高用電安全性、提高用電效率、保障用電連續(xù)性。

過載運行會使電線的絕緣層加速老化，嚴重時可能導致短路。通過實時監(jiān)測電路中的電流防止運行過載，當電流超過預先設定的安全電流閾值時，就會觸發(fā)過載預警，過載預警功能可以有效避免這些潛在危險。

電壓過高可能損壞電器設備，如導致電子設備電源模塊燒毀等；電壓過低則會使電器設備無法正常工作，如電動機類設備轉速下降等。智能預警可以持續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)電壓。正常的電壓范圍一般在額定電壓的 ±10% 左右，當電壓超過閾值并持續(xù)一定時間時，電能表就會發(fā)出電壓異常預警，預警功能可以讓用戶及時采取措施，如使用穩(wěn)壓器來保護電器設備。

智能電能表可以計算電路中的功率因數(shù)。功率因數(shù)過低會導致電網(wǎng)的無功損耗增加，影響供電效率。當功率因數(shù)低于設定的標準值，就會發(fā)出預警，提醒用戶對無功補償設備進行檢查和調整，提高用電效率。

諧波會對電網(wǎng)質量產(chǎn)生不良影響，如干擾通信系統(tǒng)、使電容器等設備過熱損壞。系統(tǒng)能夠分析電路中的諧波成分。在含有大量非線性負載（如電子鎮(zhèn)流器、變頻設備等）的電路中，會產(chǎn)生諧波。當諧波含量超過一定標準（如總諧波畸變率超過規(guī)定的 5% ），就會發(fā)出預警。預警可以讓用戶對產(chǎn)生諧波的設備進行濾波處理，改善電能質量。

4 工程應用

將設計的軟硬件架構與功能模塊應用到某醫(yī)院，選擇MySQL作為醫(yī)院電能耗數(shù)據(jù)存儲和管理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，設計數(shù)據(jù)表結構，包括電能耗數(shù)據(jù)表、設備信息表、用戶信息表等。采用面向對象的編程語言開發(fā)云服務器應用程序，實現(xiàn)對電能耗數(shù)據(jù)的存儲、分析和處理。應用程序應具有良好的可擴展性和可維護性。

Web界面上可進行數(shù)據(jù)查詢、報表生成、報警管理、遠程控制等，界面樣式如圖3所示。圖3是對各個智能電能表的集中監(jiān)控畫面，可以實時監(jiān)測電能表的三相電流、三相電壓與有功電能。

5 結語

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院能耗計量與監(jiān)測系統(tǒng)，給出了軟硬件架構、主要功能模塊的設計方法與關鍵技術的實現(xiàn)方法，基于Modbus協(xié)議采用C++語言在云服務器上編寫Modbus TCP接口應用程序，通過 4G 網(wǎng)關機將醫(yī)院內各個電能計量設備的數(shù)據(jù)傳輸至云服務器，通過對物聯(lián)網(wǎng)技術、傳感器技術、通信技術和數(shù)據(jù)分析技術的綜合應用，最終實現(xiàn)了對醫(yī)院電能耗的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和管理，通過實際應用案例驗證了系統(tǒng)的有效性和可行性。該系統(tǒng)能夠為醫(yī)院提供高效、準確的能耗監(jiān)測解決方案，提高能源利用效率。

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（編輯 沈 強編輯）

Design and application of energy consumption measurement and monitoring system

for a hospital based on IoT

WANG" Ben， YAN" Wenjuan， LU" Ke， GUO" Xiaofeng， ZHENG" Mingming

（Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology， Nanjing 211306， China）

Abstract：" With the rapid development of the medical industry， the energy consumption of large hospitals has become a focus of attention. In the article， a hospital energy consumption measurement and monitoring system based on Internet of Things （IoT） technology is designed， which collects the data from the electricity meters through intelligent terminals， transmits the data of each power measuring device to the cloud server by 4G， develops the Modbus protocol parsing interface， and designs the online monitoring system based on the Web. It realizes real-time monitoring， accurate measurement and scientific management of hospital electricity meters. the article describes the overall system architecture， hardware design， software design and key technology implementation process， and verifies the effectiveness and feasibility of the system through practical application cases.

Key words： Internet of Things; energy-consuming supervising; intelligent terminal; hospital