宋兵兵

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：城市建設步伐加快背景下，對城市建筑能耗管理系統(tǒng)的應用提出更高要求。從當前各類公共建筑物運營情況看，能源消耗問題仍較為突出，傳統(tǒng)依托于計算機、測控單元與通訊設備單位工具的系統(tǒng)管理模式，并不能達到建筑能耗管理真正目的，在此背景下考慮引入LoRa技術(shù)，提高建筑能耗管理系統(tǒng)整體性能，實現(xiàn)控制能源消耗目標。本次研究中主要對LoRa無線技術(shù)做簡單介紹，分析智能能耗管理系統(tǒng)形式與性能、提LoRa技術(shù)應用下智能建筑能耗管理系統(tǒng)設計思路。

關(guān)鍵詞：LoRa無線技術(shù)；智能建筑能耗管理系統(tǒng)；設計

1 前言

  作為我國目前大眾關(guān)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(guān)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，全國城鎮(zhèn)耗電量總數(shù)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(guān)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(guān)的技術(shù)作為支撐。因此，本文對LoRa技術(shù)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(shù)基本介紹

  關(guān)于LoRa技術(shù)，是一種有低功耗、超遠距離特征的無線通信技術(shù)。與以往物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的技術(shù)，如藍牙、wifi、Zigbee比較，LoRa技術(shù)可實現(xiàn)遠距離的傳輸。從該技術(shù)具體特征看，作為無線電調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可用于傳輸距離長、數(shù)據(jù)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(shù)相關(guān)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(shù)引入下，其中組網(wǎng)網(wǎng)絡通過星型拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)用于終端設備、云端的連接。網(wǎng)關(guān)與服務器連接中則借助標準IP實現(xiàn)，終端設備與網(wǎng)關(guān)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(shù)應用下，網(wǎng)關(guān)可對多路信號同時接收與處理，網(wǎng)絡容量較高。由此可見，LoRa技術(shù)的應用，除能夠滿 足數(shù)據(jù)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(shù)支撐。

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(cè)重于系統(tǒng)化管理建筑相關(guān)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(guān)建筑設計規(guī)范標準中，也對智能建筑的含義做出相關(guān)界定，認為智能建筑實質(zhì)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(nèi)有多個指令，用于采集與分析建筑物設各能耗參數(shù)，其中部分指令編寫為操控指令，將在樓字智能控制系統(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(shù)據(jù)，根據(jù)采集與監(jiān)測結(jié)果，使遠程管理與控制有具體依據(jù)，由于系統(tǒng)運行中強調(diào)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(jié)構(gòu)形式涉及現(xiàn)場設備層、網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)外部數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)過監(jiān)控主機提供的接入口實現(xiàn)，而UPS作為不問斷電源，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(shù)據(jù)做分析、處理，并將結(jié)果利用現(xiàn)場聲音、數(shù)據(jù)或圖形等形式反饋呈現(xiàn)。其次，網(wǎng)絡通訊層，其構(gòu)成部分包括總線網(wǎng)絡、以太網(wǎng)設備、通訊管理機等，用于數(shù)據(jù)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(wǎng)設備，主要為以太網(wǎng)交換機，再如通訊管理機，處理采集的數(shù)據(jù)，且有前置機服務功能，同時利用光纖、雙絞線作為通信介質(zhì)，或通過無線通訊實現(xiàn)。另外，在現(xiàn)場設備層，其構(gòu)成主要以智能儀表為主，許多能耗數(shù)據(jù)均需由該層上傳與存儲，如其中的測量儀表，數(shù)據(jù)采集過程中在保證數(shù)據(jù)準確性、完整性的基礎上，實時將數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心傳輸。

4 基于LoRa技術(shù)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(wǎng)、現(xiàn)場總線等組網(wǎng)方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集、開關(guān)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(shù)據(jù)采集中面臨數(shù)據(jù)點位過于分散情況，所以在數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)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(diào) 、供暖、辦公設備等方面，能耗表現(xiàn)為水、電、氣等，建筑內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)，技術(shù)應用下強調(diào)向云服務器中傳輸數(shù)據(jù)，而云服務器中的數(shù)據(jù)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。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)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(nèi)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(shù)，即通過無線數(shù)據(jù)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(chǎn)生的影響。

  具體改造設計中，LoRa技術(shù)引入下，使整個系統(tǒng)細化為4層，分別為網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場采集設備、終端數(shù)據(jù)處理設備以及云端。系統(tǒng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號被電表采集后，會向模塊內(nèi)轉(zhuǎn)入并轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)向LoRa網(wǎng)關(guān)傳入，連接網(wǎng)關(guān)、云端服務器，這樣便能滿足上傳與管理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)調(diào)取與能耗情況分析，需將計算機終端接入云端服務器權(quán)限開放。此外，系統(tǒng)設計中應保證數(shù)據(jù)庫的合理設計，用于能耗管理相關(guān)數(shù)據(jù)存儲，為后續(xù)管理分析提供依據(jù)，使建筑能耗管理過程中有相應的參考。

  另外，將星型拓撲結(jié)構(gòu)引入到醫(yī)院能耗管理系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)間的通信借助單跳模式實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)連接服務器則需有標準IP。考慮到醫(yī)院系統(tǒng)設計需求，于頂層機房內(nèi)布置云服務器、LoRa網(wǎng)關(guān)。有實踐研究中發(fā)現(xiàn)，每平方公里內(nèi)，一個LoRa網(wǎng)關(guān)可與5000個終端設備連接。因此，醫(yī)院僅需將 1個網(wǎng)關(guān)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。

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(nèi)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(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)傳輸，在此基礎上由網(wǎng)關(guān)向云端服務器上傳存儲，通過管理層設備可對數(shù)據(jù)調(diào)取分析。同時，本次設計中也提及進行能耗管理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，所以醫(yī)院在做能耗問題分析中，可直接從中調(diào)取數(shù)據(jù)，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 安科瑞重點用能單位能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)概述

  工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)是一個集成Intranet/Internet網(wǎng)絡技術(shù)、GPRS無線傳輸技術(shù)、Web Service軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等于一體的大型數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者、各級能耗內(nèi)部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網(wǎng)絡通道，搭建了一個合理、高效的信息傳輸平臺和管理平臺。工業(yè)能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)應用為政府管理部門、企業(yè)生產(chǎn)管理、計量管理、節(jié)能管理提高到一個新的高度，是我們對節(jié)能減排、節(jié)能降耗實現(xiàn)的一種行之有效的解決方案。

能源組成及監(jiān)測內(nèi)容：

圖1 能源組成

 

圖2 監(jiān)測內(nèi)容

  用電類：采集采暖、鍋爐、空調(diào)、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監(jiān)測其用電量，對于大耗電設備監(jiān)測其電流、電壓及功率因數(shù)等信息。

  配電類：采集6kv/10kv配電開關(guān)設備、變壓器，狀態(tài)信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電能質(zhì)量、電能量等。

  用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；

  用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；

  環(huán)境參數(shù)：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調(diào)供回水溫度；

5.2 系統(tǒng)框架

圖3 系統(tǒng)框架

  (1)能源消費管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)可以對重點用能企業(yè)煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質(zhì)進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數(shù)據(jù)進行整理存儲，為匯總分析和上報作數(shù)據(jù)支持。

  (2)能源利用狀況信息報送系統(tǒng)

重點用能企業(yè)可通過該系統(tǒng)將企業(yè)本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節(jié)能監(jiān)察中心，經(jīng)初審核后，上傳至省節(jié)能監(jiān)察總隊審核，而后上報國家有關(guān)部門。

  (3)單位能耗水平識別評價系統(tǒng)

利用重點用能單位能耗數(shù)據(jù)，對企業(yè)用能狀況進行分析評價，查找問題。為政府節(jié)能管理部門掌握、分析信息和研究節(jié)能改造并制定相關(guān)政策措施提供科學的依據(jù)和平臺。

  (4)決策服務和咨詢服務系統(tǒng)

系統(tǒng)提供直觀、簡明、快捷的數(shù)據(jù)信息查詢和決策支持服務。對重點用能企業(yè)的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助重點用能企業(yè)做出及時、正確、可行、有效的解決方案。

  (5)能耗預測、能源安全預警系統(tǒng)

通過系統(tǒng)掌握重點用能企業(yè)能源購置、使用、消耗及生產(chǎn)情況，對企業(yè)的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。

在獲取能源使用的基礎上，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)能耗的預測分析功能，為政府相關(guān)部門的宏觀決策提供支撐體系。

  (6)節(jié)能監(jiān)察及信息發(fā)布、法律法規(guī)知識培訓系統(tǒng)：

通過該系統(tǒng)平臺，可對省重點耗能企業(yè)做節(jié)能監(jiān)察工作；發(fā)布節(jié)能法律法規(guī)標準以及能源基礎知識、能源統(tǒng)計知識、節(jié)能監(jiān)測方法等資料；處理日常節(jié)能管理工作相關(guān)的公文、通知、公告等。

5.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

  系統(tǒng)把數(shù)據(jù)信息從各個企業(yè)的能源監(jiān)控中心采集到后臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，經(jīng)分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網(wǎng)站、無線終端等手段為省、市領(lǐng)導以及相關(guān)委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型

6 結(jié)論

  LoRa技術(shù)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LoR a技術(shù)應用優(yōu)勢，包括低功耗傳輸、遠距離傳輸?shù)龋�在此基礎上結(jié)合建筑能耗管理系統(tǒng)設計需求，將LoRa技術(shù)引入其中。具體設計中，主要需從數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設計上著手，保證滿足網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場采集設備、終端數(shù)據(jù)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?qū)崿F(xiàn)能耗相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、分類、處理等，通過分析數(shù)據(jù)并預測，為后續(xù)能耗管理工作提供依據(jù)，推動智能建筑的建設發(fā)展 。

【參考文獻】

[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]虞振興. 基于LoRa下智能建筑能耗管理系統(tǒng)硇分析與設計.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版.