滿莎 胡懷雯

摘 要：國家頒布了一系列的標準規(guī)范引導高校建設節(jié)能監(jiān)管平臺進行能源管理，推進節(jié)約型校園建設。水電管理是高校能源管理的重要組成部分，如何用新技術新手段進行節(jié)能管理，是目前亟待解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)技術作為第三次信息革命的新興技術，將其用于水電節(jié)能管理平臺的建設中，有助于高校水電的監(jiān)控和管理，提高資源利用率。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧節(jié)能;建設研究

國家已頒布《高等學校校園設施節(jié)能運行管理辦法》《高等學校節(jié)約型校園指標體系及考核評價辦法》等標準及規(guī)范，用于指導高校能源管理及節(jié)能監(jiān)管平臺的建設。在高校能源資源消耗中，水電消耗占據(jù)了很大一部分，如何通過新技術新手段建設智慧節(jié)能平臺，實現(xiàn)對水電用量的有效管理是當前高?？滩蝗菥彽膯栴}。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于高校水電節(jié)能管理平臺建設中，對校園能耗進行計量監(jiān)控，分析用能問題，減少能源浪費，挖掘節(jié)能潛力，提高節(jié)能意識，實現(xiàn)校園水電的節(jié)能管理，有助于推進節(jié)約型校園的建設。

一、高校水電節(jié)能平臺建設的必要性

（一）控制節(jié)點分散

水電消耗是高校能源消耗的重要組成部分，具有控制節(jié)點分散、使用時段不固定等特點。高校師生人數(shù)眾多、區(qū)域分散，其中教學區(qū)、辦公區(qū)、生活區(qū)，每個區(qū)域在不同時段的水電消耗又不一致，每個區(qū)域在特定時段都有可能出現(xiàn)高能耗狀態(tài)，傳統(tǒng)的水電管理無法解決水電資源合理分配的問題。而且由于控制節(jié)點過于分散，在某些區(qū)域不可避免地會出現(xiàn)能源浪費的現(xiàn)象，特別是在設備、設施損壞又無人發(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，運用物聯(lián)網(wǎng)技術來建設高校水電節(jié)能平臺能有效進行節(jié)點監(jiān)控，提高能效管理，使水電資源分配更合理、利用更高效。

（二）設備設施老化

設備設施陳舊老化是出現(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，在長期的使用過程中，大部分高校的水電供應設備出現(xiàn)機器老化、功能落后的情況，而對于老化設備，由于維護不及時容易造成能源的過度消耗。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)的水電管理無法發(fā)現(xiàn)設備設施老化帶來的能源浪費問題。因此，可以通過建設基于物聯(lián)網(wǎng)的高校水電節(jié)能平臺，實時監(jiān)控學校水電設備的使用和運行情況，對故障設備進行精準定位，一旦發(fā)現(xiàn)設備異常立即報警，通過平臺提供的報錯信息分析故障產(chǎn)生的原因，力求在最短的時間內(nèi)排查故障、阻止能源浪費。

（三）管理模式落后

目前，多數(shù)高校的水電管理系統(tǒng)仍停留在水電計量、水電充值等初級階段，水電管理模式比較落后，缺陷較多，對水電節(jié)能管理效率不高，無法滿足智慧型、節(jié)約型校園管理的新標準、新要求。尤其是在水電數(shù)據(jù)采集方式上，存在精確度差、自動化水平低等缺點。建設基于物聯(lián)網(wǎng)的水電節(jié)能管理平臺，利用智能設備進行數(shù)據(jù)采集，運用大數(shù)據(jù)技術進行數(shù)據(jù)分析、處理，通過平臺的云計算功能預估全年的水電消耗量，對水電消耗的實際情況進行精準計量、實時監(jiān)測、能耗分析、高效管理。

（四）節(jié)能意識薄弱

目前，部分高校沒有真正實現(xiàn)節(jié)能目標管理。仍存在重學生輕教師，重生活區(qū)輕教學區(qū)的思維慣性，節(jié)能意識薄弱，節(jié)能監(jiān)管不到位。很多人認為浪費一點點水電只是小事情，沒有形成節(jié)能意識、養(yǎng)成節(jié)能習慣，沒有形成全員節(jié)能的氛圍。重視高校水電節(jié)能管理平臺的建設，運用物聯(lián)網(wǎng)和云計算來規(guī)范能耗統(tǒng)計、進行能耗分析、監(jiān)督控制水電使用情況，能幫助全員增加節(jié)能意識、落實節(jié)能行動、實現(xiàn)節(jié)能管理目標，促使高校能源監(jiān)管工作向更廣泛、更深入、更科學的方向發(fā)展。

二、水電節(jié)能平臺建設的關鍵技術

（一）物聯(lián)網(wǎng)

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

（二）傳感器技術

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

（三）短距離無線通信技術

短距離無線通信技術主要包括ZigBee、藍牙、Wi-Fi、超寬帶技術（UWB）、NFC等技術，其具有三個重要特征，即低成本、低功耗和對等通信。按數(shù)據(jù)傳輸速率可以分為高速短距離無線通信技術和低速無線通信技術兩類，不同的短距離無線通信技術具有不同的優(yōu)點和缺點，適用于不同的物聯(lián)網(wǎng)應用場景。Wi-Fi是目前應用最廣泛的無線通信技術，ZigBee的優(yōu)勢是低功耗和自組網(wǎng)，藍牙的優(yōu)勢是組網(wǎng)簡單。這三種無線技術特點如表1所示，從傳輸距離來說，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍牙;從功耗來說，是Wi-Fi﹥藍牙﹥ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可;從傳輸速率來講，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥藍牙?；谝陨咸攸c在智能水電管理系統(tǒng)中，智能電表、智能水表等智能設備的組網(wǎng)采用ZigBee技術組網(wǎng)，嵌入式控制器與Internet連接采用Wi-Fi技術。

（四）嵌入式技術

水電節(jié)能管理系統(tǒng)中需要大量的節(jié)能設備不在依賴人與人之間的交互產(chǎn)生聯(lián)系，更多通過協(xié)議、通信、程序設計等方式連接到一處。例如，在路燈系統(tǒng)中當光照強度到達一定閾值時則關閉路燈，光照強度低于閾值時開啟路燈，這就需要嵌入式技術的支持。嵌入式技術是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)技術。作為水電節(jié)能平臺的核心，嵌入式控制器通過各區(qū)域內(nèi)的傳感器和控制設備對各區(qū)域水電消耗情況進行監(jiān)控。

三、水電節(jié)能平臺建設方案

智慧水電節(jié)能平臺如圖1所示，采用最新信息化與物聯(lián)網(wǎng)技術設計，平臺整體架構合理，具有一定的開放性和兼容性。平臺監(jiān)控軟件與嵌入式控制器構成C/S模型。平臺包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、節(jié)能監(jiān)測系統(tǒng)、節(jié)能控制系統(tǒng)和節(jié)能服務系統(tǒng)，在安全、可擴展移植性等方面做了充分考慮。通過數(shù)據(jù)采集終端采集水、電、空調(diào)、路燈、灌溉等用電用水設備的信息，再由嵌入式控制器根據(jù)采集到的信息進行實時監(jiān)控管理與大數(shù)據(jù)分析達到水電精準控制，同時平臺服務系統(tǒng)在提供水電查詢基礎服務之外增加了節(jié)能提醒服務，幫助師生養(yǎng)成良好的節(jié)能習慣。

（一）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

校園內(nèi)水電消耗量的監(jiān)測及處理由基于ZigBee技術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、光照強度傳感器、與溫濕度傳感器等，采用ZigBee技術進行組網(wǎng)，數(shù)據(jù)終端與協(xié)調(diào)器組成星型網(wǎng)絡，由協(xié)調(diào)器匯聚傳感器模塊采集到的溫度、濕度、光照強度等能源信息通過Wi-Fi網(wǎng)關傳輸至嵌入式控制器。當協(xié)調(diào)器收到嵌入式控制器的控制命令，根據(jù)節(jié)點編號與設備類型發(fā)送控制命令，對需要控制的設備節(jié)點進行開啟設備或關閉設備，以達到節(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)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)構成，是水電節(jié)能平臺的基礎和核心，也是平臺建設的首要內(nèi)容。監(jiān)測系統(tǒng)對校園的教學區(qū)、生活區(qū)、運動區(qū)等各個區(qū)域進行供電、供水參數(shù)的實時監(jiān)測，通過平臺監(jiān)控軟件實時掌握水電的用量，能清楚地了解“水電去哪兒了”這個核心問題?？刂葡到y(tǒng)對水電的在監(jiān)測系統(tǒng)獲取精準計量以后，在云平臺大數(shù)據(jù)的分析下進行判斷有針對性的開展節(jié)能控制，通過可靠性較高的TCP/IP協(xié)議與嵌入式控制器完成數(shù)據(jù)傳輸從而實時遠程控制，重點解決如何進行水電節(jié)能管理的問題。主要是對變電所、水泵房、路燈等基礎設施進行遠程智能監(jiān)控，保障重點設備的可靠、高效、低耗運行。

（三）節(jié)能服務系統(tǒng)

在節(jié)能服務系統(tǒng)中設置了充值繳費、信息查詢、欠費提醒等基本功能，師生可以通過網(wǎng)頁、手機APP、微信等方式隨時了解自己的用量信息。同時設置了節(jié)能榜單、能源足跡、綠色生活等引導功能，目的是引導人們養(yǎng)成良好節(jié)能行為，在節(jié)能活動中人才是主體，只有解決好如何養(yǎng)成節(jié)能意識的問題，才能杜絕人對設備的不當使用造成的能源浪費，才能真正解決節(jié)能的根本問題。通過提高師生對自身能源消費的關注度和透明度，促進了能源的理性消費和自我管理，從被動的節(jié)能行為變?yōu)橹鲃拥墓?jié)能行為。

四、對水電節(jié)能平臺的幾點建議

本文分析了高校水電節(jié)能平臺建設的必要性，介紹了建設平臺所需的關鍵技術，設計了高校水電節(jié)能管理平臺的建設方案。在方案實施過程中需要注意以下幾點：第一，整個方案中通信方式均為無線通信，但數(shù)據(jù)采集終端可根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況進行有線組網(wǎng);第二，平臺以大數(shù)據(jù)作為依托，在建設時需考慮服務器容量的問題;第三，平臺的功能可根據(jù)學校實際情況進行調(diào)整，以方便能源管理;第四，加強平臺運維工作人員的專業(yè)素質(zhì)，確保平臺的正常運行。

參考文獻：

[1]侯瑞.基于能量感知WSN的田域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[D].南京：南京信息工程大學，2017.

[2]胡俊立.淺談物聯(lián)網(wǎng)在高校智慧校園建設中的應用[J].智能城市，2019，5（18）：26-27.

[3]彭華林.物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧校園建設中的應用[J].科技資訊，2019，17（19）：19-20.

[4]郝樂，郭廣翠.高校節(jié)能監(jiān)管平臺建設現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].建設科技，2017（14）：63-65.

[5]羅夏，劉羽.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的高校智慧校園建設應用研究[J].科技視界，2019（17）：231，241.