南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡峰 陳愷

智慧能耗管理系統(tǒng)充分運(yùn)用現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)手段，以云平臺(tái)媒介，輔以數(shù)據(jù)挖掘、現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)分析、運(yùn)籌優(yōu)化等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)從樓宇實(shí)時(shí)用能監(jiān)測(cè)、用能數(shù)據(jù)智能分析、智能告警到智能調(diào)節(jié)的能耗數(shù)據(jù)反應(yīng)鏈的監(jiān)管[1]。真正意義上可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與測(cè)量能耗信息，是節(jié)能減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的有力保障。

當(dāng)今社會(huì)下，節(jié)能減排已然成為最受關(guān)注的社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題之一，雙碳戰(zhàn)略作為國(guó)之大計(jì)不僅是我國(guó)體現(xiàn)大國(guó)擔(dān)當(dāng)?shù)闹匾e措，也是為了契合我國(guó)的國(guó)家安全與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)人類的生存環(huán)境、對(duì)各行各業(yè)有著深遠(yuǎn)的影響。

當(dāng)今城市內(nèi)的很多樓宇在外觀結(jié)構(gòu)上相比以往已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，而內(nèi)部電器的智能化程度并不是很高，很多設(shè)備在非必要環(huán)境下依然持續(xù)運(yùn)行，產(chǎn)生較多的冗余用電情況；同時(shí)目前大部分樓宇對(duì)于用能監(jiān)管情況的體制比較落后，這是現(xiàn)代樓宇實(shí)現(xiàn)智能化進(jìn)程中的一大障礙，所以建設(shè)一套體系完整的樓宇能耗管理系統(tǒng)是非常有必要的。

1 課題研究基礎(chǔ)和意義

近年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速崛起，為建設(shè)智慧能耗系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和研究環(huán)境，以及非常可觀的市場(chǎng)前景，推進(jìn)樓宇的智慧能耗系統(tǒng)是現(xiàn)代化樓宇發(fā)展的必然結(jié)果。智慧能耗系統(tǒng)利用傳感器在各個(gè)用能節(jié)點(diǎn)將能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，發(fā)送回云端服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)用能過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)下的用能需求，智能化調(diào)節(jié)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的用能方案，挖掘節(jié)能的潛力[2]，對(duì)能源管控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能化管理，減少了能源管理的人力成本，降低不必要的能源消耗，最大限度的提高能源利用率，提高環(huán)境質(zhì)量，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

但目前我國(guó)現(xiàn)代樓宇數(shù)量不斷增加，樓宇內(nèi)部的能耗設(shè)備的規(guī)模也進(jìn)一步大幅度提升，傳統(tǒng)的平臺(tái)已經(jīng)難以滿足簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集、通信、存儲(chǔ)、分析工作，并且存在靈活性較差、魯棒性較差、系統(tǒng)部署相對(duì)復(fù)雜等問(wèn)題[3]，所以本課題提出在云組態(tài)管控架構(gòu)下，搭建一種新型的樓宇能耗管控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能需求分析

智慧能耗系統(tǒng)主要針對(duì)寫(xiě)字樓中常涉及到的燈具、空調(diào)及電梯等重耗能設(shè)備，根據(jù)功能拆分梳理，保證不同模塊的邊界，在各模塊中完成各種任務(wù)的開(kāi)發(fā)然后與實(shí)際設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)系統(tǒng)按主要包含以下幾個(gè)模塊：

（1）能耗數(shù)據(jù)采集模塊。能耗數(shù)據(jù)采集功能是系統(tǒng)最基本的功能了，能夠明確各設(shè)備的耗能情況，一般包括電能耗和水能耗監(jiān)測(cè)。

（2）能耗數(shù)據(jù)分析模塊。可對(duì)歷史用能情況進(jìn)行查詢，以圖表對(duì)比的方式呈現(xiàn)耗能趨勢(shì)；進(jìn)行綜合用水、用電等數(shù)據(jù)的分析。

（3）能耗診斷優(yōu)化模塊。自動(dòng)檢測(cè)各設(shè)備狀態(tài)并自動(dòng)生成報(bào)表，根據(jù)預(yù)設(shè)的診斷依據(jù)檢測(cè)設(shè)備耗能情況給出診斷結(jié)果，對(duì)耗能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化控制，諸如自動(dòng)燈控、自動(dòng)中央空調(diào)。

（4）告警模塊。對(duì)不正常的操作以及能耗使用事件進(jìn)行告警，包括時(shí)間、告警級(jí)別、告警類型、告警內(nèi)容。

3 能耗管控系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的框架圖如圖1所示，在這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中分為應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層4個(gè)層面。應(yīng)用層是用戶直接接觸的前臺(tái)層次，所有的圖表數(shù)據(jù)顯示以及用戶操作都在該層完成，主要使用HTML5、VUE等技術(shù)在B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，對(duì)不同的用戶終端都有良好的兼容性；平臺(tái)層為軟件的后臺(tái)層次，所有的數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)、診斷報(bào)告和優(yōu)化方案的生成、告警的生成都在該層完成，使用Java語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)層是鏈接軟硬件的紐帶與橋梁，利用無(wú)線或有線等實(shí)時(shí)通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保障整個(gè)系統(tǒng)的順利運(yùn)行；感知層為最底硬件層，通過(guò)智能水流計(jì)、氣流計(jì)、電能計(jì)等傳感器設(shè)備收集耗能設(shè)備數(shù)據(jù)和控制調(diào)節(jié)耗能設(shè)備的能耗[4]。

圖1 整體系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Overall system architecture

3.2 耗能數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

（1）耗能數(shù)據(jù)表單設(shè)計(jì)。

能耗數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)字段設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 智能終端信息采集字段設(shè)計(jì)表Tab.1 Intelligent terminal information collection field design table

（2）傳感數(shù)據(jù)采集部分代碼：

void get_sensor(SensorType type)

{ switch(type) {

case Kongkai_Sensor://當(dāng)前空開(kāi)電流傳感器

read_io =Switching_Value();

mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;

case Voltage_Sensor://當(dāng)前空氣質(zhì)量傳感器

vol =Get_Voltage();

inbuf[1]=vol; break;

case TemHum_Sensor://當(dāng)前溫度傳感器

call_sht11(&sensor_tem, &sensor_hum);

holdbuf[0]=(u16)(sensor_tem<<8)+sensor_hum; break;

case LED_Sensor://當(dāng)前溫度傳感器

read_io =Switching_Value();

mb_funcdisc_states.val.disc_BIT0=(unsigned)read_io; break;

...}

3.3 耗能數(shù)據(jù)可視化

該模塊使用SQL Server從上一模塊中取得采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，生成實(shí)時(shí)功率、實(shí)時(shí)水流量、分時(shí)用電量、分時(shí)用水量、總用水量、總用電量等數(shù)據(jù)，并以圖表的方式呈現(xiàn)給前臺(tái)用戶；并在后臺(tái)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告的圖表，以詳細(xì)的時(shí)間、空間等維度構(gòu)建二維圖表，再輔以細(xì)致的條目顯示來(lái)完善數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)對(duì)接部分代碼：

void USART2_IRQHandler()

{{Uart2_Buffer[Uart2_Rx]= USART_Receive Data (USART2); //接收數(shù)據(jù)并

Uart2_Rx++; //存儲(chǔ) }

if(Uart2_Rx>50){

for(n=0;n<50;n++) //對(duì)我們接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一位一位的進(jìn)行比對(duì)

{if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x01&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE){//對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定

humi=Uart2_Buffer[n+4]; //將發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接受賦值

printf("用電量為：%.2f ",RoomKK101);//打印到串口方便調(diào)試}

if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x02&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)

{temp=Uart2_Buffer[n+4];

printf("電壓為：%.2f ",voltage); }

if(Uart2_Buffer[n]==0xDD&&Uart2_Buffer [n+1]==0x03&&Uart2_Buffer[n+2]==0x06&&Uart2_Buffer[n+3]==0x01&&Uart2_Buffer[n+5]==0xEE)

{beam=Uart2_Buffer[n+4];

printf("101室溫濕度：%.2f，%.2f ",sensor_tem, sensor_hum);

}}

4 耗能分析及智能聯(lián)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

4.1 耗能數(shù)據(jù)診斷優(yōu)化模塊設(shè)計(jì)

該模塊根據(jù)能耗數(shù)據(jù)分析模塊的分析結(jié)果，進(jìn)行能耗方案的調(diào)節(jié)，對(duì)無(wú)需在線設(shè)備進(jìn)行休眠、對(duì)無(wú)需滿負(fù)載運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行電流電壓的調(diào)整，降低運(yùn)載負(fù)荷從而達(dá)到節(jié)能的目的。數(shù)據(jù)分頁(yè)多線程處理代碼段：

public static List SplitList(List _list, int PageIndex, int PageSize)

{int _PageIndex = PageIndex == 0 ? 1 : PageIndex;

int _PageSize = PageSize == 0 ? 20 : PageSize;

int PageConut = (int)Math.Ceiling(Convert.ToDecimal(_list.Count) / _PageSize);

if (PageConut >= _PageIndex)

{List list = new List();

list = _list.Skip((_PageIndex - 1) * PageSize).Take(_PageSize).ToList();

return list; }

Else

return _list;

}

4.2 燈光智能聯(lián)控模塊

結(jié)合人體紅外感知傳感器，在智能樓宇管控平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)傳感與能耗設(shè)備間聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)人在燈亮，人走燈滅的節(jié)能效果。

execute = function(metabox)

local message = "" --metabox.devices('燈2. LEV').switchSelector(1)

for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do

local name = deviceToCheck['name']

local threshold = deviceToCheck['threshold']

local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo

if ( minutes > threshold) then

metabox.devices('智能空開(kāi).Line.17.Status').switch Off().

metabox.devices('燈2.LEV').switchSelector(100)

4.3 空調(diào)智能聯(lián)控模塊

中央空調(diào)作為現(xiàn)代樓宇中一項(xiàng)重要的能源支出，在此次升級(jí)改造的能耗系統(tǒng)中也是重中之重。通過(guò)讀取設(shè)備溫濕度傳感器或增設(shè)空間溫濕度傳感器，感知環(huán)境溫度變化，設(shè)定閾值后，根據(jù)閾值聯(lián)動(dòng)空調(diào)待機(jī)或運(yùn)行，可有效節(jié)能。

execute = function(metabox)

local message = "" --metabox.devices('溫濕度傳感.LEV').switchSelector(2)

for i, deviceToCheck in pairs(devicesToCheck) do

local name = deviceToCheck['name']

local threshold = deviceToCheck['threshold']

local minutes = metabox.devices(name).last Update.secondsAgo

if ( minutes > threshold) then

metabox.devices('智能空開(kāi).Line.17.Status').switchOn().

metabox.devices('空調(diào)紅外.LEV').switchSe le ctor(300)

5 結(jié)論

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和可控物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的加入，完成某寫(xiě)字樓的數(shù)字化升級(jí)改造。本文主要解決改造過(guò)程中的能耗管控問(wèn)題，針對(duì)能耗具體設(shè)備以及時(shí)間、空間分布，按照不同模塊去設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、診斷優(yōu)化、燈控、中央空調(diào)、智能能耗告警等一系列功能，讓樓內(nèi)的能源使用情況可視化呈現(xiàn)，并讓能源的消耗可控化，降低非必要的能源消耗，提升能源的利用效率，最終達(dá)成節(jié)能的目的，同時(shí)可與其他子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建一個(gè)完整的樓內(nèi)智能生態(tài)系統(tǒng)。

引用

[1]蔡國(guó)榮.樓宇能耗智能管理平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].上海:上海第二工業(yè)大學(xué),2020.

[2]王恒強(qiáng).建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué), 2019.

[3]楊俊杰.大型樓宇智慧能耗系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)分析[J].現(xiàn)代建筑電氣, 2020,11(11):40-46.

[4]呂朝磊.智能樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2018.