浅析基于物联网技术的校园能耗智慧监控平台的设计及应用

0 引言

随着社会经济的飞速发展，人民生活质量不断提高，由此人们对生活和工作的智能化环境关注度也越来越高。当下，人们对建筑消费的重点已从“硬件（装修和耐用的消费品）"消费转向“软件（功能和环境品质）"消费，如何降低保障室内空气品质所需的能耗（空调、通风、采暖、热水供应）成为关注热点。狭义的建筑能耗，即建筑的运行能耗，指人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要组成。据统计，在建筑能耗中，空调能耗占较高比例，约为2/3，建筑能耗与工业能耗、农业能耗及交通运输能耗称为民生能耗，我国空调能耗约占总能耗的22%。

随着近几年校园的不断合并与扩建，我国校园空调持有量持续上升，相应的能耗也随之上涨。倘若维持空调原有能效，预计到2050年，我国校园空调能耗将增长一倍以上。因此，建设建筑节能型校园是低碳绿色城市建设的重要环节之一。通过结合物联网、自动控制和传感等技术，建设校园建筑能耗智慧监控平台，包括校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计和校园建筑能耗空调监控模型的搭建与子系统的设计，从而实现智慧监控，进一步提高校园建筑能耗空调的运行效率，实现节能减排。

1 校园建筑能耗存在的问题

学校是我国公建节能和绿色建筑的重要领域，住建部发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五"规划》中多次提及绿色节能校园建设。在政府大力支持与学校的积极响应下，目前各学校都着力建设绿色节能型校园。但当前学校节能工作仍然面临着很大挑战，存在以下问题。

（1）随着我国城市化进程不断加快，以及国家对教育领域的大力支持与投入，随着校园建筑面积的扩大，以及空调、学生电脑等插电设备的使用，使得能耗问题变得较为严重，

造成建筑能源的很大浪费。

（2）现有的耗电设备智能化程度低，部分学生因节能意识薄弱，时常在离开教室或公共场所时不关空调等耗电设备，而这些耗电设备不会根据环境的变化按时段、按需求和按人数等进行自动调整，也不会根据温湿度、光照度的变化进行多种控制模式的调节，导致浪费大量能耗。

（3）现有校园建筑能耗监控平台技术水平不高。在平台的设计中较少把能耗信息与建筑信息相关联，且数据可视化程度不高，真正对能耗的预测与监控技术应用较少，无法实现节能、低耗、安全和管控等目的。

近几年随着物联网技术、传感技术与云计算技术等的快速发展，考虑到学校巨大的建筑能耗，建设校园建筑能耗智慧监控平台，打造绿色节约型校园势在必行。

2 校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计

通过高效数字化信号采集技术结合物联网相关通信技术，构成了校园建筑能耗智慧监控平台，主要包括智慧用电单相模块、智能插座、智能网关以及云平台等，支持远程管理和控制，可根据控制策略实施联动管理。校园建筑能耗智慧监控平台总体设计如图1所示。

该平台的设计采用物联网三层架构体系与云数据中心相连，通过无线传感模块对是否有人、温湿度等环境数据进行采集，利用智能电源控制器实时正确地掌握空调等智能硬件设备的工作状态，建立各类安全策略，对异常状态及时报警，运用ZigBee技术接入智能物联网网关，采用 4G，5G，WiFi，以太网等网络通信技术接入云平台，实现了在无人或人少的情况下，按时段、按需求、按环境等对智能设备进行控制，避免无人空调未关、温湿度适宜空调仍高速运转等现象，实现空调根据环境自动调节温湿度等多种控制模式，达到节能降耗要求。云平台对电量数据、能耗信息进行了长期存储，方便查询，便于用户了解用电量，实现对校园建筑能耗的实时监控。

3 校园建筑能耗空调监控子系统的设计

根据现有校园的特点，提供两种方式进行温湿度控制，即通过智能电扇控制终端来管理电扇的速度以及运行，允许远程调节风扇档位，或通过温湿度感知、环境智控终端及空调构成一套温湿度控制系统，如图2所示。

3.1 空调监控子系统

智慧温湿度环境系统（空调）主要由温湿度智能感知模块、环境智控终端、无线控制模块（可控制空调并带有自学习功能）、学校现有空调组成，可以扩充网关接入智慧环境管控平台，支持移动端和 PC 端设备远程控制和管理。温湿度智能感知模块高速、高精度地检测环境温湿度后将数据传送给环境智控终端。环境智控终端根据手动或远程配置好的控制策略进行空调运行控制 ；无线控制模块负责对空调设备进行无线控制。子系统组成如图 3 所示。

利用云计算技术通过云平台实现对传感模块实时数据的 长期存储与正确显示，控制空调等智能硬件设备产生的监测数据，方便对其进行长期管理。

3.2 空调监控子系统功能需求

（1）支持特定情况下手动设置运行温度控制目标，设备根据环境的真实测量值，自动控制环境温湿度直至达到手动设定的目标值 ；

（2）能够自动识别教室环境的温度、湿度，根据设置好的目标参数自动调节空调运行，控制空调的制热、制冷、除湿，确保教室环境始终处于恒定舒适状态 ；

（3）支持空调等设备的远程管理，可以远程配置空调管理策略，如温度达到 32 ℃后打开空调，设置时间段关闭空调等 ；

（4）利用采集的环境数据进行自动分析，不断优化环境的控制条件，在确保环境舒适度的前提下，节约能源，优化人力维护和管理成本 ；

（5）实现风扇速度调节和控制，支持风扇远程关闭和开启。

3.3 校园建筑能耗空调监控模型的搭建

结合校园建筑的实际情况与用户使用空调的行为习惯，根据建筑空调子系统的特征和原理，采用物联网等技术实现数据采集。搭建的校园建筑能耗空调监控模型如图4所示。

根据空调的运行原理设计模糊控制器，通过分析历史数据并与相关数据进行比较后建立知识库，对可能产生的问题进行预警，并对用户产生的数据进行诊断与预测，有效降低建筑能耗，实现校园建筑节能目标。

4 高校综合能效解决方案

4.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维， 班组重新优化整合，减少人力配置。

4.2后勤计费管理

采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、 账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

4.2.1宿舍用电管理

针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录。

4.2.2商铺水电收费

针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理。

4.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充"信息能源结构中是必*。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时 开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。

4.3能源管理系统

针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。

构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

4.4智慧消防系统

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化"、“智能化"、“系统化"需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

5.平台部署硬件选型

5.1电力监控与运维平台