摘要：針對目前校園電能監(jiān)測現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了校園電能監(jiān)測系統(tǒng)的各功能模塊組成結(jié)構(gòu)，并給出了后臺工程管理模塊的設(shè)計(jì)，即基于后臺工程化管理，通過設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)支持多種終端設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，在軟件設(shè)計(jì)和電能監(jiān)測管理方面具有一定的先進(jìn)性。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)：電能監(jiān)測；設(shè)備建模
0.引言
目前大部分院校只能通過自動抄表系統(tǒng)查看校園整個用電能耗，并不能實(shí)時監(jiān)測各建筑、房間電能消耗情況，無法適應(yīng)節(jié)能型校園的發(fā)展要求，因此需要在校園中應(yīng)用電能監(jiān)測系統(tǒng)，科學(xué)的管理校園各區(qū)域及樓宇的用電情況。目前常見的電能監(jiān)測的方式有兩種：傳統(tǒng)的手持式抄表機(jī)，這種儀表功能單一，攜帶方便，不能夠連續(xù)監(jiān)測，測量勞動強(qiáng)度大，多數(shù)不具備綜合測量、分析、判斷功能；電能遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用zigBee、GPRS等無線通信方式，利用Internet網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測，但這種測量結(jié)果展示不夠直觀，且不具備、自動診斷等功能。
自從物聯(lián)網(wǎng)概念提出以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能耗監(jiān)測系統(tǒng)中。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，針對目前校園電能監(jiān)測的現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中感知層的電能采集終端從用電設(shè)備上采集電能參數(shù)；傳輸層中的智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)完成R$485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過校園網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳給應(yīng)用層；應(yīng)用層的監(jiān)測中心完成數(shù)據(jù)的存儲、分析處理，并向客戶端提供Web服務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)融入工程化、模塊化的設(shè)計(jì)思想。后臺完成設(shè)備建模方法實(shí)現(xiàn)檢測設(shè)備的管理，以組織建模的方法完成設(shè)備所屬組織關(guān)系的管理，滿足系統(tǒng)對設(shè)備多維化、精細(xì)化管理需求。同時后臺利用設(shè)備模板、組織模板的擴(kuò)展功能屬性和復(fù)用屬性，實(shí)現(xiàn)后臺數(shù)智能化存儲?？茖W(xué)的工程化后臺管理是整個系統(tǒng)的核心，是穩(wěn)定、極速、人性化的前臺根本保障。
1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
一個完整的電能監(jiān)測系統(tǒng)可以對電力系統(tǒng)中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和遠(yuǎn)程發(fā)布，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個層次，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示
圖1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
感知層的電能采集終端的作用是將原始電壓、電流信號采集并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，完成電能參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，并通過RS485總線將數(shù)據(jù)上傳到智能網(wǎng)關(guān)。本設(shè)計(jì)的電能采集終端可以支持多種電表，如三相四線電子式有功電能表、單相遠(yuǎn)程費(fèi)控智能電表、智能電網(wǎng)多功能電表等。系統(tǒng)中一些功能是建立在特定表具上的，例如：電流、電壓的趨勢分析，對應(yīng)的表具要存在供采集的電流、電壓參數(shù)；功率趨勢分析也需要可提供功率變量的表具。
傳輸層的功能是把來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸，通過校園網(wǎng)上傳給應(yīng)用層。智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)通過RS485總線接收數(shù)據(jù)，完成RS485總線協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，將終端電表上傳來的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行本地分析，并通過校園網(wǎng)將數(shù)據(jù)壓縮打包上傳至應(yīng)用層。網(wǎng)關(guān)根據(jù)系統(tǒng)策略分整點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)、異常數(shù)據(jù)上報(bào)與修復(fù)、網(wǎng)關(guān)離線處理等，同時網(wǎng)關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)短時間的數(shù)據(jù)儲存，當(dāng)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器斷開連接時，電表上報(bào)的數(shù)據(jù)將暫時存儲在網(wǎng)關(guān)中，當(dāng)連接正常后再將這些數(shù)據(jù)上報(bào)上去。
應(yīng)用層的監(jiān)測中心由平臺服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和客戶端組成。監(jiān)測中心使用以太網(wǎng)通信協(xié)議接收智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集上來的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。應(yīng)用服務(wù)層采用B/S開發(fā)架構(gòu)，平臺服務(wù)器完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)保存工作，并向客戶端提供Web服務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)的可靠存儲和查詢等任務(wù)?？蛻舳斯┯脩舴奖愕赝瓿蒞eb瀏覽。本系統(tǒng)支持多種客戶端終端設(shè)備如計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)等，可供用戶隨時監(jiān)測校園內(nèi)的用電情況。同時，平臺服務(wù)器還可以把數(shù)據(jù)存儲在云端，提供云服務(wù)，方便用戶的遠(yuǎn)程訪問。
2.系統(tǒng)功能模塊組成
本設(shè)計(jì)的功能模塊分為數(shù)據(jù)采集與存儲模塊、前臺展示模塊和后臺工程管理模塊三個部分，系統(tǒng)功能模塊圖如圖2所示。后臺的工程管理模塊支持前臺的展示和管理整個電能計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)。
圖2系統(tǒng)功能模塊圖
2.1數(shù)據(jù)采集與存儲模塊
數(shù)據(jù)采集模塊完成與智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信、數(shù)據(jù)采集、解析和保存工作，采用自動、手動相結(jié)合的采集方式，并對通信過程提供完善的日志管理、事件管理和故障檢測機(jī)制。數(shù)據(jù)存儲模塊根據(jù)上報(bào)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分項(xiàng)存儲，根據(jù)存儲策略，平臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲至本地?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)器和遠(yuǎn)程(云存儲)數(shù)據(jù)中心?？蛻舳藢⒄埱笮畔l(fā)送給平臺服務(wù)器，平臺服務(wù)器在和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間交互后，將處理結(jié)果返回給客戶端。
2.2前臺展示模塊
前臺展示模塊設(shè)計(jì)為實(shí)時數(shù)據(jù)展示、用電明細(xì)、用電統(tǒng)計(jì)、用電分析、電能定額管理、綜合信息管理六大模塊。
1)實(shí)時數(shù)據(jù)展示
電能實(shí)時數(shù)據(jù)展示以秒為單位對監(jiān)測電表和參數(shù)實(shí)時顯示。數(shù)據(jù)展示采用可縮放矢量圖形(SVG)技術(shù)設(shè)計(jì)表頭和24h數(shù)據(jù)實(shí)時展示。展示效果更逼真、直觀。表頭模仿真實(shí)表頭，功能、液晶屏效果。表頭液晶屏功能輪顯方式。多頁多條數(shù)據(jù)可上下翻頁顯示等功能。24h實(shí)時數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)根據(jù)參數(shù)不同，分為柱狀圖展示、餅圖顯示和曲線圖展示。
2)用電明細(xì)
建筑用電明細(xì)可以提供每棟樓及其各房間的用電明細(xì)。用戶可以根據(jù)條件查詢房間所屬部門、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時間等明細(xì)信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細(xì)，導(dǎo)出格式為PDF、CVS等。部門能耗明細(xì)可以提供各組織部門的用電明細(xì)。用戶可以根據(jù)條件查詢部門所在房間、電表起始示數(shù)、電表終止示數(shù)、用電度數(shù)、用電類型(性質(zhì))、表地址(倍率)及通信時間等明細(xì)信息，并根據(jù)需要導(dǎo)出查詢明細(xì)，導(dǎo)出格式為PDF、CvS等。
3)用電統(tǒng)計(jì)
用電統(tǒng)計(jì)是為了讓用戶更好地了解能耗的使用情況，為節(jié)能提供良好的保障。從使用者角度考慮系統(tǒng)分為建筑用電統(tǒng)計(jì)和部門用電統(tǒng)計(jì)兩種統(tǒng)計(jì)方式。建筑用電統(tǒng)計(jì)是以設(shè)備物理原始位置為統(tǒng)計(jì)方式，部門用電統(tǒng)計(jì)是根據(jù)后臺系統(tǒng)的用電屬性，按組織劃分的統(tǒng)計(jì)方式，主要包括用電年度臺賬、用電月度臺賬、用電年度匯總、用電月度匯總等。
4)用電分析
建筑能耗分析和部門用電分析中通過圖文結(jié)合的方式提供查詢分析，包括按建筑比較、按建筑逐日、按建筑逐月、按用電性質(zhì)、按用電分項(xiàng)幾個分項(xiàng)，使數(shù)據(jù)顯示更為直觀。
5)電能定額管理
電能定額管理是通過配置定額信息對能源進(jìn)行定額管理的一個過程。包括定額一覽、定額使用明細(xì)和能耗結(jié)構(gòu)分析三部分。定額管理中包括上一級部門信息、本部門信息和定額信息，是通過對部門基本信息的管理進(jìn)行能源的定額分配；定額分配明細(xì)是本年度部門能源分配和使用的明細(xì)情況；能耗結(jié)構(gòu)分析體現(xiàn)了各能耗類型在總耗能內(nèi)的分布比例。
6)綜合信息管理
系統(tǒng)對能耗的綜合管理，包括綜合信息預(yù)覽、基礎(chǔ)信息管理兩個部分。綜合信息預(yù)覽中顯示實(shí)時用電電表分布、本年部門用電排名等信息?；A(chǔ)信息管理中顯示用電分項(xiàng)配置列表、電表倍率查詢列表等信息。
2.3后臺工程管理模塊
后臺工程管理是系統(tǒng)運(yùn)行的核心和基礎(chǔ)，軟件通過設(shè)備模板建模，組織機(jī)構(gòu)建模實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理和組織機(jī)構(gòu)的管理，系統(tǒng)通過軟件建模實(shí)現(xiàn)公用接口，可向第三方提供接口，進(jìn)行二次開發(fā)和對接服務(wù)。后臺工程管理模塊分為設(shè)備模板、設(shè)備管理、組織機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)維護(hù)四個部分。
3.后臺工程管理模塊設(shè)計(jì)
后臺工程管理完成從數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)整理、采集設(shè)備的管理、設(shè)備模板的配置、組織管 理、系統(tǒng)使用者的權(quán)限分配、系統(tǒng)維護(hù)等。設(shè)備管理、組織管理好壞直接影響到前臺數(shù)據(jù)展示的合理性、科學(xué)性，及數(shù)據(jù)展示的效果。設(shè)備管理、組織管理的核心又是設(shè)備管理建模的設(shè)計(jì)和組織管理模板建模的設(shè)計(jì)。
3.1設(shè)備模板
設(shè)備模板功能屬性及方法設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3設(shè)備模板功能屬性及方法設(shè)計(jì)圖
設(shè)備模板是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，也是整個工程管理的焦點(diǎn)。設(shè)備模板設(shè)計(jì)的是否合理、是否全面，關(guān)系到整個系統(tǒng)的科學(xué)合理性。設(shè)備模板的設(shè)計(jì)核心又是設(shè)備模板建模、設(shè)備變量的設(shè)計(jì)。本設(shè)備模板變量設(shè)計(jì)分4個主要模塊：
(1)變量基本信息設(shè)計(jì)如表1所示。
(2)變量通信參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。
(3)變量參數(shù)設(shè)計(jì)如表3所示。
(4)變量濾波參數(shù)設(shè)計(jì)如表4所示。
3.2設(shè)備管理
設(shè)備管理功能屬性及方法設(shè)計(jì)如圖4所示。
設(shè)備管理是基于物理節(jié)點(diǎn)建立的樹形結(jié)構(gòu)樹，用于管理現(xiàn)實(shí)中的組織機(jī)構(gòu)。如同設(shè)備管理是現(xiàn)實(shí)校園的工程或管理人員只需要根據(jù)實(shí)際工程建立目錄樹，添加相應(yīng)設(shè)備，選擇相應(yīng)設(shè)備模板即可。
3.3組織機(jī)構(gòu)
組織機(jī)構(gòu)中的設(shè)備在系統(tǒng)中的映射，組織機(jī)構(gòu)是現(xiàn)實(shí)中的組織機(jī)構(gòu)(學(xué)院、部門、科室等)在系統(tǒng)中的映射。通過組織機(jī)構(gòu)的建立，可以對不同的組織分配不同的權(quán)限，管理相應(yīng)的設(shè)備。
3.4系統(tǒng)維護(hù)
系統(tǒng)維護(hù)選項(xiàng)用于維護(hù)系統(tǒng)。校園的系統(tǒng)管理者查看在線網(wǎng)關(guān)、在線設(shè)備等，觀察其運(yùn)行信息，及時發(fā)現(xiàn)問題并及時解決；查看在線用戶，觀察用戶的登錄狀態(tài)信息；查看在線設(shè)備和在線網(wǎng)關(guān)的實(shí)時報(bào)文，以判斷這些網(wǎng)關(guān)或設(shè)備所處的狀態(tài)，可以在平臺上調(diào)試數(shù)據(jù)庫信息，查看數(shù)據(jù)庫狀態(tài)。
4.安科瑞建筑能耗分析系統(tǒng)
4.1概述
Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計(jì)，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習(xí)慣，有效節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關(guān)規(guī)定實(shí)施能源計(jì)算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實(shí)可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報(bào)送能源計(jì)算報(bào)告。
4.2應(yīng)用場所
適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)。
4.3系統(tǒng)功能
4.3.1系統(tǒng)概況
平臺運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。
4.3.2用能概況
對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項(xiàng)等用能進(jìn)行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計(jì)對比、總能耗同環(huán)比對比。
4.3.3用能統(tǒng)計(jì)
對建筑、區(qū)域、分項(xiàng)、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報(bào)表的形式統(tǒng)計(jì)對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，支持報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。
4.3.4復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計(jì)
復(fù)費(fèi)率報(bào)表按日、月、年統(tǒng)計(jì)對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。
4.3.5同比分析
對建筑、分項(xiàng)、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報(bào)表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。
4.3.6能源流向圖
能源流向圖展示單棟建筑時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。
4.3.7夜間能耗分析
夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計(jì)對比，支持導(dǎo)出報(bào)表。
4.3.8設(shè)備管理
設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。
4.3.9用戶報(bào)告
用戶報(bào)告針對選定的建筑自動統(tǒng)計(jì)各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報(bào)告可編輯。
5.系統(tǒng)硬件配置
6.結(jié)語
文中提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的校園電能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，該方案重點(diǎn)以基于后臺工程化管理，用設(shè)備建模、組織建模的方式來管理整個電能監(jiān)測系統(tǒng)，供施工單位、管理人員使用。前臺頁面用于展示和數(shù)據(jù)分析供系統(tǒng)管理者分析使用。本方案在軟件設(shè)計(jì)的角度和電能監(jiān)測管理的角度上具有一定的先進(jìn)性和科學(xué)性。
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