劉世棟++朱衛(wèi)國++朱錦泉

摘 要：文中分析了能源管理設備節(jié)能的重要性及如何建設能源管理系統(tǒng)與能源管理系統(tǒng)結合物聯(lián)網(wǎng)技術的趨勢。簡要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結構及相關技術和基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑設備能源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)構架、系統(tǒng)功能、關鍵技術等。

關鍵詞：能源管理；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)構架；系統(tǒng)功能；關鍵技術

中圖分類號：TP311.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

當前我國經(jīng)濟發(fā)展面臨著能源依賴性高但利用率低的問題，節(jié)能對實現(xiàn)國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展至關重要。調查顯示，建筑耗能約占我國社會能耗的1/3，隨著“建設節(jié)約型社會”概念的提出，建筑設備中的節(jié)能應用越來越受到重視，“綠色節(jié)能”已成為樓宇建筑的發(fā)展方向。

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計算模式，代表了下一代信息發(fā)展技術，被稱為下一個萬億級產業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)已列入國家發(fā)展戰(zhàn)略，它的應用將涉及未來社會的各個行業(yè)領域。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的日益成熟，建筑設備物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為智能建筑技術中的關鍵技術，物聯(lián)網(wǎng)技術與智能建筑設備能源管理系統(tǒng)的結合，能夠實現(xiàn)建筑群能耗的統(tǒng)籌管理，符合當代智慧城市的能源管理要求，是現(xiàn)代建筑發(fā)展的必然結果。

1 系統(tǒng)構架

1.1 物聯(lián)網(wǎng)介紹

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來以進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)集成了多種感知、通信與計算技術，不僅使人與人（Human to Human，H2H）之間的交流變得更加便捷，還使人與物（Human to Thing，H2T）、物與物（Thing to Thing，T2T）之間的交流變成可能，最終將使人類社會、信息空間和物理世界（人、機、物）融為一體。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍是互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)技術基礎上延伸和擴展的一種網(wǎng)絡技術，其用戶端延伸和擴展到物品，可實現(xiàn)物品與物品之間的信息交換和通信，實現(xiàn)物與人的聯(lián)系。網(wǎng)絡化、物聯(lián)化、互聯(lián)化、自動化、感知化、智能化是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征。

從國內外的研究情況看，物聯(lián)網(wǎng)的體系結構還未統(tǒng)一。一般可將物聯(lián)網(wǎng)以DCM模型（Devices， Connect， Manage）自下而上分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

（1）物聯(lián)網(wǎng)感知層由各種傳感器、控制模塊、網(wǎng)絡通信模塊以及用于連接感知層與網(wǎng)絡層的智能網(wǎng)關構成，實現(xiàn)物體的識別與環(huán)境的感知以及各類數(shù)據(jù)的采集。

（2）網(wǎng)絡層囊括了服務于物聯(lián)網(wǎng)信息匯聚、傳輸和初步處理的網(wǎng)絡設備和平臺，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，將感知層獲取的各種不同數(shù)據(jù)信息傳遞到處理中心進行處理，包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和延伸網(wǎng)。

（3）應用層主要由各種應用系統(tǒng)組成，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的匯聚、轉換、分析與共享，并為用戶應用提供相應的支撐平臺。關鍵技術包括中間件技術、對象名稱解析服務、云計算、面向服務的體系架構技術、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺及安全等技術，其中云計算是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心，其促進了物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的智能融合。

1.2 系統(tǒng)構架

系統(tǒng)架構由前端到管理中心分別包括終端計量層、網(wǎng)絡接入層、網(wǎng)絡傳輸層、管理中心層幾個部分。

（1）終端計量層主要是前端的各種能源數(shù)據(jù)采集設備，用于采集能耗數(shù)據(jù)并上傳至通訊層，它是構建該能耗管理系統(tǒng)必要的基本組成元素。不僅肩負著采集數(shù)據(jù)的重任，同時也是執(zhí)行后臺控制命令的終端元件。

（2）網(wǎng)絡接入層主要由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關及總線網(wǎng)絡等組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關提供了RS 232、RS 422、RS 485、SPABUS及以太網(wǎng)等各種接口，組網(wǎng)方式靈活，支持點對點通訊、現(xiàn)場總線網(wǎng)絡、以太網(wǎng)等類型的組態(tài)網(wǎng)絡。

（3）網(wǎng)絡傳輸層是將前端采集到的各類能源數(shù)據(jù)信息以IP網(wǎng)絡的方式傳輸至管理中心進行相應處理，為具體功能應用提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）管理中心層針對該系統(tǒng)的管理人員，該層直接面向用戶。管理中心層是系統(tǒng)的最上層部分，主要由能耗管理系統(tǒng)軟件和必要的硬件設備如計算機、打印機等組成。其中軟件部分具有良好的人機交互界面，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議讀取前端采集的現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)信息，經(jīng)自動計算處理，以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場的運行狀況，并可接受管理員的操作命令，實時發(fā)送并檢測操作的執(zhí)行狀況，保證使用單位正常工作。

能耗計量管理功能設計各種符合用戶的報表格式，報表內數(shù)據(jù)嚴格按照各種標準進行計量，用戶只需查找打印即可，極大地方便了操作，提高了工作效率?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)的系統(tǒng)構架如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)功能圖如圖2所示。

2.1 用戶管理

系統(tǒng)軟件設置多達幾百種密碼分區(qū)和密碼設置，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設備維護人員等提供分級密碼，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，建立良好的反事故措施。

為了使實時系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定地運行，整個系統(tǒng)提供可靠的安全保護措施，所有的系統(tǒng)操作員能夠根據(jù)權限大小賦予某項特性，這些特性規(guī)定了各操作員對系統(tǒng)及各種活動的適用范圍，如用戶名、口令字、操作權限及操作范圍等，可保證系統(tǒng)中用戶信息的一致性，降低用戶賬號管理的復雜度及賬號濫用風險，大大提高了信息系統(tǒng)的安全性。

2.2 能耗分類分項統(tǒng)計

對每個部門或者每棟建筑的能源都進行分類分項分析，包括各能源能耗、同比環(huán)比分析、成本分析、各能源用能趨勢分析，并通過折線圖、柱狀圖、堆積圖等方式靈活切換展示。

2.3 能耗對比分析

對比分析主要是對比任意兩個部門或者兩棟建筑之間的能耗對比，可選擇對比成本、總能耗、各能源能耗等，并選擇任意一段時間進行對比，從而更加清晰地了解不同建筑或部門間的能耗差異。

2.4 自動生成能耗統(tǒng)計報告

對整體能耗進行全面的能源審計，通過審計對某部門或某建筑按能源類別、建筑類別等維度的能源使用效率、消耗水平、能源利用的經(jīng)濟效益指標、異常用能情況等進行客觀審計與定量分析，從而發(fā)現(xiàn)部門或建筑節(jié)能的潛力并提出改造意見，給出科學合理的審計報告。

2.5 系統(tǒng)監(jiān)測報警

監(jiān)測報警功能是整個系統(tǒng)的報警中心，主要包括線損監(jiān)測、漏損監(jiān)測、儀表故障監(jiān)測、能耗超標監(jiān)測等，通過該模塊可清楚的知道目前各部門能耗是否良好。

（1）系統(tǒng)具有強大的報警系統(tǒng)，能夠對實時、歷史的報警和事件進行顯示、存儲、查詢等，能夠及時通知操作人員，幫助用戶進行故障監(jiān)控和決策制定。支持多種報警顯示窗口，包括實時報警窗口、歷史報警窗口和查詢窗口。

（2）實時報警窗口顯示最新的報警信息，報警信息被確認或恢復后，報警信息隨之消失。

（3）歷史報警窗口顯示歷史報警事件，包括以往的歷史報警信息、報警確認信息和恢復信息，報警事件的來源是報警緩存區(qū)。

（4）查詢窗口能夠查詢報警庫中的報警事件，報警事件的來源是報警庫。支持多種報警查詢條件，可以按報警時間查詢、報警類型查詢、按記錄類型查詢等方式查詢報警信息。

（5）系統(tǒng)支持自動語音告警、短信告警提示及郵件報警等方式通知管理員。

2.6 報表管理

系統(tǒng)能夠為用戶提供豐富的報表以供用戶查詢，還可以根據(jù)需求靈活定制，所有的報表都可以導出、打印，方便用戶使用。

部門或建筑能耗報表主要展示各部門或各建筑的逐日、逐月、逐年或任意時間段的能耗數(shù)據(jù)。

設備運行報表可查詢重點設備的運行報表，包括設備能耗、設備功率、運行時長、平均功率以及設備的維護和保養(yǎng)信息。

2.7 數(shù)據(jù)手工錄入

對于不具備自動采集條件的能源類型以及暫時不便實現(xiàn)自動監(jiān)測的能源消耗點如煤、油等，系統(tǒng)需預留手動錄入接口，用戶可手工錄入，系統(tǒng)自動匯總錄入數(shù)據(jù)。

2.8 能耗數(shù)據(jù)上報

系統(tǒng)通過定時任務調度自動從管理中心的數(shù)據(jù)庫中提取有效能耗數(shù)據(jù)，按照定義的數(shù)據(jù)交換格式包（參照《國家機關辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術導則》采用統(tǒng)一規(guī)范的格式），進行合并整理打包，發(fā)送到上級數(shù)據(jù)中心，方便上級統(tǒng)一管理。

3 關鍵技術

3.1 硬件技術

3.1.1 設備改進

采用物聯(lián)網(wǎng)技術對能耗采集和傳輸設備進行改進，每臺設備具有全球唯一身份識別的IP地址碼，便于身份識別。能耗采集和傳輸設備除具有應有的數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸功能外，還具有數(shù)據(jù)分層存儲、處理和分析功能，便于能源管理平臺做數(shù)據(jù)校驗和核準，可保證數(shù)據(jù)的準確度。

3.1.2 智能網(wǎng)關

針對使用Lonwork/BACnet/Modbus等現(xiàn)場總線協(xié)議的設備，使用智能網(wǎng)關完成現(xiàn)場總線協(xié)議與IP協(xié)議的轉換、廣播、管理等功能。智能網(wǎng)關直接連接在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡與Inernet網(wǎng)絡之間，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的統(tǒng)一，解決協(xié)議異構帶來的互聯(lián)問題。

3.2 軟件技術

3.2.1 Web Services技術

Web Services的主要目標是在現(xiàn)有的異構平臺基礎上構筑一個與平臺無關、語言無關的技術層，各種不同平臺之上的應用依靠該技術層來實施彼此的連接和集成。Web Services是分布式計算領域一種最新的開發(fā)成果，它基于一些開放的IT標準XML，服務描述語言（Web Services Description Language， WSDL），簡單對象訪問協(xié)議 （Simple Object Access Protocol， SOAP），通用發(fā)現(xiàn)描述與集成 （Universal Discovery Description and Integration， UDDI）等構建，具有更好的開放性、擴展性和安全性。它具備平臺獨立、用戶透明和輕松穿透防火墻等特點，是實現(xiàn)異構系統(tǒng)集成的理想計算模型，引入Web Services技術實現(xiàn)建筑設備各子系統(tǒng)之間和企業(yè)應用之間以及采用不同通信協(xié)議的建筑設備自動化系統(tǒng)之間的無縫集成和及時集成。

3.2.2 中間件技術

物聯(lián)網(wǎng)的中間件是網(wǎng)絡的應用程序和底層采集數(shù)據(jù)設備之間的橋梁，它通過封裝和固化很多通用功能來降低整個管理系統(tǒng)的開發(fā)成本，進而縮短開發(fā)周期。能源管理系統(tǒng)的中間件能夠屏蔽底層傳感器設備、網(wǎng)絡平臺的差異，將感知層的多樣數(shù)據(jù)轉化為通用的對象類型。

3.2.3 云計算

能源管理平臺軟件采用云計算技術架構，云計算技術是構建物聯(lián)網(wǎng)運營平臺的關鍵技術，“云”是一種提供資源的平臺，為用戶提供計算力、存儲空間和信息服務?！霸朴嬎恪奔夹g的運用為建筑設備的實時動態(tài)管理提供了技術支持，確保了建立實用、可靠和高效的智能化信息集成共享平臺，實現(xiàn)了對各類設備設施監(jiān)控信息資源的共享和優(yōu)化管理。

4 系統(tǒng)特點

4.1 系統(tǒng)操作簡單實用

系統(tǒng)具備良好的易學習易操作性，并對能耗情況通過折線圖、柱狀圖、堆積圖進行直觀顯示，方便理解操作，使具備電腦初級操作水平的相關管理人員能通過簡單培訓就掌握系統(tǒng)的操作要領，達到正常操作水平。

4.2 對各類能源設備實時監(jiān)測

運行系統(tǒng)中的能耗數(shù)據(jù)時刻都在發(fā)生變化，超負荷、不平衡等因素將會對配電設備造成巨大的損害，然而這些因素的產生并不是預期的，所以對系統(tǒng)的實時性要求非常關鍵，系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)實時性監(jiān)測，還應對一些必要的事件進行記錄存儲。如果出現(xiàn)設備損壞、能源浪費等非正?，F(xiàn)象，可自動報警通知管理人員，保證用戶對所有能耗設備運行情況及能源消耗情況進行及時了解，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性。

4.3 系統(tǒng)具備可擴展性

系統(tǒng)設計并不是一成不變的，今后可根據(jù)需要對工程進行擴建、改造或者與其他系統(tǒng)兼容、并入等，可以利用系統(tǒng)的預留通訊接口與其他系統(tǒng)實現(xiàn)對接，例如與上級調度系統(tǒng)如樓宇自動化控制系統(tǒng)（BAS）、管理信息系統(tǒng)（MIS）、消防控制系統(tǒng)（FCS）等對接運行時可實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。

4.4 系統(tǒng)穩(wěn)定、易維護

系統(tǒng)具備高可靠性，可保證長期穩(wěn)定運行，同時也要考慮到遭遇意想不到的原因而發(fā)生問題時，能保證數(shù)據(jù)的方便保存和快速恢復，并保證緊急時能迅速打開通道，因此系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)備份及恢復功能，為保證系統(tǒng)的正常運行進一步提供了保障。

5 結 語

“智能”和“綠色”已成為智能建筑的發(fā)展方向，基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)無論在技術上還是應用上都有著巨大的優(yōu)勢，其發(fā)展前景廣闊，必將受到越來越多的關注。智能建筑與物聯(lián)網(wǎng)的結合是大勢所趨，將促進智能建筑縱向的深入發(fā)展，促使智能建筑融入“智慧城市”之中，提升智能建筑的功能，推進“智慧城市”的發(fā)展。

參考文獻

[1] 朱洪波，楊龍祥，于全.物聯(lián)網(wǎng)的技術思想與應用策略研究[J].通信學報，2010，31（11）：2-9.

[2] 張紅.物聯(lián)網(wǎng)技術在智能建筑能源管理中應用的研究[D].西安：長安大學.2013.

（下轉第頁）

（上接第頁）

[3] 王皓，董杰.用云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術對建筑能源管理的思路[J].能源與節(jié)能，2012（8）：1-2.

[4] 白建波，張小松.基于Web Services的樓宇自動化系統(tǒng)和集成技術的研究[J].暖通空調.2005，35（11）：27-34.

[5] 邢智毅.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能建筑系統(tǒng)集成[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2012，2（9）：82-84.

[6]韓輝，李博，郝曉辰，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（5）：44-47.

[7]毛蘇杭，宋蘊璞，劉林.基于工業(yè)網(wǎng)關的鋼鐵企業(yè)實時數(shù)據(jù)采集技術[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2015，5（12）：10-12.

[8]唐昱佳.基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)設計[J].計算機應用與軟件，2011，28（12）：161-164.