安科瑞 鮑靜君

　　摘要：城市建設背景下，對城市建筑能耗管理系統的應用提出更高要求。從當前各類公共建筑物運營情況看，能源消耗問題仍較為突出，傳統依托于計算機、測控單元與通訊設備單位工具的系統管理模式，并不能達到建筑能耗管理目的，在此背景下考慮引入LoRa技術，提高建筑能耗管理系統整體性能，實現控制能源消耗目標。本次研究中主要對LoRa無線技術做簡單介紹，分析智能能耗管理系統形式與性能、提LoRa技術應用下智能建筑能耗管理系統設計思路。

　　關鍵詞：LoRa無線技術；智能建筑能耗管理系統；設計

　　1 前言

　　  作為我國目前大眾關注的主要焦點，能源消耗問題是全社會致力于解決的問題。從相關研究數據統計發現，城鎮耗電量總數中，大型公共建筑耗電量占比高，除電能外，水資源能耗問題也突出。而解決這一現狀的關鍵在于做好大型公共建筑智能建筑能耗管理系統的設計，此時考慮在該系統設計中引入相關的技術作為支撐。因此，本文對LoRa技術應用下智能建筑能耗 管理系統的設計研究，具有十分重要的意義。

　　2 LoRa無線技術基本介紹

　　  關于LoRa技術，是一種有低功耗、超遠距離特征的無線通信技術。與以往物聯網領域中的技術，如藍牙、wifi、Zigbee比較，LoRa技術可實現遠距離的傳輸。從該技術具體特征看，作為無線電調制解調技術，可用于傳輸距離長、數據量小的場景中，有容量大、功耗低、使用壽命長特征，對于該技術相關設備，也有抗干擾能力強、傳輸距離遠、功耗低與體積小等特點，所以應用于建筑能耗管理系統中較為適用，無需過多的運營與維護成本，且能滿足智能化運營要求。將LoRa技術引入下，其中組網網絡通過星型拓撲結構呈現，網關用于終端設備、云端的連接。網關與服務器連接中則借助標準IP實現，終端設備與網關通信中主要選擇單跳模式，節點為雙向通信。另外，從以往實踐研究發現，LoRa技術應用下，網關可對多路信號同時接收與處理，網絡容量較高。由此可見，LoRa技術的應用，除能夠滿 足數據傳輸要求外，有低功耗特點 ，應作為智能建筑能耗管理系統的技術支撐。

　　3 智能化能耗管理系統形式與性能

　　3.1 智能化能耗管理系統解讀

　　  我國近年來城市發展中，將智能建筑作為主要方向，這種建筑類型側重于系統化管理建筑相關的公共安全問題、設備管理問題以及信息設施應用問題等，整個智能建筑集管理、服務、優化于一體，使建筑環境更具節能環保、便捷、安全等特征。我國相關建筑設計規范標準中，也對智能建筑的含義做出相關界定，認為智能建筑實質為統一的建筑環境，被賦予智能化、節能化特點，特別其中的節能化，需從管理、設備與建筑整體上實現節能化。而在此基礎上提出的能源管理系統，則主要利用自動化控制系統完成計算機管理系統程序的編寫，程序內有多個指令，用于采集與分析建筑物設各能耗參數，其中部分指令編寫為操控指令，將在樓字智能控制系統下完成操作過程。

　　3.2 智能化能耗管理系統設計形式與性能

　　  智能能耗管理系統設計與開發，目的在于實時采集建筑樓實時數據，根據采集與監測結果，使遠程管理與控制有具體依據，由于系統運行中強調對設備進行檢測控制，所以在設計形式上主要為分層分布式，具體結構形式涉及現場設備層、網絡通訊層與站控管理層。首先，從站控管理層看，該部分處于系統上層部分，涉及的結構設備包括UPS電源、打印機以及監控主機等，如監控主機設備，運行中負責采集與處理數據，系統內外部數據傳輸需經過監控主機提供的接入口實現，而UPS作為不問斷電源，為系統提供連續供電，若出現斷電情況，站控管理層設備可在UPS電源供電下維持運行。軟件方面，利用人機相容形式，對各類數據做分析、處理，并將結果利用現場聲音、數據或圖形等形式反饋呈現。其次，網絡通訊層，其構成部分包括總線網絡、以太網設備、通訊管理機等，用于數據信息交換，將上位機指令向現場設備傳達，確保設備執行控制指令。具體剖析其中的各組成部分，如以太網設備，主要為以太網交換機，再如通訊管理機，處理采集的數據，且有前置機服務功能，同時利用光纖、雙絞線作為通信介質，或通過無線通訊實現。另外，在現場設備層，其構成主要以智能儀表為主，許多能耗數據均需由該層上傳與存儲，如其中的測量儀表，數據采集過程中在保證數據準確性、完整性的基礎上，實時將數據向數據中心傳輸。

　　4 基于LoRa技術應用下智能建筑能耗管理系統設計研究

　　4.1 系統設計要求

　　  智能建筑發展趨勢下，建筑物能耗系統近年來也成為較多公共建筑物設計中的主要部分，以往系統設計中，主要借助的工具為通訊設備、計算機與測控單元，系統運行中選擇光纖環網、現場總線等組網方式，實現數據的實時采集、開關狀態監測，系統可滿足遠程控制管理要求。值得注意的是，由于數據采集中面臨數據點位過于分散情況，所以在數據傳輸中需考慮如何解決空間距離跨度過大問題，且要求做好中繼器、網關設置等工作。這些均使能耗管理系統應用下面臨較多難題。另外，若從建筑的能耗實際情況看，能耗來源主要集中在動力、照明、生活熱水、空調 、供暖、辦公設備等方面，能耗表現為水、電、氣等，建筑內能源消耗范圍較廣，一般用于能耗問題記錄的主要以冷熱量表、水表與電能表為主，若在數據收集中直接借助人工抄表形式實現，要求配以大量的巡查人員，其意味建筑運營將投入較大的成本。綜合來看，人工抄表形式成本較高，而傳統建筑能耗系統又無法使數據傳輸空間距離跨度大等問題解決，所以考慮引入LoRa無線技術，技術應用下強調向云服務器中傳輸數據，而云服務器中的數據可被管理層讀取，這樣在優化能耗管理系統下，使能耗管理水平提高，保證建筑能源利用效率，達到節能減排的目的。

　　4.2 數據傳輸組網設計

　　  本次研究中所選擇的建筑為醫院建筑，建筑特點表現為各層平面內面積較大，包括多個功能分區，且有較多房間分隔，能耗消耗問題明顯。同時，該建筑以傳統布線方式為主，實際施工中面臨設備光纖成本高、施工量大等特征，做智能化建筑能耗管理系統設計，目前停留在改造階段。改造過程中發現因電纜井的位置，需重復進行布線，投入成本高，且能源浪費明顯，同時改造時可能使原有的系統運行受到影響。在此背景下，考慮引入LoRa技術，即通過無線數據傳輸模式，保證改造進程，節約資源，且降低對系統運營產生的影響。

　　  具體改造設計中，LoRa技術引入下，使整個系統細化為4層，分別為網關、現場采集設備、終端數據處理設備以及云端。系統中現場數據采集設備，包括冷熱量表、水表、遠傳電能表等，借助有線方式與LoRa模塊連接。當數據信號被電表采集后，會向模塊內轉入并轉換，使轉換后的數據向LoRa網關傳入，連接網關、云端服務器，這樣便能滿足上傳與管理數據的目的。同時，設計過程中計算機終端主要設置于管理層，為便于數據調取與能耗情況分析，需將計算機終端接入云端服務器權限開放。此外，系統設計中應保證數據庫的合理設計，用于能耗管理相關數據存儲，為后續管理分析提供依據，使建筑能耗管理過程中有相應的參考。

　　  另外，將星型拓撲結構引入到醫院能耗管理系統中，網關以透明中繼形式呈現，與終端處理設備、云端服務器連接，其中終端設備與多個網關間的通信借助單跳模式實現，網關連接服務器則需有標準IP。考慮到醫院系統設計需求，于頂層機房內布置云服務器、LoRa網關。有實踐研究中發現，每平方公里內，一個LoRa網關可與5000個終端設備連接。因此，醫院僅需將 1個網關設置于頂層機房中既可，既能滿足系統共運行要求，且為配置測試、后期維護帶來便利，有助于整體成本控制。

　　4.3 系統應用效果

　　  本次研究中所選取的醫院樓層共5層，涉及的分區域較多，如急診留觀病房、ICU機房、綠色急救通道、急診急救大廳、門診掛號收費區、門診大廳以及設備機房等，不同區域內均設有相應的計量設備，包括水表、電表等。設計過程中借助LoRa模塊將各設備的數據向網關傳輸，在此基礎上由網關向云端服務器上傳存儲，通過管理層設備可對數據調取分析。同時，本次設計中也提及進行能耗管理數據庫的構建，所以醫院在做能耗問題分析中，可直接從中調取數據，做分類、匯總，預測未來發展趨勢，在此基礎上制定如何做好能耗管理工工作，達到節能降耗的目的。

　　5 安科瑞用能單位能耗在線監測系統

　　5.1 系統概述

　　  工業能耗在線監測系統是一個集成Intranet/Internet網絡技術、GPRS無線傳輸技術、Web Service軟件技術、數據庫技術等于一體的大型數據綜合管理系統。系統為管理者、各級能耗內部用戶、瀏覽者提供了一個訪問的網絡通道，搭建了一個合理的信息傳輸平臺和管理平臺。工業能耗在線監測系統的開發應用為政府管理部門、企業生產管理、計量管理、節能管理提高到一個新的高度，是我們對節能減排、節能降耗實現的一種解決方案。

　　能源組成及監測內容：

圖1 能源組成

圖2 監測內容

　　  用電類：采集采暖、鍋爐、空調、制冷、照明、辦公、電梯、水泵、風機、通風機等耗電設備的用電信息。主要監測其用電量，對于大耗電設備監測其電流、電壓及功率因數等信息。

　　  配電類：采集6kv/10kv配電開關設備、變壓器，狀態信號、電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電能質量、電能等。

　　  用水：自來水和蒸汽；采集具有485通訊功能的智能熱量表、蒸汽流量計、水表等；

　　  用氣：煤氣、天然氣；采集具有485通訊功能燃氣表；

　　  環境參數：采集具有485通訊功能的溫度/濕度計；采暖空調供回水溫度；

　　5.2 系統框架

圖3 系統框架

　　  (1)能源消費管理系統：該系統可以對=用能企業煤、電、油、氣、熱、水等能源和耗能工質進行定期錄入和實時采集，并將收集到的能耗數據進行整理存儲，為匯總分析和上報作數據支持。

　　  (2)能源利用狀況信息報送系統

　　用能企業可通過該系統將企業本年度的《能源利用狀況報告》，報送至市節能監察中心，經初審核后，上傳至省節能監察總隊審核，而后上報國家有關部門。

　　  (3)單位能耗水平識別評價系統

　　利用用能單位能耗數據，對企業用能狀況進行分析評價，查找問題。為政府節能管理部門掌握、分析信息和研究節能改造并制定相關政策措施提供科學的依據和平臺。

　　  (4)決策服務和專家咨詢服務系統

　　系統提供直觀、簡明、快捷的數據信息查詢和決策支持服務。對用能企業的能耗進行科學、合理的咨詢指導，幫助用能企業做出及時、正確、可行的解決方案。

　　  (5)能耗預測、能源安全預警系統

　　通過系統掌握用能企業能源購置、使用、消耗及生產情況，對企業的用能情況進行綜合的評判和分析，對比同期值和限定值，對能耗超標情況予以預警提示。

　　在獲取能源使用的基礎上，進行數據挖掘分析，實現能耗的預測分析功能，為政府相關部門的宏觀決策提供支撐體系。

　　  (6)節能監察及信息發布、法律法規知識培訓系統：

　　通過該系統平臺，可對耗能企業做節能監察工作；發布節能法律法規標準以及能源基礎知識、能源統計知識、節能監測方法等資料；處理日常節能管理工作相關的公文、通知、公告等。

　　5.3 系統網絡結構

　　  系統把數據信息從各個企業的能源監控中心采集到后臺的數據庫系統，經分析與處理，提供分析預測和預警功能。同時通過門戶網站、無線終端等手段為省、市領導以及相關委辦局提供了多方位、可視化的便捷服務。

圖4 系統結構

　　5.4 能耗監測系統產品選型

　　6 結論

　　  LoRa技術的應用為智能化建筑能耗管理系統的設計提供保障。設計做系統設計中，應正確認識到LoR a技術應用優勢，包括低功耗傳輸、遠距離傳輸等，在此基礎上結合建筑能耗管理系統設計需求，將LoRa技術引入其中。具體設計中，主要需從數據傳輸組網設計上著手，保證滿足網關、現場采集設備、終端數據處理設備以及云端各部分運行要求，這樣整個系統運行下能夠實現能耗相關數據的收集、分類、處理等，通過分析數據并預測，為后續能耗管理工作提供依據，推動智能建筑的建設發展 。