摘要：针对高校教学楼节能监管效率低下的问题，从系统总体设计、分层设计、硬件系统设计、软件系统设计、功能测试。 通过对能耗监测系统关键功能的测试，测试结果良好，满足设计要求。

关键词：能源效率监管； 智慧校园； 物联网; 能源管理; 能源消耗数据； 无线上网; 节能改造

0 前言

随着我国社会经济的快速发展，工业化、现代化进程稳步推进，资源能源合理利用等问题也不断影响经济社会发展。 据《2020年中国建筑能耗报告》显示，2005年至2018年期间，建筑运营阶段能源消耗由4.8亿吨标准煤增加到9.5亿吨标准煤，年均增长率5.39%。 《重点用能单位节能管理办法》于2018年5月1日起施行，要求重点用能单位提高能源利用效率，控制能源消费总量。 有效的建筑能耗监测是实现节约型校园的重要组成部分，迫切需要配备能耗监测系统来控制能耗。 本研究针对高校教学楼能耗现状，设计了基于物联网技术的智慧校园建筑节能监管系统。 系统引入WiFi无线传输技术，以理想教室为研究对象，采集温度、流量、功耗数据，建立相应的数据传输内部网络，借助云服务器平台采集数据，对教室空气进行分析空调制冷、供水供暖 校园建筑能源效率清晰可控，校园建筑能耗清晰可控，为节能改造提供依据。

1 系统总体设计

1.1 系统设计框图

基于物联网的能效监测系统由能耗数据感知层（数据获取）、数据传输层（数据汇聚上传）、数据应用层（数据展示）三部分组成。 系统总体设计框图如图1所示。

数据感知层（获取数据）由大量的感知终端组成。 采集到的数据汇聚到数据传输层的协调器，协调器接收能耗数据并上传到数据应用层。 数据应用层以云服务器为支撑，具有数据整理、分析、展示等多项功能，为相应教室的空调、制冷、热水能效评价提供数据支撑。 同时，云端服务器可以根据能耗数据的上传路径下发指令，对传感终端进行控制。

1.2 系统网络拓扑设计

该系统采用网络技术。 网络通常由3个节点组成：协调器（）、路由器（）、终端（End）。 协调器和终端设备节点构成星型网络拓扑，如图2所示。

从图2不难看出，传感器终端连接各种传感器来采集能耗数据。 协调器用于创建和控制网络。 协调器节点也称为汇聚节点，它将多个终端设备节点放置在不同的位置，它们将收集到的数据传输到汇聚节点。 汇聚节点首先对数据进行处理，然后通过WiFi模块将数据传输至网关。 网关与云服务器通信，上传能耗数据，下达远程指令，将网络与互联网连接，实现万物互联的目标。

2 系统分层设计

2.1 数据感知层设计

数据感知层包括很多感知终端。 虽然每个传感终端连接的传感器类型和数量不同，但结构高度一致，如图3所示。

图3中，传感终端基于单片机设计，每个传感终端配备不同的传感器。 在此基础上，水加热传感终端增加了继电器，可远程控制阀门的开关。 每个传感器终端使用通信模块与协调器通信，协调器通过外部天线发送数据和接收指令。 单片机完成驱动传感器、封装和采集数据、驱动通信模块、处理上层系统指令等功能。

2. 2 数据传输层设计

协调器基于单片机设计，驱动两个串口，连接两个通信模块，承担数据汇聚和协议转换两项功能。 协调器由通信模块和模块组成：串口1与通信模块连接，与传感器终端形成星形拓扑，接收传感器终端的数据，并向传感器终端发送控制命令； 串口2与模块连接，负责通过WiFi发送数据。 将数据发送至云平台，并接收来自云平台的指令。

2.3 数据应用层设计

数据应用层负责将数据上传到云服务器并向协调器发出指令，其信息的通信遵循MQTT协议。 因此，数据应用层结构与MQTT协议应用模型具有很高的相似性，其结构如图4所示。在本设计中，协调者是订阅者，服务器是发布者。 协调器接收到终端发送的数据后，按照MQTT协议的消息格式对数据流进行封装，封装后的新数据从协调器上传到代理。 然后代理将数据放入云服务器后端。 当发出指令时，代理首先分析指令所指向的终端所属的协调器的名称，然后将指令发送给相应的协调器等待下一步。

3 硬件系统选择

3.1 主控制器选型

主控制器是单片机，是针对2.4 GHz IEEE 802.15.4和RF4CE应用的片上系统（SoC）解决方案。 其封装的Z-STACK协议栈被联盟认定为参考协议，使得编译和修改相关程序不易出错。

3.2 温度传感器的选择

选用温度传感器测量气体温度和水温。 具有接线方便、精度高、扩展方便、覆盖范围广等特点。 任何数量的设备都可以驻留在同一单线总线上，从而可以将温度敏感设备放置在许多不同的地方。 总线设计可以通过计算平均值使测量结果更加准确并节省节点。

3.3 流量传感器选择

流量传感器的型号选用霍尔流量计，安装在供暖水管上，检测水流量。 本设计选用的霍尔流量计额定工作电压为DC5V，通用性好，使用方便。

3.4 功率发射器选型

功率发射器选用SUI-101A，具有精度高、兼容性好等优点。 最大测量电压为交流400V，电流上限为30A，具有一定的负载能力，内置防雷保护，安全。

4 软件系统设计

4.1 温度传感器终端软件设计

温度传感终端驱动程序包括初始化和温度数据的循环读取，如图5所示。

图5中，由于温度传感端驱动多个传感器，因此为每个传感器添加一个序列号，并且从不同引脚读取的温度分配一个单独的变量来存储此数据，并且指针不断加1指向不同的存储单元。 由于读取每个引脚时需要将每个引脚分别拉高并延迟，因此当多个传感器一起工作时，以轮查询的方式读取并存储每个传感器的温度数据，并以相同的顺序读取上传程序。 。

4.2 流量传感器终端软件设计

流量传感器驱动器的主体是计数中断，如图6所示。图6中霍尔流量计的输出信号为不同频率的方波，用方波的频率来表示对应的流量。海浪。 因此，这部分的编程采用中断的方式来统计方波的个数，通过转换即可得到。 速度数据。

4.3 功率传感器终端软件设计

电力发射器的底层逻辑已被锁定。 这部分的软件流程只提供了“容器”的功能，创建变量来存储和读取每一项数据。 流程如图7所示。图7中，电量发送器总共有6项数据可以检测。 上电后，发送器进入初始化并创建7位变量。 第一位用于用序列号标记发射器。 发射端直接上传检测数据，无需额外操作。

4.4 传感器终端软件设计

传感终端软件的运行流程如图8所示。图8中，传感终端日常运行在采集模式下。 终端上电后，会定期激活底层驱动功能，收集能耗数据。 终端根据通信协议的报文格式对数据进行打包，并通过模块上传至协调器。 首次数据上传不仅实现了通信状态的检查，还传输了实际数据。 然后继续进行低级驱动程序函数调用来收集能耗数据。 协调器收到命令并发送给终端后，终端进入命令模式。 终端将多条命令一一解析执行，并不断查询是否还有未处理的命令。 所有指令处理完毕后，终端重新进入采集模式，继续采集并上传周期性能耗数据。

4.5 协调器软件设计

协调器软件的运行流程如图9所示。图9中，协调器每天运行在采集模式下。 采集方式主要包括两方面的工作：一是连接云服务器，二是上传数据。 上电启动后，协调器驱动程序根据预先写入的WiFi信息、API密钥和端口号连接到云服务器的TCP服务器。 随后，模块接收到的能耗数据按照终端节点编号存储到序列表中，并按照MQTT协议消息格式封装数据流，最后上传到云端服务器。

当同时发出多个命令时，协调器会一一解析并发出命令。 完成此过程后，协调器返回采集模式，继续采集、打包、上传能耗数据。

4.6 上位机软件设计

采集的建筑能耗数据上传至云端服务器。 为了使数据显示清晰有序，本设计增加了基于物联网的智慧校园建筑能效监测平台进行数据显示，为节能改造提供清晰直观的建议。 图形界面如图10所示。

从图10可以看出，能耗数据查看页面包括7个折线图、2个实时数据表和1个继电器远程开关。 折线图显示空调能耗效率、热水能耗效率、教室内外温差、热水进出水温差、空调耗电量、热水累计流量、热水瞬时流量； 实时数据仪显示教室内外平均温度； 继电器远程开关可控制继电器的通断。 这10个部分共同实现气温上传、流量上传、电量上传、空调制冷效率、热水效率等功能，从而实现建筑能耗管理：

A。 温度上传功能分析。 为了评估空调和管道的实际制冷和制热效率，需要获取单位时间内室内温度的变化数据以及室内与室外的温差数据。 温度上传功能包括两项数据，一项是具体温度，一项是温差。 如图10所示，(a)为实时室内外空气温度，(b)为监控时间内教室内外的温差。

b. 流量上传功能分析。 本设计监测流经热水系统的热水的实际流量，以计算单位体积热水的传热效率。 流量上传功能包括流量两个方面：瞬时流量和累计流量。 图10(c)为加热水瞬时流量，(d)为加热水累积流量。 另外，水流数据可以指示当前水管是否破裂或漏水。

C。 电量上传功能分析。 功率上传以3s为一个周期。 图10(e)显示了空调的累计耗电量变化。 正常运行时，折线走势应稳定能耗管理系统软件分析，波动较小。 当出现故障时，折线会发生显着变化。

d. 空调制冷效率的函数分析。 空调的制冷效率具有一定的能耗跟踪能力。 图10（f）显示了空调的制冷效率。 空调在空调启动初期和班间人流量较大时高效运行，更符合实际情况。

e. 水加热效率的函数分析。 管道效率还具有一些能源消耗跟踪功能。 图10(g)显示了热水器进水口和出水口的水温差。 根据该数据，可以获得如图10(h)所示的热水器的加热效率。 如果热水器系统运行期间没有出现异常情况，这条折线应该不会产生较大的差异。 大波动。 图10(i)是水管对应的继电器开关，维修时可以远程控制开关。

5 大学综合能源效率解决方案

5.1 校园电力监控及运维

整合设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行、集中控制、集中监控、数字巡检、移动运维、团队重新优化整合，减少人力配置。

5.2 物流计费管理

采用先进的网络抄表支付管理技术，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、刷卡等充值支付方式，可以设定补贴计划。 通过能源有偿管理，培养用能群体和部门的节能意识。

5.2.1 宿舍用电管理

学生宿舍用电管控：可批量下达基本用电配额和定时开关功能； 可进行恶性负载识别、非法用电检测、获取非法用电跳闸记录。

5.2.2 储存水电费

对校园超市、商店、食堂等个人水电消耗实行预付费管理。

5.2.3 充电桩管理平台

“源、网、充、储、充”的信息能源结构中，充电桩不可或缺。 充电桩应用管理也是校园生活服务中不可或缺的一部分。

5.2.4 智能照明管理

通过对高校路灯的整体监控，提供路灯灵活、智能的管理，实现校园内任意线路任意路灯的定时开关、强制开关、亮度调节以及灵活设置时序控制方案，确保街道照明的智能控制和运行。 高效节能。

5.3 能源管理体系

对校园水、电、气等接入能源进行统计分析，包括同比分析、环比分析、损耗分析等，了解能源消耗总量和能源流向。

根据校园建筑分类，采集并统计各类建筑的用电量数据。 如办公楼、教学楼、学生宿舍等用电情况，对数据进行分类分析，提供领导决策，提高管理效率。

建设符合校园节能监管内容和要求的数据库，能够自动完成能耗数据的采集，自动生成各种形式的报表、图表和系统化的能耗审计报告，能够监控能源运行状况消耗设备并制定控制策略以实现节能目标。

5.4 智能消防系统

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、智能烟雾探测器、智能消防水等设备连接成网络，并监控这些设备通过云平台实时动态采集消防信息、数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现火灾科学预警、网格化管理、实施多方职责监管。 实现无人执勤智慧消防，实现智慧消防的“自动化”、“智能化”、“系统化”要求。 从消防、到火警、到控制联动，运行在统一的系统平台上，用户、保安人员、监管单位可以通过平台直观地看到各建筑内各种消防设备和传感器的状态。 当发生详细隐患、火灾等紧急和非紧急情况时，几秒钟之内，可以通过手机短信、语音通话、邮件提醒、APP推送等方式快速发送相关报警和事件信息。 及时通知相关人员。

六，结论

在节能减排的大背景下，对能源消耗比例较大的校园建筑进行有效的节能监管具有重要意义。 本文设计的基于物联网技术的智慧校园建筑节能监管系统，实现了建筑能耗分类、分项、分户监管等功能，为优化能耗管理和节能改造提供了依据。的大学建筑。

【参考】

【1】吴春玲，周倩，任凯，王志尧。 基于物联网的智慧校园能效监管系统设计[J]． 建筑电力，2022，15（09）：64-69。

[2]中国建筑节能协会． 2020年中国建筑能耗研究报告[J]. 建筑节能（中英文），2021，49（2）：1-6。

【3】大学综合能效解决方案2022.5版。

【4】企业微电网设计与应用手册2022.05版。

随着能源消耗的不断增加，能源消耗在线监测系统已成为越来越多企事业单位的必备工具。 该系统可以实时监控各种设备的能耗情况，帮助用户掌握电、水、气等各种能源的使用情况，从而更好地管理能源。 本文将详细介绍能耗在线监测系统的原理和应用，并结合实际案例探讨如何通过该系统实现节能减排。

能耗在线监测系统主要由传感器、数据采集器、数据处理器和显示屏组成。 传感器负责实时检测各种设备的电压、电流、功率因数等参数，并将检测结果传输至数据采集器。 数据采集​​器对采集到的数据进行处理和存储，并通过网络传输给数据处理器。 数据处理器对接收到的数据进行分析计算，生成相应的报告和统计图表，并将结果显示在显示屏上。

能源消耗在线监测系统的应用

1、工业生产领域

在工业生产领域，在线能耗监测系统可以帮助企业掌握用电量、用水量等各种设备的能耗情况，及时发现能源浪费和异常情况，从而采取相应的节能措施。 例如，某钢铁企业采用了能源消耗在线监测系统。 通过对高炉、转炉等设备的实时监控，成功降低电耗，每年节省数百万元电费。

2、商业建筑领域

在商业建筑领域，在线能耗监测系统可以帮助物业管理公司或大型商场掌握空调、照明、电梯等设备的能耗情况，及时发现并解决能源浪费问题。 例如，某物业管理公司采用了在线能耗监测系统。 经过对多栋商业楼宇的实时监控，成功实现了每年节省数百万元电费的目标。

3、公共服务领域

在公共服务领域，能源消耗在线监测系统可以帮助政府部门或学校等机构掌握各种设备的用电量、用水量等能源消耗情况，并制定相应的节能计划。 例如能耗监测管理系统哪家有名，某市政府采用了能源消耗在线监测系统，成功实现了公共场所节能减排的目标，为环境保护做出了贡献。

能耗在线监测系统的优点

1、实时监控：可以实时监控各种设备的能耗情况，及时发现并解决能源浪费问题。

2、数据分析：可以对采集到的数据进行分析计算，生成相应的报告和统计图表，帮助用户更好地管理能源。

3、节约成本：通过对能耗的监测和分析，可以有效降低电、水等能源成本。

4、环保减排：有效节约资源，减少二氧化碳等排放物的排放，为环境保护做出贡献。

某新型科技园区引进能源消耗在线监测系统，成功实现了企业用电量、用水量等资源消耗情况的实时监测。 使用该系统后，公司发现部分设备过度使用或闲置，并及时调整设备使用计划，成功实现了每年节省数百万元的目标，为公司提供了更高效的能源管理解决方案。

随着社会发展和环保意识的不断提高，能源管理已成为各领域的热点。 能耗在线监测系统的推出，为用户提供了高效的能源管理解决方案，帮助用户实现节能减排、降低成本的目标。

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