一种基于物联网的高校能耗监控系统研发

周建林,杨立志

(江阴职业技术学院计算机科学系，江苏 无锡 214405)

一种基于物联网的高校能耗监控系统研发

周建林,杨立志

(江阴职业技术学院计算机科学系，江苏 无锡 214405)

提出了一种基于物联网的高校能耗监控解决方案.采用以WebService架构为基础的云服务，通过ESP8266 WIFI芯片将能耗设备与服务器相连，采集能耗参数，在Android智能设备中监控能耗设备的运行.给出了基于物联网的节约型校园总体设计方案，为打造可持续发展的环保节能高校提供了参考.

能耗控制；物联网；云服务

引言

随着高校规模的扩大，学生人数越来越多，在学习生活的场所经常会出现长明灯、长流水、人走不关空调等浪费现象.节能节水工作已成为节约型校园的重要工作之一.加强节能节水工作，建设节约型校园，不仅可以促进学校本身的能源节约，降低办学成本，还能促使广大教师学生树立环保节能意识，掌握节能环保技能，对我国经济和社会发展产生深远影响[1].

物联网是指通过信息传感设备如GPRS、射频识别(RFID)等，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2].基于物联网，将电灯、空调、水能设备通过WIFI模块连接到服务器，并采集运行参数，在Android设备中就可以实时监控调节设备的运行，降低能源消耗，减少运营成本.并且引入大数据分析、数据挖掘等算法分析能耗设备的运行趋势，对高能耗设备、高能耗单位进行重点监控，对打造绿色环保、节能型智慧校园具有重要意义.

1 总体目标和主要内容

为构建可持续发展的节能校园，通过智慧校园能耗监控系统的研发，加强能源监控，降低学校的电能、水能消耗，避免出现长明灯，长流水、人走不关空调的浪费现象.同时努力打造绿色环保的学习工作环境，主要研究内容和总体目标如下.

1)构建能耗监控平台.对学校重点用电用水单位，如机房、学生宿舍、教室、办公室等学习工作场所安装电能水能采集探头，实时监控电能水能消耗，对异常的情况报警，及时通知管理员处理.

2)构建智能的能耗分析平台.通过能耗分析平台可以查询各单位能源消耗统计，通过大数据分析、数据挖掘算法分析能源浪费现象，提供统计曲线趋势分析图，为合理的决策提供依据，对高能耗设备、高能耗单位进行重点监控.

3)打造绿色环保的学习工作场所.在宿舍、办公室等学习工作场所安装温度、湿度、大气压、PM2.5等环境参数采集传感器，实时显示环境参数，智能调控室内温度、湿度.

4)培育良好的节能习惯和生活方式[1].通过能源监控平台和智能分析平台的实施、宣传，逐步推广节能降耗知识和技能，使学院师生认识到节能降耗的重要性，形成良好的生活和工作习惯.

2 总体框架设计

高校能耗监控系统的整体设计根据高校的水电实际情况，遵从安全、可靠、稳定、可扩展等原则.主要包括能耗采集、网络传输、云服务、监控分析软件四个层次.系统总体框架设计如图1所示.

图1 系统总体框架设计

2.1 能耗采集

能耗采集主要是在教室、宿舍、卫生间安装温度传感器、湿度传感器、水量传感器、电量传感器等信息采集设备，每隔一段时间，传感器通过网络传输层将采集到的温度、湿度、水量、电量通过网络传输到云服务端，通过监控软件实时监测，可以智能或手动控制电灯、空调、水表等设备的运行，达到节能降耗的目的.

2.2 网络传输

物联网的实质是在互联应用的基础上逐步进化的产物，实现物与物的数据交流.本系统选用ESP8266芯片来构建能源监控系统物联网，集成各种传感器并将采集到的信息传输到云服务器.ESP8266是一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，专为移动设备和物联网应用设计，其强大的片上处理和存储能力，使其可通过GPIO口集成各种传感器及其他的特定设备，仅需极少的外部电路，超低能耗.

ESP8266内置TCP/IP协议，自身可以作为一个热点，通过智能设备就可以连接到ESP8266，配置完服务器的IP地址和端口号后，ESP8266又变成了一个客户端，就可以连接到服务器端.如何保证ESP8266与服务器端的稳定长连接是系统研发的关键，是本文研究的一个难点和重点，本文经过反复实验，实现的算法如图2所示.

图2 算法流程设计图

基本操作过程如下：

1)使用Android手机连接到ESP8266热点，配置WIFI热点、服务器IP地址和端口号，此时ESP8266可以通过WIFI热点连接到服务器端.

2)反复尝试连接到服务器，直到连接成功.将ESP8266模式置为客户端.发送设备注册信息.

3)将采集到的温湿度、电量、水量等数据发送到服务器端.服务器收到数据后会响应数据提交成功信息.

4)如果收到服务器响应，则重复进行第3)操作，否则此时设备可能已断开与服务器的连接，或者由于其他原因导致数据发送失败.

5)尝试发送心跳包到服务器端，如果收到服务器响应，则进行第3)操作.

6)将ESP8266模式重置成为热点，进行第2)操作，或手动干预进行1)操作.

2.3 云服务

云服务是一种简单高效、安全可靠、处理能力可弹性伸缩的计算服务.借助于我院网络中心部署的“智慧云”，以WebService形式分布式部署服务.云服务层包括各种管理中间件、SOA构建层和数据库中心、数据分析中心、报警装置.管理中间件负责对云服务的资源进行管理，SOA构建层将能耗监测系统对数据库中心的访问封装成WebService，提供统一的用户访问接口.

能耗监控系统中包含大量的能耗数据，只有通过对大数据的有效分析才能获取智慧、深入具有价值的信息.K-Means是数据挖掘中一种最经典也是使用最广泛的聚类方法.K-Means算法首先从n个数据对象任意选择k个对象作为初始聚类中心；而对于所剩下其它对象，则根据它们与这些聚类中心的相似度，分别将它们分配给与其最相似的聚类；然后再计算每个所获新聚类的聚类中心；不断重复这一过程直到标准测度函数开始收敛为止.

数据分析中心通过K-Means[3]聚类算法建立设备模型、用户使用模型，深入分析设备的运行趋势、各单位的能耗趋势.对高能耗设备、高能耗单位进行重点监控.聚类算法还可以实现离群点检测，在对能耗数据聚类的过程中，发现一些使用异常的设备和单位，从而进行警报等措施.

2.4 监控分析软件

本文监控软件的设计基于Android移动操作系统.Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统.由于Android平台的开放性，基于Android的硬件设备非常丰富，软件开发方便简单，开源框架比较多.监控软件旨在提供给用户简洁方便、美观的操作界面，提高管理效率.

1)监控软件可以实时查看物联网中各种设备的运行参数，比如水表水量消耗情况、电灯的运行情况、空调用电量情况.

2)监控软件可以对物联网中的设备运行参数进行分析，根据预先设定的参数，对可能异常的设备报警；智能调节设备的运行，对电灯、水表、空调等设备进行关闭，避免长明灯、长流水等浪费现象.

3)监控软件可以统计物联网中各种设备某一个阶段运行情况和各单位的能耗情况，根据运行参数曲线图，为管理人员的决策提供依据.

3 结束语

能源是人类生存和发展的重要物质基础，是中国可持续发展的重要保障[4].随着国家减排降耗的要求越来越高，能耗监控方面的研究越来越重要.本文提出的基于物联网的能耗监控系统解决方案，具有比较强的扩展性，硬件成本低，性价比高，不仅可以应用于企事业单位的能耗监控管理，还可以应用于企事业单位的智能化改造，提升企业工作效率和经济效益，具有较强的推广价值.

[1]王洪建，陈安敏等.基于物联网技术的能耗监测管理平台设计[J].重庆工商大学学报, 2013,30(3).

[2]陶冶，殷振华.物联网在工业中的应用[J].科学之友, 2010(12):1-2.

[3]王千，王成等.K-means聚类算法研究综述[J].电子设计工程,2012,20(7).

[4]倪鹏，樊之阳.基于物联网高校能耗智能化监控系统[J].长春工业大学学报, 2014,35(6).

Research and Development of Energy Consumption Monitoring System Based on Internet of Things in Colleges and Universities

ZHOU Jian-lin, YANG Li-zhi

(Jiangyin Polytechnic College, Wuxi Jiangsu 214405, China )

This paper puts forward a solution of energy consumption monitoring in colleges and universities based on internet of things. Using Web Service architecture as the basis of cloud services, ESP8266 WIFI chip connects the energy equipment and servers to monitor the operation of energy consumption equipment based on the acquisition of energy consumption parameters in the Android intelligent equipment. Based on the internet of things, the overall design scheme of a conservation oriented campus is put forward, which provides a reference for colleges and universities to keep the sustainable development of environmental protection and energy saving.

energy consumption control; internet of things; cloud services

1673-2103(2017)02-0037-04

2016-11-08

江阴职业技术学院省软件与服务外包实训基地课题(JSSXJD2012-03-5)

周建林(1979-)，男，江苏泰兴人，讲师，硕士，研究方向：计算机应用.

TP315

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