基于物联网的高校水电节能平台的建设研究

满莎 胡怀雯

摘 要：国家颁布了一系列的标准规范引导高校建设节能监管平台进行能源管理，推进节约型校园建设。水电管理是高校能源管理的重要组成部分，如何用新技术新手段进行节能管理，是目前亟待解决的问题。物联网技术作为第三次信息革命的新兴技术，将其用于水电节能管理平台的建设中，有助于高校水电的监控和管理，提高资源利用率。

关键词：物联网;智慧节能;建设研究

国家已颁布《高等学校校园设施节能运行管理办法》《高等学校节约型校园指标体系及考核评价办法》等标准及规范，用于指导高校能源管理及节能监管平台的建设。在高校能源资源消耗中，水电消耗占据了很大一部分，如何通过新技术新手段建设智慧节能平台，实现对水电用量的有效管理是当前高校刻不容缓的问题。将物联网技术应用于高校水电节能管理平台建设中，对校园能耗进行计量监控，分析用能问题，减少能源浪费，挖掘节能潜力，提高节能意识，实现校园水电的节能管理，有助于推进节约型校园的建设。

一、高校水电节能平台建设的必要性

（一）控制节点分散

水电消耗是高校能源消耗的重要组成部分，具有控制节点分散、使用时段不固定等特点。高校师生人数众多、区域分散，其中教学区、办公区、生活区，每个区域在不同时段的水电消耗又不一致，每个区域在特定时段都有可能出现高能耗状态，传统的水电管理无法解决水电资源合理分配的问题。而且由于控制节点过于分散，在某些区域不可避免地会出现能源浪费的现象，特别是在设备、设施损坏又无人发现的情况下，容易造成巨大的能源消耗，不便于节能管理。因此，运用物联网技术来建设高校水电节能平台能有效进行节点监控，提高能效管理，使水电资源分配更合理、利用更高效。

（二）设备设施老化

设备设施陈旧老化是出现能源“跑冒滴漏”现象的主要原因，特别是老校区、老楼栋，在长期的使用过程中，大部分高校的水电供应设备出现机器老化、功能落后的情况，而对于老化设备，由于维护不及时容易造成能源的过度消耗。水电的正常传输供给是稳定高校整体发展的核心环节，而传统的水电管理无法发现设备设施老化带来的能源浪费问题。因此，可以通过建设基于物联网的高校水电节能平台，实时监控学校水电设备的使用和运行情况，对故障设备进行精准定位，一旦发现设备异常立即报警，通过平台提供的报错信息分析故障产生的原因，力求在最短的时间内排查故障、阻止能源浪费。

（三）管理模式落后

目前，多数高校的水电管理系统仍停留在水电计量、水电充值等初级阶段，水电管理模式比较落后，缺陷较多，对水电节能管理效率不高，无法满足智慧型、节约型校园管理的新标准、新要求。尤其是在水电数据采集方式上，存在精确度差、自动化水平低等缺点。建设基于物联网的水电节能管理平台，利用智能设备进行数据采集，运用大数据技术进行数据分析、处理，通过平台的云计算功能预估全年的水电消耗量，对水电消耗的实际情况进行精准计量、实时监测、能耗分析、高效管理。

（四）节能意识薄弱

目前，部分高校没有真正实现节能目标管理。仍存在重学生轻教师，重生活区轻教学区的思维惯性，节能意识薄弱，节能监管不到位。很多人认为浪费一点点水电只是小事情，沒有形成节能意识、养成节能习惯，没有形成全员节能的氛围。重视高校水电节能管理平台的建设，运用物联网和云计算来规范能耗统计、进行能耗分析、监督控制水电使用情况，能帮助全员增加节能意识、落实节能行动、实现节能管理目标，促使高校能源监管工作向更广泛、更深入、更科学的方向发展。

二、水电节能平台建设的关键技术

（一）物联网

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向，是新一代信息技术的重要组成部分，其英文名称为“Internet of Things”。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络;物联网用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网的体系架构有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，中间层是数据传输的网络层，最上层则是应用层。感知层关键技术包括传感器技术、RFID技术以及二维码技术等;网络层关键技术包括Internet、移动通信技术以及无线传感器网络;应用层关键技术包括M2M、云计算、数据挖掘、中间件以及嵌入式技术等。基于物联网的水电节能平台的构建主要是用到了物联网中的传感器技术、ZigBee技术、WiFi技术以及嵌入式技术。

（二）传感器技术

作为物联网数据的输入端，传感器在物联网中的位置至关重要。传感器实际上是一种功能块，是一种检测装置，其作用是能感受到被测量的信息，并将外界的各种信号转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，一般由敏感元件、转换元件和信号转换电路三个部分组成。传感器是高校水电管理平台获取信息的节点，通过部署红外传感器、温度传感器、湿度传感器等传感器节点实现对整个校园水电的监控和管理。例如绿化灌溉系统中通过部署温度传感器、湿度传感器等感知设备对绿化灌溉动态信息进行采集从而实现灌溉的实时控制。

（三）短距离无线通信技术

短距离无线通信技术主要包括ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、超宽带技术（UWB）、NFC等技术，其具有三个重要特征，即低成本、低功耗和对等通信。按数据传输速率可以分为高速短距离无线通信技术和低速无线通信技术两类，不同的短距离无线通信技术具有不同的优点和缺点，适用于不同的物联网应用场景。Wi-Fi是目前应用最广泛的无线通信技术，ZigBee的优势是低功耗和自组网，蓝牙的优势是组网简单。这三种无线技术特点如表1所示，从传输距离来说，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥蓝牙;从功耗来说，是Wi-Fi﹥蓝牙﹥ZigBee，后两者仅靠电池供电即可;从传输速率来讲，是Wi-Fi﹥ZigBee﹥蓝牙。基于以上特点在智能水电管理系统中，智能电表、智能水表等智能设备的组网采用ZigBee技术组网，嵌入式控制器与Internet连接采用Wi-Fi技术。

（四）嵌入式技术

水电节能管理系统中需要大量的节能设备不在依赖人与人之间的交互产生联系，更多通过协议、通信、程序设计等方式连接到一处。例如，在路灯系统中当光照强度到达一定阈值时则关闭路灯，光照强度低于阈值时开启路灯，这就需要嵌入式技术的支持。嵌入式技术是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统技术。作为水电节能平台的核心，嵌入式控制器通过各区域内的传感器和控制设备对各区域水电消耗情况进行监控。

三、水电节能平台建设方案

智慧水电节能平台如图1所示，采用最新信息化与物联网技术设计，平台整体架构合理，具有一定的开放性和兼容性。平台监控软件与嵌入式控制器构成C/S模型。平台包括数据采集系统、节能监测系统、节能控制系统和节能服务系统，在安全、可扩展移植性等方面做了充分考虑。通过数据采集终端采集水、电、空调、路灯、灌溉等用电用水设备的信息，再由嵌入式控制器根据采集到的信息进行实时监控管理与大数据分析达到水电精准控制，同时平台服务系统在提供水电查询基础服务之外增加了节能提醒服务，帮助师生养成良好的节能习惯。

（一）数据采集系统

校园内水电消耗量的监测及处理由基于ZigBee技术的采集控制终端完成。采集控制终端包括电流传感器、电压传感器、光照强度传感器、与温湿度传感器等，采用ZigBee技术进行组网，数据终端与协调器组成星型网络，由协调器汇聚传感器模块采集到的温度、湿度、光照強度等能源信息通过Wi-Fi网关传输至嵌入式控制器。当协调器收到嵌入式控制器的控制命令，根据节点编号与设备类型发送控制命令，对需要控制的设备节点进行开启设备或关闭设备，以达到节能的目的。

（二）节能监控系统

节能监控系统分别由监测系统和控制系统两个子系统构成，是水电节能平台的基础和核心，也是平台建设的首要内容。监测系统对校园的教学区、生活区、运动区等各个区域进行供电、供水参数的实时监测，通过平台监控软件实时掌握水电的用量，能清楚地了解“水电去哪儿了”这个核心问题。控制系统对水电的在监测系统获取精准计量以后，在云平台大数据的分析下进行判断有针对性的开展节能控制，通过可靠性较高的TCP/IP协议与嵌入式控制器完成数据传输从而实时远程控制，重点解决如何进行水电节能管理的问题。主要是对变电所、水泵房、路灯等基础设施进行远程智能监控，保障重点设备的可靠、高效、低耗运行。

（三）节能服务系统

在节能服务系统中设置了充值缴费、信息查询、欠费提醒等基本功能，师生可以通过网页、手机APP、微信等方式随时了解自己的用量信息。同时设置了节能榜单、能源足迹、绿色生活等引导功能，目的是引导人们养成良好节能行为，在节能活动中人才是主体，只有解决好如何养成节能意识的问题，才能杜绝人对设备的不当使用造成的能源浪费，才能真正解决节能的根本问题。通过提高师生对自身能源消费的关注度和透明度，促进了能源的理性消费和自我管理，从被动的节能行为变为主动的节能行为。

四、对水电节能平台的几点建议

本文分析了高校水电节能平台建设的必要性，介绍了建设平台所需的关键技术，设计了高校水电节能管理平台的建设方案。在方案实施过程中需要注意以下几点：第一，整个方案中通信方式均为无线通信，但数据采集终端可根据区域实际情况进行有线组网;第二，平台以大数据作为依托，在建设时需考虑服务器容量的问题;第三，平台的功能可根据学校实际情况进行调整，以方便能源管理;第四，加强平台运维工作人员的专业素质，确保平台的正常运行。

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