基于物联网技术的校园建筑能耗智慧监控平台设计
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摘 要：为打造低碳绿色校园，营造良好的学习环境，针对目前校园建筑能耗大，特别是空调节能困难等问题，特采用物联网技术构建校园建筑能耗智慧监控平台。通过设计空调监控子系统，搭建空调监控模型实现了空调等智能硬件设备根据环境自动调节温湿度等多种控制模式，从而达到节能、降耗与降低成本目的。智慧监控云平台的设计使用户对电量数据、能耗信息等进行监控，实现了真正的节能、高效、安全和低耗。
关键词：物联网;建筑能耗;智慧监控;远程管理;网关;能耗
0 引 言
随着社会经济的飞速发展，人民生活质量不断提高，由此人们对生活和工作的智能化环境关注度也越来越高。当下，人们对建筑消费的重点已从“硬件（装修和耐用的消费品）”消费转向“软件（功能和环境品质）”消费，如何降低保障室内空气品质所需的能耗（空调、通风、采暖、热水供应）成为关注热点。狭义的建筑能耗，即建筑的运行能耗，指人们日常用能，如采暖、空调、照明、炊事、洗衣等，是建筑能耗的重要组成[1]。据统计，在建筑能耗中，空调能耗占较高比例，约为2/3，建筑能耗与工业能耗、农业能耗及交通运输能耗称为民生能耗，我国空调能耗约占总能耗的22%[2]。
随着近几年校园的不断合并与扩建，我国校园空调持有量持续上升，相应的能耗也随之上涨。倘若维持空调原有能效，预计到2050年，我国校园空调能耗将增长一倍以上[3]。因此，建设建筑节能型校园是低碳绿色城市建设的重要环节之一。通过结合物联网、自动控制和传感等技术，建设校园建筑能耗智慧监控平台，包括校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计和校园建筑能耗空调监控模型的搭建与子系统的设计，从而实现智慧监控，进一步提高校园建筑能耗空调的运行效率，实现节能减排。
1 校园建筑能耗存在的问题
学校是我国公建节能和绿色建筑的重要领域，住建部发布的《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中多次提及绿色节能校园建设[4]。在政府大力支持与学校的积极响应下，目前各学校都着力建设绿色节能型校园。但当前学校节能工作仍然面临着很大挑战，存在以下问题。
（1）随着我国城市化进程不断加快，以及国家对教育领域的大力支持与投入，随着校园建筑面积的扩大，以及空调、学生电脑等插电设备的使用，使得能耗问题变得较为严重，造成建筑能源的极大浪费。
（2）现有的耗电设备智能化程度低，部分学生因节能意识薄弱，时常在离开教室或公共场所时不关空调等耗电设备，而这些耗电设备不会根据环境的变化按时段、按需求和按人数等进行自动调整，也不会根据温湿度、光照度的变化进行多种控制模式的调节，导致浪费大量能耗。
（3）现有校园建筑能耗监控平台技术水平不高。在平台的设计中较少把能耗信息与建筑信息相关联，且数据可视化程度不高，真正对能耗的预测与监控技术应用较少，无法实现节能、低耗、安全和管控等目的。
近几年随着物联网技术、传感技术与云计算技术等的快速发展，考虑到学校巨大的建筑能耗，建设校园建筑能耗智慧监控平台，打造绿色节约型校园势在必行。
2 校园建筑能耗智慧监控平台的总体设计
通过高效数字化信号采集技术结合物联网相关通信技术，构成了校园建筑能耗智慧监控平台，主要包括智慧用电单相模块、智能插座、智能网关以及云平台等，支持远程管理和控制，可根据控制策略实施联动管理。校园建筑能耗智慧监控平台总体设计如图1所示。
该平台的设计采用物联网三层架构体系与云数据中心相连，通过无线传感模块对是否有人、温湿度等环境数据进行采集，利用智能电源控制器实时精准地掌握空调等智能硬件设备的工作状态，建立各类安全策略，对异常状态及时报警，运用ZigBee技术接入智能物联网网关，采用4G，5G，WiFi，以太网等网络通信技术接入云平台，实现了在无人或人少的情况下，按时段、按需求、按环境等对智能设备进行控制，避免无人空調未关、温湿度适宜空调仍高速运转等现象，实现空调根据环境自动调节温湿度等多种控制模式，达到节能降耗要求。云平台对电量数据、能耗信息进行了长期存储，方便查询，便于用户了解用电量，实现对校园建筑能耗的实时监控。
3 校园建筑能耗空调监控子系统的设计
根据现有校园的特点，提供两种方式进行温湿度控制，即通过智能电扇控制终端来管理电扇的速度以及运行，允许远程调节风扇档位，或通过温湿度感知、环境智控终端及空调构成一套温湿度控制系统，如图2所示。
3.1 空调监控子系统
智慧温湿度环境系统（空调）主要由温湿度智能感知模块、环境智控终端、无线控制模块（可控制空调并带有自学习功能）、学校现有空调组成，可以扩充网关接入智慧环境管控平台，支持移动端和PC端设备远程控制和管理。温湿度智能感知模块高速、高精度地检测环境温湿度后将数据传送给环境智控终端。环境智控终端根据手动或远程配置好的控制策略进行空调运行控制;无线控制模块负责对空调设备进行无线控制。子系统组成如图3所示。
利用云计算技术通过云平台实现对传感模块实时数据的长期存储与精准显示，控制空调等智能硬件设备产生的监测数据，方便对其进行长期管理。
3.2 空调监控子系统功能需求
（1）支持特定情况下手动设置运行温度控制目标，设备根据环境的真实测量值，自动控制环境温湿度直至达到手动设定的目标值;
（2）能够自动识别教室环境的温度、湿度，根据设置好的目标参数自动调节空调运行，控制空调的制热、制冷、除湿，确保教室环境始终处于恒定舒适状态;
（3）支持空调等设备的远程管理，可以远程配置空调管理策略，如温度达到32 ℃后打开空调，设置时间段关闭空调等;
（4）利用采集的环境数据进行自动分析，不断优化环境的控制条件，在确保环境舒适度的前提下，节约能源，优化人力维护和管理成本; （5）实现风扇速度调节和控制，支持风扇远程关闭和开启。
3.3 校园建筑能耗空调监控模型的搭建
结合校园建筑的实际情况与用户使用空调的行为习惯，根据建筑空调子系统的特征和原理，采用物联网等技术实现数据采集。搭建的校园建筑能耗空调监控模型如图4所示。
根据空调的运行原理设计模糊控制器，通过分析历史数据并与相关数据进行比较后建立知识库，对可能产生的问题进行预警，并对用户产生的数据进行诊断与预测，有效降低建筑能耗，实现校园建筑节能目标。
4 结 语
为解决校园建筑能耗大，特别针对空调节能困难等问题，采用物联网技术构建校园建筑能耗智慧监控平台，搭建空调监控模型，并对空调监控子系统进行设计，实现节能降耗效果与显著的成本优势。云监控平台的应用实现了对用户电量数据、能耗信息的管控。物联网在校园建筑节能中的巨大优势有助于实现真正的节能、高效、安全、低耗等目标，符合国家建设节约型社会的要求。
参考文献
[1]龙惟定.建筑节能与建筑能效管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]建筑能耗基本定义[EB/OL].https：//baike.baidu.com/item/%E5%BB%BA%E7%AD%91%E8%83%BD%E8%80%97/4672043？fr=aladdin，2016-5-10.
[3]政府信息采购网.推进空调行业低碳节能转型 助力生态文明建设[EB/OL]. http：//www.vkhvacr.com/index.php？m=content&c=index&a=show&catid=23&id=27451，2018-10-24.
[4]《建设科技》编辑部 .推进绿色节能校园建设[J].建设科技，2017（12）：1.
[5]周秋霞，杨春杰.基于物联网技术的智慧图书馆监控管理系统设计[J].自动化与仪器仪表，2018（11）.
[6]牛冲丽，王涛.基于物联网的大型公共建筑能耗监测与节能服务[J].物联网技术，2015，5（7）：29-31.
[7]李伟.基于物联网技术的建筑智能用电系统的研究[D].济南：山东建筑大学，2015.
[8]周巧儀，崔富义.基于物联网技术的建筑能耗与环境监测管理系统研究[J].智能建筑，2012（9）：48-50.
[9]周逸璇，李志强.基于物联网技术的校园智慧监控系统设计与研究：以云南司法警官职业学院为例[J].网络安全技术与应用，2017（5）：103-104.
[10]赵翔.物联网控制的智能建筑能源管理系统[J].物联网技术，2018，8（11）：89-90.
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