浅谈基于LoRa技术下智能建筑能耗管理系统的分析与设计

安科瑞 华楠

摘要：城市建设步伐加快背景下，对城市建筑能耗管理系统的应用提出更高要求。从当前各类公共建筑物运营情况看，能源消耗问题仍较为突出，传统依托于计算机、测控单元与通讯设备单位工具的系统管理模式，并不能达到建筑能耗管理真正目的，在此背景下考虑引入LoRa技术，提高建筑能耗管理系统整体性能，实现控制能源消耗目标。本次研究中主要对LoRa无线技术做简单介绍，分析智能能耗管理系统形式与性能、提LoRa技术应用下智能建筑能耗管理系统设计思路。

关键词：LoRa无线技术；智能建筑能耗管理系统；设计

1 前言

  作为我国目前大众关注的主要焦点，能源消耗问题是全社会致力于解决的问题。从相关研究数据统计发现，全国城镇耗电量总数中，大型公共建筑耗电量占比极高，除电能外，水资源能耗问题也极为突出。而解决这一现状的关键在于做好大型公共建筑智能建筑能耗管理系统的设计，此时考虑在该系统设计中引入相关的技术作为支撑。因此，本文对LoRa技术应用下智能建筑能耗 管理系统的设计研究，具有十分重要的意义。

2 LoRa无线技术基本介绍

  关于LoRa技术，是一种有低功耗、超远距离特征的无线通信技术。与以往物联网领域中的技术，如蓝牙、wifi、Zigbee比较，LoRa技术可实现远距离的传输。从该技术具体特征看，作为无线电调制解调技术，可用于传输距离长、数据量小的场景中，有容量大、功耗低、使用寿命长特征，对于该技术相关设备，也有抗干扰能力强、传输距离远、功耗低与体积小等特点，所以应用于建筑能耗管理系统中较为适用，无需过多的运营与维护成本，且能满足智能化运营要求。将LoRa技术引入下，其中组网网络通过星型拓扑结构呈现，网关用于终端设备、云端的连接。网关与服务器连接中则借助标准IP实现，终端设备与网关通信中主要选择单跳模式，节点为双向通信。另外，从以往实践研究发现，LoRa技术应用下，网关可对多路信号同时接收与处理，网络容量较高。由此可见，LoRa技术的应用，除能够满 足数据传输要求外，有低功耗特点 ，应作为智能建筑能耗管理系统的技术支撑。

3 智能化能耗管理系统形式与性能

3.1 智能化能耗管理系统解读

  我国近年来城市发展中，将智能建筑作为主要方向，这种建筑类型侧重于系统化管理建筑相关的公共安全问题、设备管理问题以及信息设施应用问题等，整个智能建筑集管理、服务、优化于一体，使建筑环境更具节能环保、高效便捷、舒适安全等特征。我国相关建筑设计规范标准中，也对智能建筑的含义做出相关界定，认为智能建筑实质为统一的建筑环境，被赋予智能化、节能化特点，特别其中的节能化，需从管理、设备与建筑整体上实现节能化。而在此基础上提出的能源管理系统，则主要利用自动化控制系统完成计算机管理系统程序的编写，程序内有多个指令，用于采集与分析建筑物设各能耗参数，其中部分指令编写为操控指令，将在楼字智能控制系统下完成操作过程。

3.2 智能化能耗管理系统设计形式与性能

  智能能耗管理系统设计与开发，目的在于实时采集建筑楼实时数据，根据采集与监测结果，使远程管理与控制有具体依据，由于系统运行中强调对设备进行检测控制，所以在设计形式上主要为分层分布式，具体结构形式涉及现场设备层、网络通讯层与站控管理层。首先，从站控管理层看，该部分处于系统上层部分，涉及的结构设备包括UPS电源、打印机以及监控主机等，如监控主机设备，运行中负责采集与处理数据，系统内外部数据传输需经过监控主机提供的接入口实现，而UPS作为不问断电源，为系统提供连续供电，若出现断电情况，站控管理层设备可在UPS电源供电下维持运行。软件方面，利用人机相容形式，对各类数据做分析、处理，并将结果利用现场声音、数据或图形等形式反馈呈现。其次，网络通讯层，其构成部分包括总线网络、以太网设备、通讯管理机等，用于数据信息交换，将上位机指令向现场设备传达，确保设备执行控制指令。具体剖析其中的各组成部分，如以太网设备，主要为以太网交换机，再如通讯管理机，处理采集的数据，且有前置机服务功能，同时利用光纤、双绞线作为通信介质，或通过无线通讯实现。另外，在现场设备层，其构成主要以智能仪表为主，许多能耗数据均需由该层上传与存储，如其中的测量仪表，数据采集过程中在保证数据准确性、完整性的基础上，实时将数据向数据中心传输。

4 基于LoRa技术应用下智能建筑能耗管理系统设计研究

4.1 系统设计要求

  智能建筑发展趋势下，建筑物能耗系统近年来也成为较多公共建筑物设计中的主要部分，以往系统设计中，主要借助的工具为通讯设备、计算机与测控单元，系统运行中选择光纤环网、现场总线等组网方式，实现数据的实时采集、开关状态监测，系统可满足远程控制管理要求。值得注意的是，由于数据采集中面临数据点位过于分散情况，所以在数据传输中需考虑如何解决空间距离跨度过大问题，且要求做好中继器、网关设置等工作。这些均使能耗管理系统应用下面临较多难题。另外，若从建筑的能耗实际情况看，能耗来源主要集中在动力、照明、生活热水、空调 、供暖、办公设备等方面，能耗表现为水、电、气等，建筑内能源消耗范围较广，一般用于能耗问题记录的主要以冷热量表、水表与电能表为主，若在数据收集中直接借助人工抄表形式实现，要求配以大量的巡查人员，其意味建筑运营将投入较大的成本。综合来看，人工抄表形式成本较高，而传统建筑能耗系统又无法使数据传输空间距离跨度大等问题解决，所以考虑引入LoRa无线技术，技术应用下强调向云服务器中传输数据，而云服务器中的数据可被管理层读取，这样在优化能耗管理系统下，使能耗管理水平提高，保证建筑能源利用效率，达到节能减排的目的。

4.2 数据传输组网设计

  本次研究中所选择的建筑为医院建筑，建筑特点表现为各层平面内面积较大，包括多个功能分区，且有较多房间分隔，能耗消耗问题明显。同时，该建筑以传统布线方式为主，实际施工中面临设备光纤成本高、施工量大等特征，做智能化建筑能耗管理系统设计，目前停留在改造阶段。改造过程中发现因电缆井的位置，需重复进行布线，投入成本高，且能源浪费明显，同时改造时可能使原有的系统运行受到影响。在此背景下，考虑引入LoRa技术，即通过无线数据传输模式，保证改造进程，节约资源，且降低对系统运营产生的影响。

  具体改造设计中，LoRa技术引入下，使整个系统细化为4层，分别为网关、现场采集设备、终端数据处理设备以及云端。系统中现场数据采集设备，包括冷热量表、水表、远传电能表等，借助有线方式与LoRa模块连接。当数据信号被电表采集后，会向模块内转入并转换，使转换后的数据向LoRa网关传入，连接网关、云端服务器，这样便能满足上传与管理数据的目的。同时，设计过程中计算机终端主要设置于管理层，为便于数据调取与能耗情况分析，需将计算机终端接入云端服务器权限开放。此外，系统设计中应保证数据库的合理设计，用于能耗管理相关数据存储，为后续管理分析提供依据，使建筑能耗管理过程中有相应的参考。

  另外，将星型拓扑结构引入到医院能耗管理系统中，网关以透明中继形式呈现，与终端处理设备、云端服务器连接，其中终端设备与多个网关间的通信借助单跳模式实现，网关连接服务器则需有标准IP。考虑到医院系统设计需求，于顶层机房内布置云服务器、LoRa网关。有实践研究中发现，每平方公里内，一个LoRa网关可与5000个终端设备连接。因此，医院仅需将 1个网关设置于顶层机房中既可，既能满足系统共运行要求，且为配置测试、后期维护带来极大便利，有助于整体成本控制。

4.3 系统应用效果

  本次研究中所选取的医院楼层共5层，涉及的分区域较多，如急诊留观病房、ICU机房、绿色急救通道、急诊急救大厅、门诊挂号收费区、门诊大厅以及设备机房等，不同区域内均设有相应的计量设备，包括水表、电表等。设计过程中借助LoRa模块将各设备的数据向网关传输，在此基础上由网关向云端服务器上传存储，通过管理层设备可对数据调取分析。同时，本次设计中也提及进行能耗管理数据库的构建，所以医院在做能耗问题分析中，可直接从中调取数据，做分类、汇总，预测未来发展趋势，在此基础上制定如何做好能耗管理工工作，达到节能降耗的目的。

5 安科瑞重点用能单位能耗在线监测系统

5.1 系统概述

  工业能耗在线监测系统是一个集成Intranet/Internet网络技术、GPRS无线传输技术、Web Service软件技术、数据库技术等于一体的大型数据综合管理系统。系统为管理者、各级能耗内部用户、浏览者提供了一个访问的网络通道，搭建了一个合理、高效的信息传输平台和管理平台。工业能耗在线监测系统的开发应用为政府管理部门、企业生产管理、计量管理、节能管理提高到一个新的高度，是我们对节能减排、节能降耗实现的一种行之有效的解决方案。

能源组成及监测内容：

图1 能源组成

 

图2 监测内容

  用电类：采集采暖、锅炉、空调、制冷、照明、办公、电梯、水泵、风机、通风机等耗电设备的用电信息。主要监测其用电量，对于大耗电设备监测其电流、电压及功率因数等信息。

  配电类：采集6kv/10kv配电开关设备、变压器，状态信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能质量、电能量等。

  用水：自来水和蒸汽；采集具有485通讯功能的智能热量表、蒸汽流量计、水表等；

  用气：煤气、天然气；采集具有485通讯功能燃气表；

  环境参数：采集具有485通讯功能的温度/湿度计；采暖空调供回水温度；

5.2 系统框架

图3 系统框架

  (1)能源消费管理系统：该系统可以对重点用能企业煤、电、油、气、热、水等能源和耗能工质进行定期录入和实时采集，并将收集到的能耗数据进行整理存储，为汇总分析和上报作数据支持。

  (2)能源利用状况信息报送系统

重点用能企业可通过该系统将企业本年度的《能源利用状况报告》，报送至市节能监察中心，经初审核后，上传至省节能监察总队审核，而后上报国家有关部门。

  (3)单位能耗水平识别评价系统

利用重点用能单位能耗数据，对企业用能状况进行分析评价，查找问题。为政府节能管理部门掌握、分析信息和研究节能改造并制定相关政策措施提供科学的依据和平台。

  (4)决策服务和专家咨询服务系统

系统提供直观、简明、快捷的数据信息查询和决策支持服务。对重点用能企业的能耗进行科学、合理的咨询指导，帮助重点用能企业做出及时、正确、可行、有效的解决方案。

  (5)能耗预测、能源安全预警系统

通过系统全面掌握重点用能企业能源购置、使用、消耗及生产情况，对企业的用能情况进行综合的评判和分析，对比同期值和限定值，对能耗超标情况予以预警提示。

在全面获取能源使用的基础上，进行数据挖掘分析，实现能耗的预测分析功能，为政府相关部门的宏观决策提供支撑体系。

  (6)节能监察及信息发布、法律法规知识培训系统：

通过该系统平台，可对省重点耗能企业做全面节能监察工作；发布节能法律法规标准以及能源基础知识、能源统计知识、节能监测方法等资料；处理日常节能管理工作相关的公文、通知、公告等。

5.3 系统网络结构

  系统把数据信息从各个企业的能源监控中心采集到后台的数据库系统，经分析与处理，提供分析预测和预警功能。同时通过门户网站、无线终端等手段为省、市领导以及相关委办局提供了多方位、可视化的便捷服务。

图4 系统结构

5.4 能耗监测系统产品选型

6 结论

  LoRa技术的应用为智能化建筑能耗管理系统的设计提供保障。设计做系统设计中，应正确认识到LoR a技术应用优势，包括低功耗传输、远距离传输等，在此基础上结合建筑能耗管理系统设计需求，将LoRa技术引入其中。具体设计中，主要需从数据传输组网设计上着手，保证满足网关、现场采集设备、终端数据处理设备以及云端各部分运行要求，这样整个系统运行下能够实现能耗相关数据的收集、分类、处理等，通过分析数据并预测，为后续能耗管理工作提供依据，推动智能建筑的建设发展 。

【参考文献】

[1]刘莎，马伟健，王诚祺等．基于LoRa的智能建筑能耗管理 系统分析与设计【N】．金陵科技学院学报，2017，33(02)：36—40．

[2]虞振兴. 基于LoRa下智能建筑能耗管理系统硇分析与设计.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.