高校能源監管智能系統的設計與實現

吳凱

摘 ?要： 基于51單片機的能源管理系統采用51單片機設計，僅能對高校電能的消耗情況進行監控，不能對系統能源進行全面監管。設計高校能源監管智能系統，其總體結構包括數據實時采集終端、數據網關、數據傳輸網絡和智能的監控管理中心。電表管理模塊基于B/S開發模式，采用實時通信和數據采集技術，實現對各單位用電情況的實時管理。用水管理模塊采用三級監測點進行水耗監測，獲取高校水表的實時數據，整理分析該數據獲取高校的耗水報表，據此實現對各單位用水情況的監控與管理。利用GPRS移動網絡統計分析能耗數據，對高校能源實行智能監管。實驗結果說明，所設計系統能源監管范圍廣且對高校用電、用水以及用熱的信息智能檢索精度均達到95%以上。

關鍵詞： 能源監管; 智能系統; 用電; 用水; 監控; 信息智能檢索

中圖分類號： TN99?34; TU244.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）13?0142?04

Design and realization of intelligent system for energy supervision in colleges

WU Kai

（Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221000， China）

Abstract： The traditional energy management system based on 51 single chip microcomputer can only monitor the electric energy consumption in colleges and universities， but can′t supervise the system energy sources completely. Therefore， the intelligent system of energy supervision in colleges and universities is designed. The overall structure of the system includes real?time data acquisition terminal， data gateway， data transmission network， and intelligent monitoring and management center. The ammeter management module is based on B/S development model， adopts the real?time communication and data acquisition technologies to realize the real?time management of the electricity consumption of each unit. The water management module adopts the three?level monitoring point to monitor the water consumption， obtain the real?time data of the universities′ water meter. The real?time data is collated and analyzed to obtain the water consumption statement of the university， according to which the monitoring and management of the water consumption of each unit are realized. The GPRS mobile network and the energy consumption data of statistical analysis are used to realize the intelligent supervision of energy resources in colleges and universities. The experimental results show that the designed system has wide range of energy source supervision， and the information intelligent retrieval accuracies of electricity， water and heat consumptions in colleges and universities are all higher than 95%.

Keywords： energy supervision; intelligent system; electricity consumption; water consumption; monitoring; information intelligent retrieval

0 ?引 ?言

目前，我國高校建筑為大型公共建筑，建筑面積龐大，高校的能源消耗飛速提升。當前普遍采用的能源管理主要是通過人工手段對各項數據進行整理，這種工作方式存在工作量大和計量結果準確性差的弊端，不利于及時了解高校能耗數據，無法快速發現學校的用能漏洞。文獻[1]提出基于51單片機的能源管理系統，采用51單片機設計能源管理系統，實現對電源系統狀態的在線監測和數據的實時處理以及能量的有效分配。但是該系統僅能對高校電能的消耗情況進行監控，系統的能源監管效果不完善。文獻[2]提出基于二維碼的高校教學設備管理系統，以智能手機和教學區域的網絡環境普及為契機，建立高校教學設備的二維碼信息平臺以及后臺管理系統，實現對高校能源的有效管理。但由于收集客戶端的內存較小，存在單位時間接收信息量少的弊端。

為解決以上問題，本文設計高校能源監管智能系統，完善系統的監管范圍，提升信息的智能檢索精度。

1 高校能源監管智能系統的設計與實現

1.1 ?系統總體結構

高校能源監管智能系統的設計目標是實現高校能源監管能耗的數據可視化、管理動態化以及節能指標化。本文為實現該設計目標[3]，基于分布采集和集中管理的思想對系統總體結構進行設計，如圖1所示。系統總體結構包括數據實時采集終端、數據網關、數據傳輸網絡、智能監控管理中心。

圖1 ?系統總體結構圖

1.2 ?電表管理模塊設計

系統中電表管理模塊的設計準則是對高校建筑中的電能使用情況進行分類和分項計量[4]。分項用電即照明、動力、空調等一些特殊用電，這些用電按照高校建筑消耗的各類電能進行用途分類和數據收集。

電表管理模塊基于B/S開發模式，采用實時通信和數據采集技術，結合分布式數據庫，通過互聯網進行數據發布，確保各用電單位對本單位用電情況的實時管理，電表管理模塊還可對用電數據進行分析[5]，有效實現高校各單位用電的量化管理。

1.3 ?用水管理模塊設計

從圖2的用水管理模塊結構圖可以看出，系統采用用水管理模塊對高校的供水進行三級監測點水耗監測，獲取高校水表的實時數據，再對獲取的實時數據進行整理分析得到高校的耗水報表[6]。高校各單位可通過耗水報表實現對本單位用水情況的監控與管理，系統設計的用水管理模塊實現對高校供水網絡的監測[7]，模塊構建的用水報警機制可實現對漏水的分析和用水異常情況的有效識別，降低了資源的浪費。

1.4 ?GPRS移動網絡實現

系統數據傳輸采用傳輸透明協議的GPRS DTU，無線DTU（Date Terminal Unit）除具有穩定的進行雙向數據傳輸的功能外，還可以進行自身檢測，使數據傳輸的可靠性得到有效保障[8]。DTU的協議配置需要串口、短信和數據中心共同配合，串口在接收到AT的指令后，能快速地實現機器的自動配置，DTU的命令格式如表1所示。

圖2 ?用水管理模塊結構圖

表1 ?DTU的命令格式

當配置串口發送+++后，DTU出現in set mode同時進入協議配置過程，用戶采用AT命令進行配置、查詢、重啟或結束配置過程[9]，配置過程實現對高校能源監管數據的讀取和修改。

高校能源監管智能系統中數據的傳輸遵循規則如下：采用AT指令對數據進行包裝、發送，對接收的數據采取AT指令解析、數據傳輸以及數據解析，以接收數據為例，其GPRS數據接收流程如圖3所示。

1.5 ?統計分析能耗數據的實現

系統實現能耗數據的統計分析時，需要采集各項關鍵數據，并將這些數據保存在數據庫中，根據需求對這些數據進行調用[10]，生成各類統計報表，將獲取的報表作為高校能源智能監管的參考依據。

根據用戶的統計分析需求，輸入待統計分析的對象、能源消耗類型、統計數據需求、起止時間、統計模式（單位機構）和統計時間顆粒度信息。統計分析能耗數據的實現流程如圖4所示。

圖3 ?GPRS數據接收流程

圖4 ?統計分析能耗數據實現流程圖

假設采集的[n]個能源數據用[X=x1，x2，…，xn]表示，在[t1]時刻采集到數據[X]及[t2]時刻采集數據[Y]的數據最大變化率用公式（1）表示，且[t1]和[t2]間時間間隔較短。

當[PYX]值大于采集數據的最大變化率閾值[λ]時，則將采集到的能源數據發送到數據傳輸網絡，進而發送給用戶。

2 ?實驗分析

實驗為測試本文設計的高校能源監管智能系統在實現高校能源智能監管中的優越性能，對本文系統進行調試分析。實驗建立在嵌入式Linux內核平臺上，輸入Source install命令進行編譯的同時安裝系統驅動程序，完成數據和程序的有效加載，實驗測試系統信息智能存取的吞吐性能和信息檢索精度的準確性。在15個高校單位通道中進行實驗，為突出本文系統的優越性，將本文系統與傳統基于51單片機的能源管理系統和基于二維碼的高校教學設備管理系統進行比較，單位時間內系統信息智能存取的吞吐量測試結果如表2所示。

表2 ?單位時間內三種系統信息智能存取的吞吐量測試結果

分析表2三種系統信息智能存取的吞吐量測試結果，從中可以看出：本文系統在單位時間內的信息智能存取吞吐量較大，15個高校單位測試得到的吞吐量數值均達到4 000 Mb/s以上，且平均吞吐量也高達4 370.8 Mb/s;而傳統基于51單片機的能源管理系統的單位時間內信息存取吞吐量在1 638.4和1 853.4之間變化，且平均吞吐量也僅有1 739.3 Mb/s，遠遠低于本文系統的單位時間信息智能存取吞吐量;基于二維碼的高校教學設備管理系統的單位時間信息存取吞吐量在2 234.5和2 635.1之間變化，平均吞吐量為2 433.3 Mb/s，該數值也遠遠小于本文系統的單位時間信息智能存取吞吐量，說明本文系統單位時間內信息智能存取吞吐量大，系統性能優越。

在上述實驗對系統單位時間內信息智能存取吞吐量測試結果的基礎上，實驗進一步分析本文系統的信息智能檢索精度（即向用戶反饋的信息精度），并將三種系統的用電、用水和用熱信息智能檢索平均精度進行對比，如圖5所示。

圖5 ?三種系統的用電、用水和用熱信息智能檢索精度

從圖5可以清楚地看出，三種系統在用電、用水和用熱信息智能檢索的精度上相差較大。本文系統的高校用電、用水、用熱信息檢索精度均高于90%，且平均檢索精度高達95%。除此之外，本文系統在用水、用電和用熱方面的信息智能檢索精度均大幅度優于另外兩種系統。

3 ?結 ?論

本文設計的高校能源監管智能系統，通過電表管理模塊和用水管理模塊，實現高校各單位對電力和水利資源的有效監管。根據實驗結果對比可知，本文系統在信息智能存取的吞吐量上效果顯著，單位時間內的吞吐量在4 000 Mb以上，且系統對高校用電、用水以及用熱的信息智能檢索精度均達到95%以上，遠遠優于另外兩種系統的信息檢索精度，說明本文系統的智能監控性能佳。

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