基于物聯網的酒店能耗監控系統

黃詩雯 周勃 楊昕培

1 沈陽工業大學建筑與土木工程學院

2 沈陽工業大學信息科學與工程學院

0 引言

能源是當今國內經濟發展的物質基礎，作為世界上最大的發展中國家，能源短缺已經成為我國亟待解決的問題。我國每年新增的建筑面積約20 億m2，占世界一半，居全球首位。公共建筑作為民用建筑的重要組成部分，雖然只占建筑總面積的4%，但每年的耗電量卻約占全國城鎮總耗電量的22%，每平方米的年耗電量更是普通居民住宅的10～20 倍，相當于發達國家是同類建筑的2 倍[1]。所以在能源問題日益突出的今天，需要有能耗管理系統參與控制并減少建筑能耗。

伴隨著信息技術的發展和能源危機的出現，建筑節能已經成為建筑設計與能源管理的關鍵技術。目前國內很多大型公用建筑都存在用能不合理的情況，然而全國范圍內也只有不到15%的公共建筑建立了能耗管理監控系統，絕大多數的酒店仍在使用傳統的能耗管理方法。西方發達國家目前主要基于LonWorks技術對供暖、制冷、照明等能耗系統進行改造，使得能源消耗與同類大樓相比降低80%以上[2]。

本文從建筑節能角度出發，分析了酒店能耗監控需求，進行了符合環境要求與監控精度的傳感器選型，并進行了監控系統與物聯網云平臺的設計。通過此酒店能耗監控系統，可以解決日常能耗測量中不規范、不連續、存在誤差等問題，減少人力資源投入，便于即時查看能耗現狀，對不同供熱、制冷末端房間能耗進行經濟性評價，有利于制定酒店能源使用策略，并進行簡單溫濕度與燈光控制，提高酒店節能效率并減少運營成本。

1 系統設計方案

系統設計主要分為監控系統和物聯網云平臺兩部分。

監控系統負責采集傳感器和智能抄表系統收集到的數據，利用酒店內原有的網絡基礎或使用獨立的通信模塊將監控數據上傳到上位機服務器。根據應用場所與監控需求的不同，下位機主要分為兩種不同的子系統：應用在人員密集、流動性大、房間大、層高較高的室內監控子系統，如酒店大堂、餐廳、會議室內。應用在以面積小、人員少的客房為主要監控對象的客房監控子系統。

物聯網平臺使用華為OceanConnect 云平臺，負責接收并處理下位機發送的傳感器數據，再根據設定閾值邏輯判斷房間內節能情況，通過可視化界面將監控數據展現給酒店管理人員。酒店能耗監控系統總體設計方案圖如圖1 所示。

圖1 監控系統總體框圖

2 監控系統硬件設計

下位機主要使用傳感器采集房間內溫濕度、人數、空調出風口溫度與風速、煙霧、單位時段用電量等信息，使用STM32 微控制器對實時采集的數據進行分析處理，再利用網絡或通信模塊，將監控數據上傳到上位機服務器。

2.1 STM32 微控制器

STM32 系列32 位微控制器，由意法半導體公司（STMicroelectronics）研發與設計，其使用專門為要求高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M4 內核設計架構[3]。設計使用STM32L4 低功耗微控制器，其豐富的功能可以滿足系統的設計需求，也為系統的可擴展性預留了空間。

2.2 數據采集系統

下位機采用DHT11 數字溫濕度傳感器采集室內與空調出風口溫濕度，RAD20CM 紅外傳感器統計房間內人數，風速輪采集空調出風口風速，MQ-2 煙霧氣敏傳感器采集房間內煙霧情況，LT518 電能采集模塊采集房間單位時段內耗電量，光敏二極管采集室內光照信息。各傳感器使用總線結構與微控制器鏈接，由STM23 微控制器進行傳感器的數據處理與通信指令發送。

2.3 通信系統

下位機監控系統使用ESP8266 WIFI 模塊和NB-IoT 通信模塊與上位機云平臺進行通信。針對使用地點網絡環境的不同情況，系統將自動切換網絡工作狀態，在有酒店基礎網絡覆蓋的條件下，使用以太網接口或者WIFI 模塊通信；其余環境使用NB-IoT 模塊通信。

2.4 操作系統

設計使用實時內核μC/OS-III。根據酒店能耗監控系統的設計需求，將不同的模塊功能設計成幾個不同的任務：開始任務、溫濕度采集任務、風速采集任務、光環境采集任務、紅外人數統計任務、用電量采集任務、通信任務。

在酒店能耗監控系統的設計中，除了開始任務與通信任務之外，所有任務都時刻處于運行態。開始任務在運行結束后，會刪除其自身任務。通信任務包括以太網、WIFI、NB-IoT 三個通信任務，系統根據環境自動選擇模式后進行通信任務的掛起與恢復。操作系統工作示意圖如圖2 所示。

圖2 操作系統工作示意圖

3 物聯網云平臺設計

上位機系統使用了華為OceanConnect 物聯網云平臺，該平臺具有應用預集成的解決方案與生態鏈構建、接入無關、強大的開放與集成能力、支持全球主流IoT 標準協議及功能實現等特點。

3.1 物聯網產品開發

使用OceanConnect 物聯網云平臺進行產品開發，首先選擇對應的設備型號、類型、通信協議等相關參數。不同類型的設備要接入到物聯網平臺并構建互聯互通方案，需要經過Profile 定義、設備開發、插件開發、測試認證等一系列過程。

首先在物聯網云平臺進行編解碼插件開發。編解碼插件主要作用是根據設置的消息類型與字段順序，將下位機通信模塊發送的傳感器監測信息數據解碼，并保存在對應的字段內。亦將下發命令與數據按照字段順序編碼，發送給下位機通信模塊。

結束編解碼插件開發后，需要進行產品模型（Profile）定義。Profile 定義用于描述設備具備的能力和特性，同時設置命令屬性，包含下發命令字段與相應命令字段的設置。通過Profile 命令屬性定義進行數據的分析和控制策略設計，當實時監控室內溫濕度超過設定閾值時，系統可向下位機發送發送命令調節室內溫度。人數在某個范圍內開啟相對應數量的燈光。煙霧出現時進行報警等功能。

3.2 Web 應用開發

物聯網云平臺的Web 應用開發使用了華為IoT Booster 平臺。IoT Booster 是一種無碼化的應用開發SaaS 服務，可以更加便捷、快速的構建應用，管理設備。IoT Booster 平臺搭建便捷，只需從組件面板拖拽所需模塊，并配置相關參數接口，即可配置對應的用戶界面。使用華為IoT Booster 平臺搭建物聯網監控界面如圖3 所示。

圖3 IoT Booster 界面圖

4 系統測試與分析

使用此系統對北方地區某酒店客房進行能耗監控測試，測試時間夏季下午17 時左右，室外溫度30 ℃。系統開始工作后監測房間內實時數據信息，可以得到數據結論：該客房內有一名測試人員，室內溫度26 ℃左右，空調出風口溫度16 ℃，送風口流速3 m/s，已用電量11.5 度，燈光環境與煙霧報警狀態均正常。系統的能耗監控實時頁面圖如圖4 所示。

圖4 能耗監控實時頁面圖

圖5 系統監測客房24 小時溫濕度變化曲線

根據酒店能耗監控系統測得客房當日監控結果，導出24 小時溫濕度監控數據并繪圖如圖5 所示。

由曲線可分析出，11:00 時系統檢測到人員進入房間，并開啟空調使房間溫度濕度降低。18:00 時由于環境溫度降低工作人員關閉空調，導致房間內溫度濕度上升。溫度曲線由顯著變化并可分析出，開空調可導致房間濕度降低。因此系統可有效及時地測量房間溫濕度，具有連續、準確、避免人為誤差的特性，便于即時查看能耗現狀，對不同供熱、制冷末端房間能耗進行經濟性評價，有利于制定酒店能源使用策略，提高酒店節能效率并減少運營成本。

5 結語

酒店能耗監控系統不僅實現了對酒店內能耗的監控，而且可以通過遠程端實現簡單的建筑電器控制。因此，酒店能耗監控系統提高了建筑能耗的監控效率，為進行酒店能耗經濟性評價提供數據基礎，實現酒店節能來達到大型商業建筑可持續發展。