基于物聯網的某醫院能耗計量與監測系統設計及應用

摘要：隨著醫療行業的快速發展，大型醫院的能耗問題成了關注的焦點，文章設計了一種基于物聯網技術的醫院能耗計量與監測系統，通過智能終端采集電能表的數據，以4G的方式將各個電能計量設備的數據傳輸至云服務器，開發了Modbus協議解析接口，設計了基于Web的在線監測系統，實現了對醫院電能表的實時監測、精準計量和科學管理。文章詳細介紹了系統的總體架構、硬件設計、軟件設計以及關鍵技術實現過程，通過實際應用案例驗證了系統的有效性和可行性。

關鍵詞：物聯網；能耗監測；智能終端；醫院

中圖分類號：TP311" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國醫療衛生事業的不斷發展，醫院的規模和數量不斷增加，醫院能源消耗也在逐年上升。電能作為醫院的主要能源消耗，其費用支出占醫院總運營成本的比例較大。因此，對醫院電能進行準確計量和實時監測，加強醫院電能管理，降低能源消耗，提高能源利用效率，對于降低醫院運營成本，實現可持續發展具有重要意義。

1 物聯網技術

以新一代信息通信技術為核心的物聯網技術立足于信息化與工業化深度融合，廣泛應用于各個領域。物聯網為產業數字化轉型提供了新支撐，為數字經濟發展拓展了新空間^［1］，隨著5G、邊緣計算、人工智能等技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，物聯網將實現更加高效、智能、安全的連接和服務。

物聯網技術在大型建筑能耗監測系統中的數據采集、數據傳輸與通信、數據分析與處理以及系統集成與管理方面發揮著重要作用^［2］。各類傳感器被大量安裝在建筑中，用于采集能耗相關數據。如在各個能源供應點（變電站、配電室等）和能源消耗點（辦公樓、研發中心等）安裝各類傳感器，包括電流傳感器、電壓傳感器、功率傳感器、智能電能表等，用于實時采集電力數據，精確監測用電負荷、功率因數等參數。對于水、氣、熱等其他能源形式，安裝相應的流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等，以獲取全面的能耗信息。通過物聯網技術，能夠將建筑的能耗按照不同的能源類型（如電、水、氣、熱等）以及不同的用能區域、設備類型等進行分類計量。這樣可以更精確地了解建筑內能耗情況，為后續的能耗分析和管理提供詳細的數據支持。

在能耗管理系統中，多種通信技術被應用于物聯網系統的數據傳輸。短距離通信技術如藍牙、ZigBee 等常用于建筑內局部區域的設備連接和數據傳輸^［3］，例如智能照明系統中燈具之間的通信；Wi-Fi 技術則廣泛應用于建筑內移動設備與能耗管理系統的連接以及一些對數據傳輸速率要求較高的場景。利用 ZigBee、LoRa 等低功耗廣域網技術構建無線傳感網絡，將分散在各處的傳感器連接起來。這些無線技術具有部署靈活、成本低、功耗小等優點，適合大規模的能耗數據采集。而對于遠程數據傳輸和建筑與外部管理平臺的通信，移動通信技術（4G/5G）以及有線網絡技術（如以太網）則發揮著重要作用。智能終端采集到的數據通過無線方式傳輸至匯聚節點，再由匯聚節點上傳至能耗監測系統的數據中心。

在大型建筑中，能耗數據需要實時、準確地傳輸到管理平臺，以便管理者及時了解建筑的能耗狀況。現在的通信技術能夠較好地滿足這一需求，減少了數據傳輸中的丟包、延遲等問題，確保了能耗數據的及時性和準確性，提升了傳輸的穩定性和可靠性。

將建筑內的各種能源系統（如電力系統、暖通空調系統、給排水系統等）以及相關的設備和傳感器通過物聯網技術連接到一個統一的管理平臺上，這樣可以實現對建筑能耗的全面監控和管理，提高管理效率和能源利用效率^［4］。例如，在一些大型醫院，通過集成化的管理平臺，可以同時監控醫院內的醫療設備用電、照明用電、空調系統運行等情況，并進行統一調度和管理。

大型建筑的能耗管理系統能夠對采集到的能耗數據進行基本的分析和處理。例如，計算建筑的總能耗、不同時間段的能耗變化趨勢、不同區域或設備的能耗占比等。通過這些分析，管理者可以初步了解建筑的能耗情況，發現一些明顯的能耗問題，如能耗高峰時段、高耗能區域等。此外，引入人工智能、大數據分析等技術，對能耗數據進行更深入的分析和預測。通過對歷史能耗數據的學習和分析，系統可以預測未來的能耗趨勢^［5］，為管理者制定節能策略提供參考。

能耗管理平臺的功能也在不斷豐富和完善。除了基本的能耗數據監測和分析功能外，一些平臺還具備設備遠程控制、能源審計、節能方案制定、報警管理等功能。例如，當能耗數據出現異常波動時，管理平臺能夠及時發出報警信息，提醒管理者進行排查和處理；平臺還可以根據建筑的能耗情況和節能目標，制定個性化的節能方案，并對節能效果進行評估。

2 系統架構

某醫院的電能耗管理目前仍采用傳統的人工抄表方式，存在數據不準確、時效性差、管理成本高等問題。同時，醫院缺乏對電能耗的實時監測和分析，無法及時發現能源浪費現象，也難以制定有效的節能措施。為此，本文基于物聯網技術設計能耗計量與監測系統以實現能耗數據的自動采集、分析與管理。

所設計的基于物聯網的某醫院能耗計量與監測系統主要由電能計量傳感器、智能終端、數據采集器、通信網絡、云服務器和客戶端組成。電能計量傳感器負責采集醫院內各個電能設備的電力能耗數據，4G網關機負責將采集到的數據傳輸至云服務器，云服務器負責對數據進行存儲、分析和處理，客戶端負責為用戶提供系統的訪問界面。

能耗計量與監測系統的整體功能架構如圖1所示，自下向上分為感知層、網絡層、平臺層與應用層。感知層主要由各種傳感器和智能儀表組成，負責采集電量能耗數據。

網絡層主要由通信網絡和數據傳輸設備組成，負責將感知層采集到的數據傳輸到平臺層。它采用多種通信技術，如 ZigBee、LoRa、NB-IoT 等，以適應不同區域環境和通信需求。同時，數據傳輸模塊還具備數據加密和糾錯功能，確保數據的安全性和準確性。網關在對數據進行初步處理和整合后，通過互聯網將數據發送至平臺層的云服務器。

平臺層接收到來自網絡層數據傳輸模塊的數據后，進行數據清洗、分析和處理，用于存儲采集到的電能參數數據和應用層處理后的分析結果，為應用層提供統一的數據支撐。平臺層的數據存儲包括實時數據域、時序數據庫、關系數據庫與運行規則庫。

應用層主要由監測中心和管理軟件組成，負責對數據進行分析計算、處理和展示，具備數據接收、數據處理、數據分析、報警管理、報表生成等功能，為用戶提供能耗監測和管理服務，用戶終端的種類包括電腦、手機、平板電腦等。

Web監測網站的整體功能模塊組成如圖2所示，監測網站基于Web進行開發，前端采用B/S架構，即瀏覽器模式。前端框架使用Bootstrap，JavaScript腳本庫框架使用jQuery和Vue，圖標庫使用HighChart、 ECharts、AntDesign。前后端通信采用WebSoket與WebService。實時監控畫面采用SVG技術進行展現與數據刷新。前后端數據交互，監控畫面測點的實時值采用WebSocket技術，其他交互采用WebServeice /AJAX。

平臺層與應用層分布式部署運行于云服務器上，具有彈性擴展、高可用性、較好成本效益和快速部署的特點。能夠根據業務需求靈活地調整計算資源，如 CPU、內存、存儲等，實現快速地擴容或縮容，滿足業務動態變化，采用冗余架構和故障轉移機制，大大降低了服務器宕機風險，保障業務的持續穩定運行，且無須前期的大額硬件投資，用戶只須按需付費，有效降低了運營成本。此外，能夠在短時間內完成服務器的創建和配置，加快業務上線的速度。

3 關鍵技術

3.1 數據采集

智能電能表支持Modbus RTU串口通信方式，使用RS485物理接口，屬于半雙工的方式通信^［6］，項目現場實際布線時采用線材特性阻抗120 Ω屏蔽雙絞線，這有助于減少2根RS485 通信線之間產生的分布電容以及外界的共模干擾。每塊智能電能表提供一對通信端子，屏蔽雙絞線，

采用手拉手菊花鏈總線連接方式將智能電能表通信端子中的所有A端子連接在一起^［7］，所有B端子連接在一起，A端子統一使用藍色通信線，B端子統一使用紅色通信線。為保證通信質量，本項目中每條主電纜鎖連接的負載設備即智能電能表的個數最大按照20個進行設計。

4G網關機對下通過串口線連接電能表，對上通過4G網絡連接到云服務，實現Modbus RTU與Modbus TCP之間的協議轉化。Modbus協議遵循主從協議，在同一個總線通信線路上只會有一個主機，4G網關機是主機，該線路上的所有智能電能表是從機，所有的通信過程全部由主機主動發起，從機接收到主機請求后，會對請求做出響應。從機不會主動進行數據的發送，從機之間也不會有通信過程。

采用C++語言在云服務器上編寫Modbus TCP接口應用程序，接口程序首先綁定指定的服務器端口進行監聽，4G網關機啟動后首先向指定的服務器IP地址與端口發送身份注冊報文，Modbus TCP接口應用程序如果校驗失敗，則斷開本次TCP連接，如果驗證通過，則基于Modbus TCP協議并根據智能電能表的設備地址、測點的寄存器地址下發請求報文，網關機采用透明傳輸模式，將接收到的Modbus TCP格式報文轉換成Modbus RTU格式，通過串口總線下發給智能電能表，目標設備地址的智能電能表根據請求做出響應，網關機收到后再轉發給云服務器上的Modbus TCP接口應用程序。部分代碼如下所示。

//校驗modbus返回報文準確性與合規性

static int check_confirmation（uint8_t*req， uint8_t*rsp， int rsp_length）

{

int rc;

int rsp_length_computed;

int length = 2 + 2 * （req［offset + 3］ lt;lt; 8 req［offset + 4］）;

int compute_response_length_from_request = offset+length;

int _function = rsp［offset］;

rsp_length_computed = compute_response_length_from_request;

if （（rsp_length == rsp_length_computed） amp;amp; _function lt; 0x80）

{

int req_nb_value;

int rsp_nb_value;

if （_function ！= req［offset］）

{ return -1;}

…

req_nb_value = （req［offset + 3］ lt;lt; 8） + req［offset + 4］;

rsp_nb_value = （rsp［offset + 1］ / 2）;

}

…

return rc;

}

3.2 智能預警

在云服務器內，基于采集到的電能數據進行分析與預警，進而提高用電安全性、提高用電效率、保障用電連續性。

過載運行會使電線的絕緣層加速老化，嚴重時可能導致短路。通過實時監測電路中的電流防止運行過載，當電流超過預先設定的安全電流閾值時，就會觸發過載預警，過載預警功能可以有效避免這些潛在危險。

電壓過高可能損壞電器設備，如導致電子設備電源模塊燒毀等；電壓過低則會使電器設備無法正常工作，如電動機類設備轉速下降等。智能預警可以持續監測電網電壓。正常的電壓范圍一般在額定電壓的 ±10% 左右，當電壓超過閾值并持續一定時間時，電能表就會發出電壓異常預警，預警功能可以讓用戶及時采取措施，如使用穩壓器來保護電器設備。

智能電能表可以計算電路中的功率因數。功率因數過低會導致電網的無功損耗增加，影響供電效率。當功率因數低于設定的標準值，就會發出預警，提醒用戶對無功補償設備進行檢查和調整，提高用電效率。

諧波會對電網質量產生不良影響，如干擾通信系統、使電容器等設備過熱損壞。系統能夠分析電路中的諧波成分。在含有大量非線性負載（如電子鎮流器、變頻設備等）的電路中，會產生諧波。當諧波含量超過一定標準（如總諧波畸變率超過規定的 5% ），就會發出預警。預警可以讓用戶對產生諧波的設備進行濾波處理，改善電能質量。

4 工程應用

將設計的軟硬件架構與功能模塊應用到某醫院，選擇MySQL作為醫院電能耗數據存儲和管理的數據庫系統，設計數據表結構，包括電能耗數據表、設備信息表、用戶信息表等。采用面向對象的編程語言開發云服務器應用程序，實現對電能耗數據的存儲、分析和處理。應用程序應具有良好的可擴展性和可維護性。

Web界面上可進行數據查詢、報表生成、報警管理、遠程控制等，界面樣式如圖3所示。圖3是對各個智能電能表的集中監控畫面，可以實時監測電能表的三相電流、三相電壓與有功電能。

5 結語

本文設計了一種基于物聯網的醫院能耗計量與監測系統，給出了軟硬件架構、主要功能模塊的設計方法與關鍵技術的實現方法，基于Modbus協議采用C++語言在云服務器上編寫Modbus TCP接口應用程序，通過 4G 網關機將醫院內各個電能計量設備的數據傳輸至云服務器，通過對物聯網技術、傳感器技術、通信技術和數據分析技術的綜合應用，最終實現了對醫院電能耗的實時監測、數據分析和管理，通過實際應用案例驗證了系統的有效性和可行性。該系統能夠為醫院提供高效、準確的能耗監測解決方案，提高能源利用效率。

參考文獻

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［7］郭瓊，姚曉寧.基于Modbus的多站點互聯通信系統應用研究［J］.制造技術與機床，2020（4）：30-33.

（編輯 沈 強編輯）

Design and application of energy consumption measurement and monitoring system

for a hospital based on IoT

WANG" Ben， YAN" Wenjuan， LU" Ke， GUO" Xiaofeng， ZHENG" Mingming

（Nanjing Vocational Institute of Mechatronic Technology， Nanjing 211306， China）

Abstract：" With the rapid development of the medical industry， the energy consumption of large hospitals has become a focus of attention. In the article， a hospital energy consumption measurement and monitoring system based on Internet of Things （IoT） technology is designed， which collects the data from the electricity meters through intelligent terminals， transmits the data of each power measuring device to the cloud server by 4G， develops the Modbus protocol parsing interface， and designs the online monitoring system based on the Web. It realizes real-time monitoring， accurate measurement and scientific management of hospital electricity meters. the article describes the overall system architecture， hardware design， software design and key technology implementation process， and verifies the effectiveness and feasibility of the system through practical application cases.

Key words： Internet of Things; energy-consuming supervising; intelligent terminal; hospital