浅谈基于LoRa技术的智能楼宇能源管理系统的分析与设计-安科瑞汪洋

2022-02-13

摘要：在城市建设的背景下，对城市建筑能源管理系统的应用提出了更高的要求。从目前各类公共建筑的运行情况来看，能耗问题还是比较突出的。依靠计算机、测控单元和通信设备单元的传统系统管理模式无法达到建筑能耗管理的目的。在此背景下，LoRa技术的引入提高了建筑能源管理系统的整体性能，达到了控制能耗的目的。本研究主要简要介绍LoRa无线技术，分析智能能耗管理系统的形式和性能，

关键词：LoRa无线技术；智能建筑能源管理系统；设计

1 简介

能源消耗作为我国当前公众关注的主要焦点，是全社会致力于解决的问题。相关研究数据统计显示，城镇总用电量中，大型公共建筑用电量占比较高。除了电力，水资源的能源消耗也很突出。解决这种情况的关键是做好大型公共建筑智能建筑能源管理系统的设计工作。这时，可以考虑在系统设计中引入相关技术作为支撑。因此，本文对LoRa技术应用下的智能建筑能源管理系统的设计与研究具有重要意义。

2 LoRa无线技术基本介绍

关于LoRa技术，它是一种具有低功耗和超远距离特性的无线通信技术。与物联网领域之前的蓝牙、wifi等技术相比，LoRa技术可以实现远距离传输。从该技术的具体特点来看，作为一种无线调制解调技术，可以应用于传输距离远、数据量小的场景。具有功率强劲、传输距离远、功耗低、体积小等特点，更适合用于楼宇能源管理系统，无需过多的运维成本，能满足智能化运行的要求。引入LoRa技术，其中组网网络通过星型拓扑呈现，网关用于终端设备与云端的连接。网关与服务器的连接通过标准IP实现，终端设备与网关的通信主要选择单跳方式，节点为双向通信。另外，从以往的实际研究中发现，在LoRa技术的应用下，网关可以同时接收和处理多个信号，网络容量高。可见，LoRa技术的应用，除了满足数据传输要求外，还具有低功耗的特点，

3 智能能耗管理系统的形式与性能

3.1 智能能耗管理系统解读

近年来，我国城市发展以智能建筑为主要方向。这类建筑侧重于对建筑相关的公共安全问题、设备管理问题和信息设施应用问题进行系统管理。整个智能建筑集管理、服务、优化于一体。使建筑环境更加节能、环保、方便、安全。在我国相关的建筑设计标准中，也对智能建筑的含义进行了定义，认为智能建筑本质上是一个统一的建筑环境，具有智能化和节能的特点，尤其是节能，需要管理、设备和建筑整体实现节能。在此基础上提出的能源管理系统主要是利用自动控制系统来完成计算机管理系统程序的编写。程序中有多个指令用于收集和分析建筑物的能耗参数。部分指令写为 控制指令将完成楼宇智能控制系统下的操作过程。

3.2 智能能耗管理系统的设计形式与性能

智能能耗管理系统的设计和开发旨在实时采集建筑物的实时数据。根据采集和监控的结果，远程管控有一定的依据。它是分层分布式的，具体结构涉及现场设备层、网络通信层和站控管理层。首先，从站控管理层来看，这部分位于系统的上层。涉及的结构设备包括UPS电源、打印机和监控主机，如监控主机设备，负责运行过程中的数据采集和处理。系统的内外数据传输需要通过监控主机提供的接入端口来实现，UPS作为不间断电源为系统提供持续供电。如果发生停电，站控管理层设备可以在UPS电源的供电下保持运行。在软件方面，采用人机兼容的形式对各类数据进行分析处理，结果以现场声音、数据或图形的形式呈现。其次，网络通信层，由总线网络、以太网设备、通信管理机等组成，用于数据信息交换，并将上位机的命令传递给现场设备，保证设备执行控制命令。具体分析以太网设备，主要是以太网交换机，通信管理机等各种部件，它们对采集到的数据进行处理，具有前端服务功能，同时采用光纤和双绞线作为通信介质，或者通过无线通信。此外，在现场设备层，其组成主要由智能电表组成，在保证数据的准确性和完整性的基础上，需要在这一层上传和存储许多能源消耗数据，例如测量仪器。在数据采集过程中，将数据实时传输到数据中心。比如以太网设备，主要是以太网交换机，以及通信管理机，它们对采集到的数据进行处理，具有前端服务功能，同时采用光纤和双绞线作为通信介质，或者通过无线通信。此外，在现场设备层，其组成主要由智能电表组成，在保证数据的准确性和完整性的基础上，需要在这一层上传和存储许多能源消耗数据，例如测量仪器。在数据采集过程中，将数据实时传输到数据中心。比如以太网设备，主要是以太网交换机，以及通信管理机，它们对采集到的数据进行处理，具有前端服务功能，同时采用光纤和双绞线作为通信介质，或者通过无线通信。此外，在现场设备层，其组成主要由智能电表组成，在保证数据的准确性和完整性的基础上，需要在这一层上传和存储许多能源消耗数据，例如测量仪器。在数据采集过程中，将数据实时传输到数据中心。或通过无线通信。此外，在现场设备层，其组成主要由智能电表组成，在保证数据的准确性和完整性的基础上，需要在这一层上传和存储许多能源消耗数据，例如测量仪器。在数据采集过程中，将数据实时传输到数据中心。或通过无线通信。此外，在现场设备层，其组成主要由智能电表组成，在保证数据的准确性和完整性的基础上，需要在这一层上传和存储许多能源消耗数据，例如测量仪器。在数据采集过程中，将数据实时传输到数据中心。

4 基于LoRa技术应用的智能建筑能耗管理系统设计与研究

4.1 系统设计要求

在智能建筑的发展趋势下建筑能耗管理，建筑能耗系统也成为近年来许多公共建筑设计的主要部分。在过去的系统设计中，使用的主要工具是通讯设备、计算机和测控单元。在系统运行中，选择了光纤环。网络、现场总线等组网方式，实现实时数据采集、开关状态监测，系统可满足远程控制和管理要求。值得注意的是，由于数据点在数据采集中过于分散，需要考虑如何解决数据传输中空间距离跨度过大的问题，需要做好中继器和网关设置。这些都使能源管理系统的应用面临诸多困难。另外，如果从建筑物的实际能耗来看，能源消耗的来源主要集中在电力、照明、生活热水、空调、供暖、办公设备等方面。能源消耗以水、电、燃气等。它的范围很广，一般用于记录能源消耗问题，主要用冷热表、水表和电能表。运营成本会很大。综合来看，人工抄表成本高，传统楼宇能耗系统无法解决数据传输空间距离大的问题，因此考虑引入LoRa无线技术。

4.2 数据传输网络设计

本次研究选择的建筑为医院建筑，其特点是每层面积大，包括多个功能隔断，房间隔断较多，能耗问题明显。同时，建筑以传统布线方式为主。在实际建设中，面临设备光纤成本高、建设量大的特点。智能建筑能耗管理系统的设计目前正处于转型阶段。改造过程中发现，由于电缆井的位置，需要重复布线，投资成本高，能源浪费明显。同时，改造过程中可能会影响原有系统运行。在这种情况下，

在具体改造设计中，LoRa技术的引入使整个系统细化为4层，即网关、现场采集设备、终端数据处理设备和云端。系统中的现场数据采集设备，包括冷热表、水表、远程电能表等，通过有线连接的方式与LoRa模块相连。当电表采集到数据信号后，将其传输到模块中并进行转换，从而将转换后的数据传输到LoRa网关并连接到网关和云服务器，从而达到上传和上传的目的。管理数据。同时，在设计过程中，计算机终端主要安装在管理层。为了方便数据检索和能耗分析，需要打开电脑终端才能访问云服务器。另外，在系统设计中要保证数据库的合理设计，可用于与能耗管理相关的数据存储，为后续的管理分析提供依据，以便在使用过程中有相应的参考依据。建筑能耗管理。

此外，将星型拓扑结构引入医院能耗管理系统。网关以透明中继的形式呈现，与终端处理设备和云服务器相连。终端设备与多个网关之间的通信采用单跳方式实现，网关需要一个标准IP才能连接到服务器。考虑到医院系统的设计要求，云服务器和LoRa网关布置在顶层机房。实际研究发现，每平方公里内，一个LoRa网关可以连接5000台终端设备。因此，医院只需要在顶层机房设置一个网关，既满足系统协同的要求，

4.3 系统应用效果

本次研究选取的医院楼层共5层，涉及急诊观察病房、ICU机房、绿色应急通道、急诊急诊大厅、门诊挂号收费区、门诊大厅及设备室等多个子区域区域内有相应的计量设备，包括水表、电表等，在设计过程中，各个设备的数据都是借助LoRa模块传输到网关的。在此基础上，网关上传并存储到云服务器，通过管理设备可以对数据进行检索和分析。同时，本次设计中还提到了能耗管理数据库的建设。因此，医院在分析能耗问题时，可以直接从中调取数据，对其进行分类总结，预测未来发展趋势。做好能源管理工作，达到节能降耗的目的。

5 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集/网络技术、GPRS无线传输技术、Web软件技术、数据库技术于一体的大型数据综合管理系统。系统为各级能耗管理人员、内部用户和观众提供接入网络通道，搭建合理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和应用，将政府管理部门、企业生产管理、计量管理、节能管理提升到了一个新的高度。

能量构成及监测内容：

图 1 能量构成

图2 监控内容

用电：采集采暖、锅炉、空调、制冷、照明、办公、电梯、水泵、风机、换气扇等用电设备的用电信息。主要监控其耗电量，针对大耗电设备监控其电流、电压、功率因数等信息。

配电：采集6kv/10kv配电开关柜、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、电能等。

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；

气体用途：煤气、天然气；具有485通讯功能的燃气表；

环境参数：采集温度/湿度计，485通讯功能；采暖空调供回水温度；

5.2 系统框架

图 3 系统框架

（1)能耗管理系统：本系统可定时录入并实时采集煤、电、油、气、热、水等耗能及耗能工质，对能耗数据进行整理存储，并为汇总分析和报告提供数据支持。

(2)能源利用状况信息报告系统

通过该系统，用能企业可以向市节能监督中心提交当年的《能源利用状况报告》。经初审后，上报省节能监察组审核，再上报国家有关部门。

(3)单位能耗等级识别与评价系统

利用能耗的单位能耗数据，分析评估企业的能耗状况，发现问题。为政府节能管理部门掌握和分析信息、研究节能改造、制定相关政策措施提供科学依据和平台。

(4)决策服务与专家咨询服务体系

系统提供直观、简洁、快速的数据信息查询和决策支持服务。对用能企业的能源消耗提供科学合理的咨询和指导，帮助用能企业及时、正确、可行地提出解决方案。

(5)能源消耗预测、能源安全预警系统

通过系统掌握用能企业的能源采购、使用、消耗和生产情况，综合评价分析企业能源消耗情况，比较同期值和限值，对能源消耗超标进行预警.

在获取能源使用情况的基础上，进行数据挖掘和分析，实现能源消耗的预测分析功能，为政府相关部门的宏观决策提供支撑系统。

（6)节能监测与信息发布、法律法规知识培训系统：

通过该系统平台，可以对用能企业进行节能监测；可以发布节能法律、法规和标准，以及能源基础知识、能源统计知识、节能监测方法等资料；可办理与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

系统将各企业能源监控中心的数据信息采集到后台的数据库系统，经过分析处理后提供分析、预测和预警功能。同时，通过门户网站、无线终端等方式，为省、市领导及有关委办局提供多方位、可视化的便捷服务。

图4 系统结构

5.4 能耗监控系统

六，结论

LoRa技术的应用为智能建筑能源管理系统的设计提供了保障。在系统设计中，要正确认识LoRa技术的应用优势，包括低功率传输和远距离传输。在此基础上，应结合建筑能源管理系统的设计要求引入LoRa技术。在具体设计中，主要要从数据传输网络的设计入手，确保满足网关、现场采集设备、终端数据处理设备和云端各部分的运行要求，使在整个系统的运行下，可以实现能源相关数据的采集、分类、分类。通过数据分析和预测，可为后续的能耗管理工作提供依据，推动智能建筑的建设和发展。返回搜狐，查看更多