CN103236102B - 基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源管理技术领域，具体地说是一种基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统，其包括：能源监控子系统：实时监测、控制能源设备的工作状态；能源分析子系统：接收检测、分析数据；能源计量管理子系统：对数据进行处理、管理；客户端查询控制子系统：向用户提供相应的能源数据查询和相关能源设备的控制。本发明非破坏性的、智能、易于使用的以及在部署过程中几乎不影响现有的工作环境，可以支持同一幢楼中的多租户。每一个租户可以控制他们在这幢楼中的自己区域。可以动态的根据环境、用户定义的模式、参数等因素进行智能分析，决定连网的传感器和能源设备的交互作用，在不降低环境舒适度的情况下达到节能减排的目标。

Description

基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统

[技术领域]

本发明涉及能源管理技术领域，具体地说是一种基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统。

[背景技术]

市场趋势表明，在未来的25年，全球能源需求将提升多达57%。到2030年，亚洲能源消耗总量预计将占全世界的56%。能源成本将继续上升，因此，针对商业建筑的智慧能源管理对于企业保持未来竞争力是十分重要的。

新建筑的设计可以彻底使用如今能源节约和管理方法，但是大多数建筑建造于一个能源花费便宜以及节约不是一个问题的时代。这些旧的建筑在设计时为了满足极端情况下比如在一年中最热或者最冷的天能有一个舒适的环境。然而，在大多数的其他时间中，只有部分的系统是负载的。因此，制冷或制热的能源成本通常占建筑公用事业账单的35%以上。另一个主要的能源消耗则是照明，估计占到25%。

为了应对能源管理的挑战，解决方案必须在改造已存建筑的能源效率期间，最小程度的影响进行中的商业活动。改装现有建筑的能效不能耗时太久、昂贵或者妨碍现有租户。在有效管理建筑的空调设备时会经常遇到一些技术问题：许多HVAC系统产生一个恒定的风量，比如，不论负载多少或温度高低，很多建筑管理系统仅仅是在特定时间关闭或者打开风扇，从而导致温度控制问题和能源的浪费。尽管通过设备改造，恒定的风量对于变化的风量会更有效率，但是由于改造的要求，这种改造花费昂贵并且会妨碍租户。

大型建筑的温度管理在实现中会遇到另外的挑战。针对不同的租户通过动态热控制去提供始终如一的、统一的温度是一项令人望而却步的任务。

随着智能电网的出现，在将来，电力定价模块可能可以基于实时需求。这也就是说，任何能源管理系统必须提供实时动态范围设置和控制以及远程监控和控制能力。

现有解决方案中在设备层多采用GPRS(通用分组无线服务技术,它是移动电话用户可用的一种移动数据业务),1、在监测环节上可能存在盲点,(如在现有楼内,一般在地下,手机信号一般比较差,有的角落根本没有信号),这样监测的数据就可能不准确；2、所有传输的数据,需要经过电信运营商的基站进行传输,在电信运营商的业务高峰期,数据丢失现象比较严重,性能比较差,如发现是运营商的基站处理性能有瓶颈,依赖电信运营商解决的可能性比较少；3、正是因为数据传输严重依赖电信运营商,所以对设备能耗的监测和控制有较大的延时；4、每一个传输点都是比较孤立的,某一个传输点坏掉就可能影响一台设备,就可能失去了对一台设备的控制；5、使用GPRS通讯,需要占用电信运营商的资源,每年都需要向电信运营商交钱,相对而言成本比较高。

[发明内容]

本发明的目的就是针对上述的缺陷，提出一种基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统。非破坏性的、智能、易于使用的以及在部署过程中几乎不影响现有的工作环境，可以支持同一幢楼中的多租户。每一个租户可以控制他们在这幢楼中的自己区域。可以动态的根据环境、用户定义的模式、参数等因素进行智能分析，决定连网的传感器和能源设备的交互作用，在不降低环境舒适度的情况下达到节能减排的目标。同时业主可以通过基于触摸屏开发的智能客户端程序控制自己独立的区域，还可以查看实时的能源消耗情况。对于管理部门可以通过智能能源管理系统不仅可以从不同的维度得出能源消耗的历史数据、实时数据，还能根据智能能源系统的分析做出预测和预警。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统，其包括：

能源监控子系统：实时监测能源设备的工作状态，并将工作状态数据和能耗数据实时传输给能源分析子系统；实时接收能源分析子系统的控制命令对能源设备的工作频率进行调整，并将调整后的参数回送给能源分析子系统；

能源分析子系统：接收到能源监控子系统传输的数据，并与历史数据进行对比分析，并做出分析预测，判断是否已经接收过，如果已经接收过做抛弃处理，如果是新数据则向能源计量管理子系统传递，在能源计量管理子系统计算完成后，接收能源计量管理子系统的返回值，并向能源监控子系统下达控制命令；

能源计量管理子系统：对能源分析子系统传输过来的数据，和客户设定的参数值进行比较、分析，计算决定是否需要对能源设备的转速、流量进行调节，或者是关停，如果是要对转速进行调节，则计算调节值，并将指令下达给能源分析子系统；并且将设备的实时数据进行存储和供显示终端查询，提供标准接口供第三方使用；

客户端查询控制子系统：向用户提供相应的能源数据查询和相关能源设备的控制，对能源设备的参数进行设置。

所述能源监控子系统包括：设备状态检测与恢复子系统、控制单元及检测单元，所述设备状态检测与恢复子系统监测控制单元、检测单元工作的状态，发现控制单元、检测单元工作状态异常将发出警报并将其恢复到初始状态；所述控制单元为安装在能源设备上的电路开关、智能控制器及流量控制器，所述检测单元为安装在能源设备上的传感器。

所述传感器包括：光敏传感器、温湿度传感器、声敏传感器、生物传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、流量传感器。

所述客户端查询控制子系统包括触摸屏显示控制终端、Web应用程序或者第三方系统。

所述能源设备包括电能设备、光能设备、热能设备及自来水管道设备。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、无线传感器是自组织的,节点与节点之间的关系预先不用设定,节点之间的关系能够在部署后自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统.传感网络的自组织性能够适应网络拓扑结构的动态变化,在监测区域只有部署几个节点就不存在监测盲点。

2、无线传感器都具有路由转发功能,节点与节点之间就可以形成无线传输网络,网络的扩展具有自主性和自适应性。

3、数据传输的距离相对较短,速度比较快,对设备控制和监测相比较而言更加的实时和准确。

4、因为节点之间都可以转发数据,所以某一个传输节点出现故障,并不影响监测和控制数据的传输,所以可靠性更高。

5、由于技术的进步,现在无线传感器的价格极其低廉，成本比较低。

6、无线传感器设计时就考虑到复杂的环境应用场景,不可能靠人工照顾每个传感节点,因此传感器从硬件上就作了保密性和容错性以及安全性设计,所以安全性更高保密性更强。

[附图说明]

图1：为本发明的能源管理系统的结构原理图；

图中：1为客户端查询控制子系统，2为能源计量管理子系统，3为能源分析子系统，4为能源监控子系统，5为控制单元，6为设备状态检测与恢复子系统，7为检测单元，8为能源设备。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

能源设备8包括电能设备、光能设备、热能设备及自来水管道设备。

检测单元7

即为无线传感器包括:

光敏传感器：安装在电灯旁边；

温湿度传感器：在空调房间多点安装,不是只在出风口或者距离出风口太近,否则温度调控不精准；

声敏传感器安装楼道等；

生物传感器安装的房间拥有检测房间是否有人；

电流传感器安装在电器的线路上；

电压传感器安装在电器的线路上；

温度传感器安装在水管出水口；

流量传感器安装在水管的进出水口。

上述无线传感器构成网状无线传感器网络，实时控制温度的起伏波动需要强大的封闭循环控制技术，通过读取很多传感器数据进行决策从而直接的、动态的控制HVAC系统的空气处理部件。采用先进的、领先的工业级的Dust Networks公司的无线网状网络传感器。采用Time-Synchronized Channel Hopping(TSCH)技术，这个技术结合了时间分集、频率分集和物理的多样性以确保可靠性、可扩展性、电源灵活性和易用性。

使用Dust Networks传感器建立的网状网络提供了一个在自我配置、每个结点作为中继的情况下最优的解决方案，并且使部署成为一个快且简单的任务。此外，它有最好的RF特征之一，在工业环境（通常拥有大量的射频噪声（RF））下提供了鲁棒的、可靠的无线网络。这些噪声来自服务器、UPS逆变器、无线网络连接比如WiFi和移动电话产生的干涉可以显著降低网络性能。

这些无线传感器被放置在一个贯穿测量和采集输入和输出温度设备的战略位置。每个传感器节点的位置是通过友好的Web界面输入到能量管理系统服务器，这种服务器可以设置在本地或云。该设施的CAD图纸也被上传，以至于每一个传感器的位置可以在图纸上显示。

网状网络还包括有线网络管理，有线网络管理可以监控和管理网络的性能和使数据中继到管理应用，也可以从其他节点或者主机中继到无线网络节点（被称为“传感器”），亦可以从无线网络节点中继到其他节点或管理应用。

网络节点是超低能耗的无线收发器去传输数据到或接受数据来自集成传感器或控制器，并且使用一个on-board发射器去发送包到相邻的节点。每一个节点通过包传递给其他的节点，通过一系列的hops传送数据到目的地。预先设置的节点可以通过网络且不会中断网络通讯的情况下增加或者移除，从而创建一个高度灵活和可扩展的系统。

在部署期间，传感器可以逻辑的分为不同的区域，从而允许基于区域的多租户独立的管理。

设备状态检测与恢复子系统6

本系统不仅可以通过能源计量管理子系统进行控制和管理，还可以保密的、远程的通过管理和监测终端进行控制。它将提供一个保密的XML网页服务（或API）以提供远程的系统集成。每个区域的设施可以单独远程地集成，并为客户供一个集成能源管理系统。系统可选基于监测的云系统以控制和记录数据。现场系统通过互联网连接到云系统，可以集中管理、监控、性能分析、消耗模型，预警警报等等。这样的连续检测也可以立即标注消耗波动和其他的异常现象，这样可以更早的预示大型的机械故障。远程监控可以确保已安装的产品发挥最大的性能和节省能源和花费可以达到预期。作为智能电网部署的发展，增加额外的软件可以与公共事业公司管理的智能电网进行实时交互。它进一步的扩展了与城市广泛智能电网负载的平衡的工作能力。

控制单元5包含:

电路开关：控制电的开与关；

智能控制器：控制空调的关停,转速等；

流量控制器：控制水的流量。

能源监控子系统4

实时监测能源设备的工作状态，并将工作状态数据和能耗数据实时传输给能源分析子系统；实时接收能源分析子系统的控制命令对能源设备的工作频率进行调整，并将调整后的参数回送给能源分析子系统。该系统使用行业标准借口协议，热控制、通风、空调、电和管道系统使用BACnet。系统可以支持其他的协议比如Lon，亦可根据市场需求定制。通过协议，系统可以管理风扇的速度，在大范围地域里的暖气和冷气从不同的机器的输出。该系统可以划分多个区域去监测和控制。每个区域都可以单独的控制和检测，以满足多租户的建筑。

能源分析子系统3：

接收到能源监控子系统传输的数据，并与历史数据进行对比分析，并做出分析预测，判断是否已经接收过，如果已经接收过做抛弃处理，如果是新数据则向能源计量管理子系统传递，在能源计量管理子系统计算完成后，接收能源计量管理子系统的返回值，并向能源监控子系统下达控制命令。

能源计量管理子系统2：

对能源分析子系统传输过来的数据，和客户设定的参数值进行比较、分析，计算决定是否需要对能源设备的转速、流量进行调节，或者是关停，如果是要对转速进行调节，则计算调节值，并将指令下达给能源分析子系统；并且将设备的实时数据进行存储和供显示终端查询，提供标准接口供第三方使用。该系统自主性和自适应性的控制算法分析从数千个实时传感节点反馈的数据，以及通过用户的控制从而通过所有的设备提供一个能耗最小的又能使得多区域温度舒适。该系统不仅处理和分析从网状网络传感器收集到的大量数据，也通过BACnet协议连接和控制制冷和空调单元。这提供了必要的封闭循环的方法去监测引擎的使用情况，监测引擎的使用情况这对于智能、自动控制管理复杂的冷热资源和建筑内风量的系统是必要的。可以适应并且动态的根据环境、用户定义的模式、参数进行自我配置。比如现场情况发生改变，系统可以根据环境情况反馈做出决策，决定连网的传感器和制冷单元的交互作用。它也记录传感器和控制信息以及适用于网络中各种资源不断提供的历史走向。这可以允许进一步的假设分析，以至在未来可以决策出最好的配置和设备控制。这也可以帮助鉴别出落后的能源效率设备需要更换的情况。

该系统会提供给客户基于数据收集和记录的报告、图表、走向分析。这可以使客户获得可见的和直观的设备的运行情况包括他们的使用模式和能源消耗。因此，它可以使客户更多监控和管理，并且为他们省下巨大的公共账单开支。

客户端查询控制子系统1：

向用户提供相应的能源数据查询和相关能源设备的控制，对能源设备的参数进行设置。提供给客户一个应用使他们可以控制和设置他们的独立区域。它是一个触摸屏的仪表盘，提供控制和报表查看功能。它可以使客户仅仅通过简单的触摸一个按钮就可以查看和减少他们的实时能源消耗情况。

另外，本发明将会在如下部分发布针对第三方系统的开放端口：监控系统(CCTVor IP)、火警系统、门禁系统、电梯和自动扶梯、水管和水检测等。通过一些少量的工作，本系统可以作为一个端口连接其他的建筑自动、管理系统。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统，其特征在于，其包括：

能源监控子系统：实时监测能源设备的工作状态，并将工作状态数据和能耗数据实时传输给能源分析子系统；实时接收能源分析子系统的控制命令对能源设备的工作频率进行调整，并将调整后的参数回送给能源分析子系统；

能源分析子系统：接收到能源监控子系统传输的数据，并与历史数据进行对比分析，并做出分析预测，判断是否已经接收过，如果已经接收过做抛弃处理，如果是新数据则向能源计量管理子系统传递，在能源计量管理子系统计算完成后，接收能源计量管理子系统的返回值，并向能源监控子系统下达控制命令；

能源计量管理子系统：对能源分析子系统传输过来的数据，和客户设定的参数值进行比较、分析，计算决定是否需要对能源设备的转速、流量进行调节，或者是关停，如果是要对转速进行调节，则计算调节值，并将指令下达给能源分析子系统；并且将设备的实时数据进行存储和供显示终端查询，提供标准接口供第三方使用；

客户端查询控制子系统：向用户提供相应的能源数据查询和相关能源设备的控制，对能源设备的参数进行设置；

所述能源监控子系统包括：设备状态检测与恢复子系统、控制单元及检测单元，所述设备状态检测与恢复子系统监测控制单元、检测单元工作的状态，发现控制单元、检测单元工作状态异常将发出警报并将其恢复到初始状态；所述控制单元为安装在能源设备上的电路开关、智能控制器及流量控制器，所述检测单元为安装在能源设备上的传感器；

所述传感器包括：光敏传感器、温湿度传感器、声敏传感器、生物传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、流量传感器；

所述传感器为工业级Dust Networks 传感器，并采用Time-Synchronized ChannelHopping技术，并构成网状网络，所述传感器在部署期间可以逻辑的分为不同的区域，从而允许基于区域的多租户独立的管理，所述网状网络还包括有线网络管理，有线网络管理监控和管理网络的性能和使数据中继到管理应用，或从其他节点或者主机中继到无线网络节点，亦或从无线网络节点中继到其他节点或管理应用；所述网络节点使用一个on-board发射器去发送包到相邻的节点，每一个节点通过包传递给其他的节点，通过一系列的hops传送数据到目的地，预先设置的节点可以通过网络且不会中断网络通讯的情况下增加或者移除；所述每个传感器节点的位置是通过友好的Web界面输入到能量管理系统服务器，这种服务器可以设置在本地或云，设施的CAD图纸也被上传，以至于每一个传感器的位置可以在图纸上显示。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统，其特征在于：所述客户端查询控制子系统包括触摸屏显示控制终端、Web应用程序或者第三方系统。

3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的智能化楼宇能源管理系统，其特征在于：所述能源设备包括电能设备、光能设备、热能设备及自来水管道设备。