周建林,楊立志

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，江蘇 無(wú)錫 214405)

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高校能耗監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)

周建林,楊立志

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系，江蘇 無(wú)錫 214405)

提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高校能耗監(jiān)控解決方案.采用以WebService架構(gòu)為基礎(chǔ)的云服務(wù)，通過(guò)ESP8266 WIFI芯片將能耗設(shè)備與服務(wù)器相連，采集能耗參數(shù)，在Android智能設(shè)備中監(jiān)控能耗設(shè)備的運(yùn)行.給出了基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)約型校園總體設(shè)計(jì)方案，為打造可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保節(jié)能高校提供了參考.

能耗控制；物聯(lián)網(wǎng)；云服務(wù)

引言

隨著高校規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)越來(lái)越多，在學(xué)習(xí)生活的場(chǎng)所經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)明燈、長(zhǎng)流水、人走不關(guān)空調(diào)等浪費(fèi)現(xiàn)象.節(jié)能節(jié)水工作已成為節(jié)約型校園的重要工作之一.加強(qiáng)節(jié)能節(jié)水工作，建設(shè)節(jié)約型校園，不僅可以促進(jìn)學(xué)校本身的能源節(jié)約，降低辦學(xué)成本，還能促使廣大教師學(xué)生樹(shù)立環(huán)保節(jié)能意識(shí)，掌握節(jié)能環(huán)保技能，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1].

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備如GPRS、射頻識(shí)別(RFID)等，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2].基于物聯(lián)網(wǎng)，將電燈、空調(diào)、水能設(shè)備通過(guò)WIFI模塊連接到服務(wù)器，并采集運(yùn)行參數(shù)，在Android設(shè)備中就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行，降低能源消耗，減少運(yùn)營(yíng)成本.并且引入大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等算法分析能耗設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)，對(duì)高能耗設(shè)備、高能耗單位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，對(duì)打造綠色環(huán)保、節(jié)能型智慧校園具有重要意義.

1 總體目標(biāo)和主要內(nèi)容

為構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的節(jié)能校園，通過(guò)智慧校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)，加強(qiáng)能源監(jiān)控，降低學(xué)校的電能、水能消耗，避免出現(xiàn)長(zhǎng)明燈，長(zhǎng)流水、人走不關(guān)空調(diào)的浪費(fèi)現(xiàn)象.同時(shí)努力打造綠色環(huán)保的學(xué)習(xí)工作環(huán)境，主要研究?jī)?nèi)容和總體目標(biāo)如下.

1)構(gòu)建能耗監(jiān)控平臺(tái).對(duì)學(xué)校重點(diǎn)用電用水單位，如機(jī)房、學(xué)生宿舍、教室、辦公室等學(xué)習(xí)工作場(chǎng)所安裝電能水能采集探頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能水能消耗，對(duì)異常的情況報(bào)警，及時(shí)通知管理員處理.

2)構(gòu)建智能的能耗分析平臺(tái).通過(guò)能耗分析平臺(tái)可以查詢各單位能源消耗統(tǒng)計(jì)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘算法分析能源浪費(fèi)現(xiàn)象，提供統(tǒng)計(jì)曲線趨勢(shì)分析圖，為合理的決策提供依據(jù)，對(duì)高能耗設(shè)備、高能耗單位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控.

3)打造綠色環(huán)保的學(xué)習(xí)工作場(chǎng)所.在宿舍、辦公室等學(xué)習(xí)工作場(chǎng)所安裝溫度、濕度、大氣壓、PM2.5等環(huán)境參數(shù)采集傳感器，實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)，智能調(diào)控室內(nèi)溫度、濕度.

4)培育良好的節(jié)能習(xí)慣和生活方式[1].通過(guò)能源監(jiān)控平臺(tái)和智能分析平臺(tái)的實(shí)施、宣傳，逐步推廣節(jié)能降耗知識(shí)和技能，使學(xué)院師生認(rèn)識(shí)到節(jié)能降耗的重要性，形成良好的生活和工作習(xí)慣.

2 總體框架設(shè)計(jì)

高校能耗監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)根據(jù)高校的水電實(shí)際情況，遵從安全、可靠、穩(wěn)定、可擴(kuò)展等原則.主要包括能耗采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云服務(wù)、監(jiān)控分析軟件四個(gè)層次.系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

2.1 能耗采集

能耗采集主要是在教室、宿舍、衛(wèi)生間安裝溫度傳感器、濕度傳感器、水量傳感器、電量傳感器等信息采集設(shè)備，每隔一段時(shí)間，傳感器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸層將采集到的溫度、濕度、水量、電量通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆品?wù)端，通過(guò)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以智能或手動(dòng)控制電燈、空調(diào)、水表等設(shè)備的運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能降耗的目的.

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是在互聯(lián)應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)化的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)物與物的數(shù)據(jù)交流.本系統(tǒng)選用ESP8266芯片來(lái)構(gòu)建能源監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，集成各種傳感器并將采集到的信息傳輸?shù)皆品?wù)器.ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過(guò)GPIO口集成各種傳感器及其他的特定設(shè)備，僅需極少的外部電路，超低能耗.

ESP8266內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，自身可以作為一個(gè)熱點(diǎn)，通過(guò)智能設(shè)備就可以連接到ESP8266，配置完服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)后，ESP8266又變成了一個(gè)客戶端，就可以連接到服務(wù)器端.如何保證ESP8266與服務(wù)器端的穩(wěn)定長(zhǎng)連接是系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵，是本文研究的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)，本文經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)的算法如圖2所示.

圖2 算法流程設(shè)計(jì)圖

基本操作過(guò)程如下：

1)使用Android手機(jī)連接到ESP8266熱點(diǎn)，配置WIFI熱點(diǎn)、服務(wù)器IP地址和端口號(hào)，此時(shí)ESP8266可以通過(guò)WIFI熱點(diǎn)連接到服務(wù)器端.

2)反復(fù)嘗試連接到服務(wù)器，直到連接成功.將ESP8266模式置為客戶端.發(fā)送設(shè)備注冊(cè)信息.

3)將采集到的溫濕度、電量、水量等數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端.服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后會(huì)響應(yīng)數(shù)據(jù)提交成功信息.

4)如果收到服務(wù)器響應(yīng)，則重復(fù)進(jìn)行第3)操作，否則此時(shí)設(shè)備可能已斷開(kāi)與服務(wù)器的連接，或者由于其他原因?qū)е聰?shù)據(jù)發(fā)送失敗.

5)嘗試發(fā)送心跳包到服務(wù)器端，如果收到服務(wù)器響應(yīng)，則進(jìn)行第3)操作.

6)將ESP8266模式重置成為熱點(diǎn)，進(jìn)行第2)操作，或手動(dòng)干預(yù)進(jìn)行1)操作.

2.3 云服務(wù)

云服務(wù)是一種簡(jiǎn)單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù).借助于我院網(wǎng)絡(luò)中心部署的“智慧云”，以WebService形式分布式部署服務(wù).云服務(wù)層包括各種管理中間件、SOA構(gòu)建層和數(shù)據(jù)庫(kù)中心、數(shù)據(jù)分析中心、報(bào)警裝置.管理中間件負(fù)責(zé)對(duì)云服務(wù)的資源進(jìn)行管理，SOA構(gòu)建層將能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中心的訪問(wèn)封裝成WebService，提供統(tǒng)一的用戶訪問(wèn)接口.

能耗監(jiān)控系統(tǒng)中包含大量的能耗數(shù)據(jù)，只有通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的有效分析才能獲取智慧、深入具有價(jià)值的信息.K-Means是數(shù)據(jù)挖掘中一種最經(jīng)典也是使用最廣泛的聚類方法.K-Means算法首先從n個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象任意選擇k個(gè)對(duì)象作為初始聚類中心；而對(duì)于所剩下其它對(duì)象，則根據(jù)它們與這些聚類中心的相似度，分別將它們分配給與其最相似的聚類；然后再計(jì)算每個(gè)所獲新聚類的聚類中心；不斷重復(fù)這一過(guò)程直到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)度函數(shù)開(kāi)始收斂為止.

數(shù)據(jù)分析中心通過(guò)K-Means[3]聚類算法建立設(shè)備模型、用戶使用模型，深入分析設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)、各單位的能耗趨勢(shì).對(duì)高能耗設(shè)備、高能耗單位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控.聚類算法還可以實(shí)現(xiàn)離群點(diǎn)檢測(cè)，在對(duì)能耗數(shù)據(jù)聚類的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一些使用異常的設(shè)備和單位，從而進(jìn)行警報(bào)等措施.

2.4 監(jiān)控分析軟件

本文監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)基于Android移動(dòng)操作系統(tǒng).Android是一種基于Linux的自由及開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng).由于Android平臺(tái)的開(kāi)放性，基于Android的硬件設(shè)備非常豐富，軟件開(kāi)發(fā)方便簡(jiǎn)單，開(kāi)源框架比較多.監(jiān)控軟件旨在提供給用戶簡(jiǎn)潔方便、美觀的操作界面，提高管理效率.

1)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)查看物聯(lián)網(wǎng)中各種設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，比如水表水量消耗情況、電燈的運(yùn)行情況、空調(diào)用電量情況.

2)監(jiān)控軟件可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，對(duì)可能異常的設(shè)備報(bào)警；智能調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)電燈、水表、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉，避免長(zhǎng)明燈、長(zhǎng)流水等浪費(fèi)現(xiàn)象.

3)監(jiān)控軟件可以統(tǒng)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)中各種設(shè)備某一個(gè)階段運(yùn)行情況和各單位的能耗情況，根據(jù)運(yùn)行參數(shù)曲線圖，為管理人員的決策提供依據(jù).

3 結(jié)束語(yǔ)

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要保障[4].隨著國(guó)家減排降耗的要求越來(lái)越高，能耗監(jiān)控方面的研究越來(lái)越重要.本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，具有比較強(qiáng)的擴(kuò)展性，硬件成本低，性價(jià)比高，不僅可以應(yīng)用于企事業(yè)單位的能耗監(jiān)控管理，還可以應(yīng)用于企事業(yè)單位的智能化改造，提升企業(yè)工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值.

[1]王洪建，陳安敏等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,30(3).

[2]陶冶，殷振華.物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用[J].科學(xué)之友, 2010(12):1-2.

[3]王千，王成等.K-means聚類算法研究綜述[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(7).

[4]倪鵬，樊之陽(yáng).基于物聯(lián)網(wǎng)高校能耗智能化監(jiān)控系統(tǒng)[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014,35(6).

Research and Development of Energy Consumption Monitoring System Based on Internet of Things in Colleges and Universities

ZHOU Jian-lin, YANG Li-zhi

(Jiangyin Polytechnic College, Wuxi Jiangsu 214405, China )

This paper puts forward a solution of energy consumption monitoring in colleges and universities based on internet of things. Using Web Service architecture as the basis of cloud services, ESP8266 WIFI chip connects the energy equipment and servers to monitor the operation of energy consumption equipment based on the acquisition of energy consumption parameters in the Android intelligent equipment. Based on the internet of things, the overall design scheme of a conservation oriented campus is put forward, which provides a reference for colleges and universities to keep the sustainable development of environmental protection and energy saving.

energy consumption control; internet of things; cloud services

1673-2103(2017)02-0037-04

2016-11-08

江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院省軟件與服務(wù)外包實(shí)訓(xùn)基地課題(JSSXJD2012-03-5)

周建林(1979-)，男，江蘇泰興人，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用.

TP315

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