基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中央空調(diào)管控一體化系統(tǒng)

摘要：通過將中央空調(diào)機(jī)房、室外環(huán)境、末端用戶集成在物聯(lián)網(wǎng)上而形成管控一體化中央空調(diào)管理和調(diào)度系統(tǒng)，可以使管理人員能夠通過有線和移動終端來實(shí)時監(jiān)測到中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、室外環(huán)境的溫度和濕度、末端用戶的熱濕狀態(tài)，并據(jù)此下達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)度指令，以保證舒適性需求并達(dá)到節(jié)能的目的。運(yùn)行結(jié)果表明，采用這種集成了中央空調(diào)機(jī)房、室外環(huán)境、末端用戶的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，能夠在保證環(huán)境舒適的前提下，顯著降低系統(tǒng)的能耗。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；中央空調(diào)系統(tǒng)；末端用戶；節(jié)能

0 引言
    隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷進(jìn)步和診療設(shè)備的不斷更新，現(xiàn)代醫(yī)院建筑體量逐漸趨于龐大，功能日益復(fù)雜。在醫(yī)院建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)費(fèi)用提高的同時，醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)規(guī)模也在逐年擴(kuò)大，設(shè)備的管理、維護(hù)和運(yùn)行調(diào)度越來越復(fù)雜，而更大的挑戰(zhàn)則是系統(tǒng)的能耗在不斷上升。管理的復(fù)雜性和能耗的增加不僅使醫(yī)院日常支出增大，醫(yī)療費(fèi)用增加，而且使目前衛(wèi)生保健資金投入與產(chǎn)出之間的差距越來越大。根據(jù)對典型
醫(yī)院的能耗統(tǒng)計結(jié)果，大、中型醫(yī)院建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)用電占醫(yī)院全年用電的50％以上。因此，做好醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的管理和運(yùn)行調(diào)度，是提高醫(yī)院管理水平、降低醫(yī)療成本的重要手段之一。
    中央空調(diào)系統(tǒng)的管理主要包括兩個方面的內(nèi)容：一個是對系統(tǒng)中的設(shè)備的靜態(tài)信息管理，主要是管理設(shè)備資產(chǎn)的基本信息，如型號、規(guī)格、造價、存放地點(diǎn)、責(zé)任人等；另一個是對系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行的動態(tài)信息管理，例如冷水機(jī)組的供回水溫度、水泵、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的電壓、電流和功率等。系統(tǒng)針對前者建立的是管理信息系統(tǒng)，而針對后者則是建立運(yùn)行管理系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)之間幾乎沒有關(guān)聯(lián)。但是，隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，這種管理模式的弊端就凸現(xiàn)出來。首先是兩個系統(tǒng)存在相互重疊的內(nèi)容，因而有重復(fù)建設(shè)的部分，這不但浪費(fèi)了人力和物力資源，而且要同時維護(hù)兩個不同的系統(tǒng)，也提高了管理成本。其次是兩個管理系統(tǒng)的存在信息不同步，甚至是信息偏差的問題，這樣，當(dāng)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大時，管理效率將會越來越低。因此，將靜態(tài)信息管理和動態(tài)信息管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起，是未來中央空調(diào)系統(tǒng)乃至整個院務(wù)保障系統(tǒng)管理的發(fā)展趨勢。近年來，物聯(lián)網(wǎng)概念的出現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為構(gòu)建中央空調(diào)系統(tǒng)一體化管理模式奠定了基礎(chǔ)。
    物聯(lián)網(wǎng)的概念最初來源于美國麻省理工學(xué)院(MIT)在1999年提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別(RFID)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已發(fā)生了較大變化。雖然物聯(lián)網(wǎng)這一概念的嚴(yán)格定義還存在分歧，但是，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的基本特征是非常明確的。物聯(lián)網(wǎng)就是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展。它包含了三個基本的要素，搭載在物品上的傳感器、用于傳輸和存儲信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及安裝了應(yīng)用軟件的終端設(shè)備。傳感器可以是條形碼、RFID卡、電量表、溫度傳感器，也可以是其它能夠用設(shè)備識別的信息載體；而根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)模，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以是局域網(wǎng)(LAN)，也可以是廣域網(wǎng)(WAN)，可以是有線網(wǎng)，也可以是無線網(wǎng)或各種總線及其綜合系統(tǒng)；終端設(shè)備可以是PC、PDA，甚至是手機(jī)。利用物聯(lián)網(wǎng)的這些特征，可以建立起包括中央空調(diào)機(jī)組、空調(diào)用戶及室外環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)系統(tǒng)的管控一體化，達(dá)到高效管理和節(jié)能運(yùn)行的目的。

1 中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計
1．1 工作范圍定義
    由于物聯(lián)網(wǎng)目前還是一個寬泛的概念，因此，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其外延還需要具體的定義。針對中央空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采用以下術(shù)語來規(guī)定工作范圍。
    (1)中央空調(diào)系統(tǒng)：由中央空調(diào)機(jī)房設(shè)備、末端用戶和室外環(huán)境組成。根據(jù)室外環(huán)境的條件，管理人員可以通過物聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)界面調(diào)度中央空調(diào)機(jī)房設(shè)備，使末端用戶的熱濕狀態(tài)滿足用戶的要求。
    (2)物聯(lián)網(wǎng)(IOT)：由感知實(shí)物身份和屙陛的傳感器，傳輸、存儲和處理信息的網(wǎng)絡(luò)和人與網(wǎng)絡(luò)之間的接口組成；對于中央空調(diào)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)中的“物”指中央空調(diào)設(shè)備、末端用戶建筑和室外環(huán)境；感知屬性的傳感器則指壓力、溫度、濕度、電流、電壓及功率傳感器等。與以往的物聯(lián)網(wǎng)相比，這里在物聯(lián)網(wǎng)具備感知能力的基礎(chǔ)上，擴(kuò)充了通過人機(jī)界面對物的狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)的功能。圖1所示是中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。事實(shí)上，人機(jī)界面設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備探測中央空調(diào)設(shè)備、末端用戶建筑和室外環(huán)境狀態(tài)的傳感器均屬于中央空調(diào)機(jī)組的物聯(lián)網(wǎng)范圍。

    (3)實(shí)體(Entity)：指物聯(lián)網(wǎng)中的具體實(shí)物，例如中央空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、水泵、冷卻塔等。
    (4)身份(ID)：物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)體的唯一標(biāo)識碼，是物聯(lián)網(wǎng)中最重要的標(biāo)識信息。
    (5)屬性(Attribute)：屬性是描述實(shí)體的狀態(tài)信息，其中包括靜態(tài)(Static)屬性和動態(tài)(Dynamic)屬性。靜態(tài)屬性不隨時間變化，例如一臺水泵的尺寸、重量等；而動態(tài)屬性則包括其排量、壓頭及功耗等隨時間變化的屬性。
    (6)歷史(History of Dynamic Attribute)：某時段不同時刻動態(tài)屬性的集合，例如一天內(nèi)空調(diào)機(jī)組出水溫度的變化過程就是該動態(tài)屬性的歷史。
    (7)傳感器(Sensor)：主要是感知實(shí)體屬性的設(shè)備，例如RFID識別器，溫度、濕度傳感器和變送設(shè)備等。
    (8)網(wǎng)絡(luò)(Net Work)：包括傳感器數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸與處理的介質(zhì)和設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)。典型網(wǎng)絡(luò)中，包括光纖、雙絞線總線、數(shù)據(jù)集抄器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。
    (9)人機(jī)界面(HMI)：人與物聯(lián)網(wǎng)接口的硬件設(shè)備和軟件。硬件設(shè)備可以是PC、PDA，甚至是手機(jī)，軟件則是根據(jù)接口要求所開發(fā)的各類軟件，例如WEB頁面、工控組態(tài)軟件等。
1．2 方案實(shí)施步驟
    所謂中央空調(diào)系統(tǒng)機(jī)房物聯(lián)網(wǎng)的總體功能設(shè)計，就是準(zhǔn)確界定中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所涵蓋的范圍、系統(tǒng)邊界、系統(tǒng)功能以及與上層或外部物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息接口方法。
    中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)體的編碼規(guī)則可參照以往信息化建設(shè)過程中采用的編碼方法以及上級信息主管部門的有關(guān)技術(shù)規(guī)范，對中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)體應(yīng)定義嚴(yán)格的編碼規(guī)則，以保證物聯(lián)網(wǎng)信息標(biāo)識的唯一性，同時保證與未來的院務(wù)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)編碼兼容。
    中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)要建立中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)體的動態(tài)屬性分布式數(shù)據(jù)庫(如溫度、濕度、流量、功耗等)及數(shù)據(jù)服務(wù)軟件接口，并將其作為與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)。
    架設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)時，可以用中央空調(diào)機(jī)房到院務(wù)機(jī)關(guān)大樓的光纖構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)主干數(shù)據(jù)通道；在中央空調(diào)機(jī)房設(shè)置一臺數(shù)據(jù)庫、一臺網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和一臺光纖交換機(jī)(可選擇HP或IBM品牌)，用于承擔(dān)中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；而在營房科安裝無線路由，則便于移動終端的接入。
    中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計，應(yīng)考慮到管理用戶的應(yīng)用方便和可移植性，人機(jī)界面可采用WEB網(wǎng)頁形式，即所謂B／S的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，管理用戶可以采用普通的網(wǎng)頁瀏覽器來瀏覽所需要的中央空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)信息。
    中央空調(diào)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)移動終端軟件可采用基于開放的Android平臺的手機(jī)來作為移動終端設(shè)備，關(guān)鍵數(shù)據(jù)可以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)以短信方式傳遞(考慮到通信費(fèi)用)，其它數(shù)據(jù)可以在具有網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的地方通過局域網(wǎng)獲取。

2 典型應(yīng)用
    通過中央空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，管理人員不僅能隨時隨地獲取中央空調(diào)機(jī)組設(shè)備的靜態(tài)信息，也能實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測到中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)(如冷凍水供回水溫度、流量、耗電功率等)、末端用戶熱濕狀態(tài)的分布情況以及室外環(huán)境溫度和濕度等，以便為提高中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)度、管理和運(yùn)行水平提供依據(jù)，優(yōu)化中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行模式，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的。
    圖2所示是通過物聯(lián)網(wǎng)獲得的中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，畫面直觀地顯示了相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

    圖3所示是典型用戶的熱濕狀態(tài)分布圖，可用于反映用戶舒適度或者被滿足的程度。

3 結(jié)語
    本文選擇具有代表性且條件比較成熟的中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用示范，實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，這也為全面實(shí)現(xiàn)醫(yī)院院務(wù)管理物聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物與物、人與物、人與人之間的信息交互技術(shù)。隨著傳感和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用將會有力地推動醫(yī)院院務(wù)管理水平的進(jìn)一步提高。