基于 LoRa 的園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

0 引 言

研究表明，我國能源利用效率為 33%，相比發(fā)達國家低 10 個百分點。能源問題給社會發(fā)展和環(huán)境資源帶來了巨大壓力，節(jié)能減排形式嚴峻 [1]。傳統(tǒng)的粗放式能源管理方式和舉措難以滿足管理需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network， LPWAN）技術(shù)的興起，借助新興技術(shù)，搭建園區(qū)能源管理系統(tǒng)已成為推進節(jié)能降耗和實現(xiàn)用能精細化管理的必然趨勢。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)綜合運用現(xiàn)代通信技術(shù)、能源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及需求側(cè)管理措施等，對園區(qū)內(nèi)各單位的耗能進行實時監(jiān)測、動態(tài)分析和集中管理，提升園區(qū)能源管理水平，降低能源成本。

目前，能耗管理數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)多采用 WiFi[2]，ZigBee[3]， 存在信號衰減快、極易受到其他信號干擾的問題 [4]。本文設(shè)計了一種基于 LoRa（LongRange，LoRa）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱@區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)耗能的實時采集及科學(xué)預(yù)警。LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的一種長距離通信技術(shù)，解決了傳統(tǒng)無線傳

感器網(wǎng)絡(luò)傳輸距離與低功耗不能兼得的問題 [4]。園區(qū)能耗管理系統(tǒng)利用園區(qū)內(nèi)各種傳感器采集耗能信息，實現(xiàn)采集、顯示、分析、診斷等功能，并實現(xiàn)對各系統(tǒng)的控制和優(yōu)化管理。

1 園區(qū)能耗管理系統(tǒng)設(shè)計

園區(qū)的正常運轉(zhuǎn)需要水、暖、電、氣等多種能源供給， 各種能源消耗具有范圍廣、時間不規(guī)律、消耗量大等特點 [5]。通過園區(qū)耗能數(shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用，實現(xiàn)了園區(qū)能源調(diào)配與優(yōu)化運維。園區(qū)能源管理平臺采用標準的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，由四部分組成，如圖 1 所示。

（1）感知層

感知層作為整個能耗管理系統(tǒng)最基礎(chǔ)最重要的部分，由各個采集節(jié)點組成。根據(jù)用能性質(zhì)，各傳感器節(jié)點部署在不同區(qū)域，監(jiān)測園區(qū)各種耗能數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層

針對園區(qū)特點，從數(shù)據(jù)采集節(jié)點到網(wǎng)關(guān)采用 LoRa 技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去了綜合布線，降低了施工難度 ；從網(wǎng)關(guān)到數(shù)據(jù)中心，可采用移動通信網(wǎng)絡(luò)或 LoRa 技術(shù)。

（3）數(shù)據(jù)處理層

通過建立能耗評估模型，并利用數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計計算、多維分析等手段對能耗數(shù)據(jù)進行分析，為功能應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）應(yīng)用層

能耗管理平臺具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，通過多維度、可視化的系統(tǒng)功能實現(xiàn)與用戶的信息互動。

2 LoRa數(shù)據(jù)通信技術(shù)

LoRa 是美國 Semtech 公司發(fā)布的一種基于擴頻調(diào)制的解調(diào)技術(shù) [6-9]，其最大特點是超遠距離和低功耗。該技術(shù)主要針對小數(shù)據(jù)量、長距離傳輸?shù)挠脩魣鼍?。LoRa 具有的低功耗、遠距離、大容量和穿透能力強的特點，能夠減少開發(fā)成本和運營維護成本，適用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)。

LoRa 具有典型的星型拓撲結(jié)構(gòu)，架構(gòu)如圖 2 所示，主要由終端、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三部分組成，終端設(shè)備應(yīng)用 LoRa 技術(shù)采用單跳模式，實現(xiàn)與一個或多個網(wǎng)關(guān)的雙向通信。網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，采用標準 TCP/IP 與服務(wù)器連接，實現(xiàn)終端與服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互。

3 基于 LoRa 的園區(qū)能耗設(shè)計

通過需求分析，園區(qū)主要用能形式有水、暖、電、氣，主要監(jiān)測量有電量、流量、壓力、溫濕度、供回水溫差等。園區(qū)存在占地面積大，建筑分布廣、數(shù)量多、類型多樣，用能情況復(fù)雜的問題。目前工業(yè)園區(qū)耗能統(tǒng)計上普遍存在計量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗數(shù)據(jù)不完整、不全面等問題。由于缺乏準而詳實的能耗數(shù)據(jù)作為依據(jù)，因而無法進行能源定量分析、能耗動態(tài)趨勢分析，以及節(jié)能潛力的挖掘、節(jié)能效益的評價等方面的工作。例如，采用有線傳輸方式，存在園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)點位分布廣，數(shù)據(jù)傳輸面臨空間跨度大，網(wǎng)關(guān)、中繼設(shè)置地點選擇困難等問題。

LoRa 技術(shù)具有的遠距離低功耗特點非常適用于園區(qū)能耗監(jiān)測。通過 LoRa 通信將能耗數(shù)據(jù)集中到服務(wù)器，管理層終端可通過云端讀取數(shù)據(jù)分析，并對整個能耗管理系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而形成良性循環(huán)，最終得出能耗管理的最佳方案，極大地提升能源利用效率，改善能源浪費現(xiàn)象，達到節(jié)能減排的目的。

以某工業(yè)園區(qū)為例，根據(jù)能耗管理系統(tǒng)的特點，將系統(tǒng)分為現(xiàn)場采集設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器 3 層。采用 LoRa 技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)傳輸，免去綜合布線，降低施工成本。

針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過各類智能表計自動化采集能耗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能耗的分類、分項、分戶計量。園區(qū)中選擇帶有遠傳功能的電度表、水表和冷熱計量表等，與 LoRa 模塊相連接，采用 Modbus RTU 協(xié)議并采用點對點方式傳輸至LoRa 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中上傳和統(tǒng)一管理。LoRa 網(wǎng)關(guān)程序流程框圖如圖 3 所示。

4 平臺功能

能耗管理平臺具有數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、能耗地圖、能效管理、能效分析、能效診斷、輔助決策等功能，從而實現(xiàn)能源調(diào)度、能耗動態(tài)趨勢分析、能效分析診斷，節(jié)能潛力挖掘、節(jié)能效益評價等功能 [10]。能耗管理平臺如圖 4 所示。

5 結(jié) 語

本文針對 LoRa 技術(shù)低功耗、遠距離傳輸?shù)奶攸c，將其應(yīng)用于園區(qū)能耗管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了園區(qū)能耗的實時采集、監(jiān)測及統(tǒng)計分析。后續(xù)將基于平臺積累的能源數(shù)據(jù)，為能源大數(shù)據(jù)模型的建立提供數(shù)據(jù)支撐，為更精準的能源調(diào)度和優(yōu)化提供有力支撐。