基于LoRa的园区能耗管理系统设计与实现

2019-07-25孙伟武春艳

物联网技术 2019年1期

孙伟武春艳

摘要：能耗管理系统是减少能源消耗、提高能源利用效率的有效途径，是园区实现整体节能减排的必要手段。文中提出一种基于LoRa技术的园区能耗管理系统。LoRa技术的低功耗、远距离传输、抗干扰性强的特点，为其在能耗管理系统的应用提供了基础。管理系统由感知层、传输层、数据处理层和应用层组成。该系统建立了从能源供应到用能终端的能源管控平台，为能耗数据的在线监测、统计分析和能源调度等提供了依据。

关键字：低功耗广域网;LoRa技术;园区能耗管理;系统设计

中图分类号：TP391;TU201文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）01-00-02

0 引言

研究表明，我国能源利用效率为33%，相比发达国家低10个百分点。能源问题给社会发展和环境资源带来了巨大压力，节能减排形式严峻[1]。传统的粗放式能源管理方式和举措难以满足管理需求。随着物联网、大数据技术的发展，尤其是低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）技术的兴起，借助新兴技术，搭建园区能源管理系统已成为推进节能降耗和实现用能精细化管理的必然趋势。园区能耗管理系统综合运用现代通信技术、能源物联网技术以及需求侧管理措施等，对园区内各单位的耗能进行实时监测、动态分析和集中管理，提升园区能源管理水平，降低能源成本。

目前，能耗管理数据监测系统多采用WiFi[2]，ZigBee[3]，存在信号衰减快、极易受到其他信号干扰的问题[4]。本文设计了一种基于LoRa（Long Range，LoRa）数据传输的园区能耗管理系统，实现耗能的实时采集及科学预警。LoRa作为低功耗广域网的一种长距离通信技术，解决了传统无线传感器网络传输距离与低功耗不能兼得的问题[4]。园区能耗管理系统利用园区内各种传感器采集耗能信息，实现采集、显示、分析、诊断等功能，并实现对各系统的控制和优化管理。

1 园区能耗管理系统设计

园区的正常运转需要水、暖、电、气等多种能源供给，各种能源消耗具有范围广、时间不规律、消耗量大等特点[5]。通过园区耗能数据采集、传输、数据管理及应用，实现了园区能源调配与优化运维。园区能源管理平台采用标准的物联网体系架构，由四部分组成，如图1所示。

（1）感知层

感知层作为整个能耗管理系统最基础最重要的部分，由各个采集节点组成。根据用能性质，各传感器节点部署在不同区域，监测园区各种耗能数据。

（2）传输层

针对园区特点，从数据采集节点到网关采用LoRa技术进行无线数据传输，免去了综合布线，降低了施工难度;从网关到数据中心，可采用移动通信网络或LoRa技术。

（3）数据处理层

通过建立能耗评估模型，并利用数据挖掘、统计计算、多维分析等手段对能耗数据进行分析，为功能应用层提供数据支撑。

（4）应用层

能耗管理平台具有数据实时监测、能耗地图、能效管理、能效分析、能效诊断、辅助决策等功能，通过多维度、可视化的系统功能实现与用户的信息互动。

2 LoRa数据通信技术

LoRa是美国Semtech公司发布的一种基于扩频调制的解调技术[6-9]，其最大特点是超远距离和低功耗。该技术主要针对小数据量、长距离传输的用户场景。LoRa具有的低功耗、远距离、大容量和穿透能力强的特点，能够减少开发成本和运营维护成本，适用于园区能耗管理系统。

LoRa具有典型的星型拓扑结构，架构如图2所示，主要由终端、网关和服务器三部分组成，终端设备应用LoRa技术采用单跳模式，实现与一个或多个网关的双向通信。网关是一个透明的中继，采用标准TCP/IP与服务器连接，实现终端与服务器数据的交互。

3 基于LoRa的园区能耗设计

通过需求分析，园区主要用能形式有水、暖、电、气，主要监测量有电量、流量、压力、温湿度、供回水温差等。园区存在占地面积大，建筑分布广、数量多、类型多样，用能情况复杂的问题。目前工业园区耗能统计上普遍存在计量表不全或采用人工抄表方式，造成能耗数据不完整、不全面等问题。由于缺乏准确而详实的能耗数据作为依据，因而无法进行能源定量分析、能耗动态趋势分析，以及节能潜力的挖掘、节能效益的评价等方面的工作。例如，采用有线传输方式，存在园区内数据点位分布广，数据传输面临空间跨度大，网关、中继设置地点选择困难等问题。

LoRa技术具有的远距离低功耗特点非常适用于园区能耗监测。通过LoRa通信将能耗数据集中到服务器，管理层终端可通过云端读取数据分析，并对整个能耗管理系统进行优化，从而形成良性循环，最终得出能耗管理的最佳方案，极大地提升能源利用效率，改善能源浪费现象，达到节能减排的目的。

以某工业园区为例，根据能耗管理系统的特点，将系统分为现场采集设备、网关、服务器3层。采用LoRa技术进行无线数据传输，免去综合布线，降低施工成本。

针对现场数据采集设备，通过各类智能表计自动化采集能耗数据，实现能耗的分类、分项、分户计量。园区中选择带有远传功能的电度表、水表和冷热计量表等，与LoRa模块相连接，采用Modbus RTU协议并采用点对点方式传输至LoRa网关，网关与服务器连接，实现数据的集中上传和统一管理。LoRa网关程序流程框图如图3所示。

4 平台功能

能耗管理平台具有数据实时监测、能耗地图、能效管理、能效分析、能效诊断、辅助决策等功能，从而实现能源调度、能耗动态趋势分析、能效分析诊断，节能潜力挖掘、节能效益评价等功能[10]。能耗管理平台如图4所示。

5 结语

本文针对LoRa技术低功耗、远距离传输的特点，将其应用于园区能耗管理系统，实现了园区能耗的实时采集、监测及统计分析。后续将基于平台积累的能源数据，为能源大数据模型的建立提供数据支撑，为更精准的能源调度和优化提供有力支撑。

参考文献

[1]唐颂光，袁成，文涛.建筑能耗管理系统可视化平台的设计与实现[J].电子设计工程，2016，24（21）：76-78.

[2]肖监，张跃，朱虹，等.无线智能能耗管理系统[J].电气时代，2013（5）：86-88.

[3]徐松松，周西峰，郭前崗.基于ARM平台的ZigBee网关设计[J].微型机与应用，2013，32（16）：51-53.

[4]赵太飞，陈伦斌，袁麓，等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016，24（9）：298-301.

[5]于龙，袁建凡，张晓飞，等.基于多能源的综合能耗监测系统研究与应用[J].电子技术与软件工程，2016（19）：215.

[6]王鹏，刘志杰，郑欣.LoRa无线网络技术与应用现状研究[J].信息通信技术，2017，11（5）：65-70.

[7] ALO?S A， YI J， THOMAS C， et al. A study of LoRa：long range & low power networks for the internet of things[J].Sensors，2016，16（9）：1466.