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王丹丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文將物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信等技術(shù)引入校園后勤智能管理，建立了校園物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入標(biāo)準(zhǔn)，搭建物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)施了一套基于LoRaWAN的IT智能水、電表管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了水、電表狀態(tài)信息的自動(dòng)采集和智能控制，解決了以往人工抄表中的低效、誤差、商戶拖欠費(fèi)等問(wèn)題。通過(guò)和校園一卡通業(yè)務(wù)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了商戶線上自助繳費(fèi)，提升了校園水電能計(jì)量收費(fèi)管理體系的*準(zhǔn)性和規(guī)范性，拓展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在高校管理中的新應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：LoRaWAN；IOT；電水表管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
0引言
隨著各地高等院校辦學(xué)規(guī)模的日益壯大，校園里用水、用電設(shè)施的數(shù)量也隨之增多，售賣(mài)機(jī)、咖啡機(jī)、洗衣機(jī)等大批小型設(shè)備逐漸入駐校園，分散在辦公樓、宿舍樓等各處。傳統(tǒng)的水電能管理辦法像人工抄表、手動(dòng)錄入及核算數(shù)據(jù)等耗時(shí)耗力，管理效率低下，不僅缺乏即時(shí)性和準(zhǔn)確性，還存在商戶欠費(fèi)難追繳等一系列問(wèn)題。校園后勤管理亟需一種簡(jiǎn)單、高效的智能系統(tǒng)，對(duì)校內(nèi)商戶的用電、用水等進(jìn)行科學(xué)化管理?；诖朔N需求，本文進(jìn)行了深入研究，探討將物聯(lián)網(wǎng)(The11116X0-ofThings，I0T)技術(shù)引入校園后勤智能管理。建立校園物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入標(biāo)準(zhǔn)，搭建校園LoRa$LongRange)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺(tái)，配合數(shù)量較少的低成本基站，設(shè)計(jì)出一套IT智能水、電表遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)。旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)校園用電、用水設(shè)施的統(tǒng)一化管理，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、智能提醒，繳費(fèi)即通、欠費(fèi)即停。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們對(duì)接了校園一卡通平臺(tái)，并將其作為水電費(fèi)繳費(fèi)渠道，實(shí)現(xiàn)商戶線上自助查詢和繳費(fèi)，降低人力、時(shí)間等管理成本、*大的提升了管理效率。
1無(wú)線傳輸通訊技術(shù)的選用
針對(duì)智能水電表管理這種遠(yuǎn)距離、低功耗、室外大規(guī)模接入的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，目前市場(chǎng)上大多采用的是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：NB-IoT(NarrowBandIntemetofThings)，NB-IoT由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一部署覆蓋全國(guó)網(wǎng)絡(luò)。而高校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，除了考慮技術(shù)可行性，還需考慮成本控制、風(fēng)險(xiǎn)控制等各因素，Semech公司推出的LoRa屬于線性擴(kuò)頻的無(wú)線傳輸通訊技術(shù)，可以通過(guò)Mesh、星型的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)實(shí)現(xiàn)用戶自行組網(wǎng)，靈活性好、易于管控。兩種通訊技術(shù)的部署方式和相關(guān)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。
LoRa采用的是直序擴(kuò)頻，使得擴(kuò)頻調(diào)制后的信號(hào)所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息*需的*小帶寬。通過(guò)融合數(shù)字信號(hào)處理和糾錯(cuò)編碼等相關(guān)技術(shù)，LoRa具備了遠(yuǎn)距離、低功耗、以及性特點(diǎn)，維護(hù)和支持成本也較為低廉，非常適合低頻度、小數(shù)據(jù)傳輸。
LoRaWAN是基于LoRa遠(yuǎn)距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一套系統(tǒng)架構(gòu)和通訊協(xié)議，按照通訊協(xié)議分層，LoRa定義的是物理層，而LoRaWAN定義的是MAC層。
LoRaWAN技術(shù)搭配少數(shù)成本較低的基站，即可在校園區(qū)域內(nèi)靈活部署、搭建一個(gè)具有數(shù)百甚至上千臺(tái)設(shè)備的智能網(wǎng)絡(luò)。它的覆蓋范圍不只局限在寬闊的室外，還可延伸到室內(nèi)甚至地下室、地下電井等空間，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量、低電池消耗的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擴(kuò)展。因其使用的是非授權(quán)頻段，組建成本較低，據(jù)可，種技術(shù)部署校園物聯(lián)網(wǎng)的多樣化場(chǎng)景需求。采集小數(shù)據(jù)的LoRa傳感器，如路燈控制、水表、電表等，再配上適合的電池可以使用較長(zhǎng)的時(shí)間。
基于上述特點(diǎn)，本物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建以及智能管理的設(shè)計(jì)上，選擇了LoRaWAN這種技術(shù)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的IOT智能水、電表管理構(gòu)如圖1所示。
該架構(gòu)主要由智能終端（內(nèi)置低功耗電、持LoRaWAN協(xié)議的采集器，負(fù)責(zé)收集據(jù)）、網(wǎng)關(guān)（G/eway，也稱為基站，負(fù)責(zé)據(jù)、協(xié)議、數(shù)據(jù)）、絡(luò)服務(wù)器（NetwoiSever）和系統(tǒng)應(yīng)用（本方案中即為IOT智能水、電表管理）匹組成。采集端使用供電，與LoRaWAN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)雙向；網(wǎng)關(guān)WiFi網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)服之間雙向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表的數(shù)據(jù)傳輸。
2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
2.1需求分析設(shè)計(jì)
通過(guò)前期調(diào)研，該智能水電表管理系統(tǒng)需求分析設(shè)計(jì)如下：
商戶管理：對(duì)校內(nèi)商戶水、電表設(shè)施實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，并提供合同基本費(fèi)率等關(guān)鍵指標(biāo)的管理。
水、電表管理：對(duì)水電的用量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能上報(bào)和采集。根據(jù)對(duì)水電表的初始檢測(cè)實(shí)現(xiàn)智能通斷電，欠費(fèi)即停、繳費(fèi)即通。賬戶管理：實(shí)現(xiàn)商戶余額不足提醒，設(shè)備狀態(tài)、余額、繳費(fèi)清單等的查詢。充值繳費(fèi)：實(shí)現(xiàn)商戶線上自助繳費(fèi)、余額查詢，方便財(cái)務(wù)管理。
2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
根據(jù)確認(rèn)后的系統(tǒng)需求，本文設(shè)計(jì)智能水、電表管理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)功能模塊如圖2所示。
基礎(chǔ)系統(tǒng)模塊：實(shí)現(xiàn)角色的管理等基礎(chǔ)設(shè)置。業(yè)務(wù)系統(tǒng)模塊：實(shí)現(xiàn)商戶的管理、關(guān)聯(lián)水電表的狀態(tài)檢測(cè)和計(jì)量計(jì)費(fèi)，自動(dòng)通斷電、自助充值繳費(fèi)等。
2.3繳費(fèi)模塊設(shè)計(jì)
在繳費(fèi)模塊的實(shí)施環(huán)節(jié)，本文特別設(shè)計(jì)了與校園一卡通平臺(tái)的無(wú)縫對(duì)接。為每個(gè)接入商戶開(kāi)設(shè)了校一卡通賬戶，商戶關(guān)注學(xué)校微信服務(wù)號(hào)，即可進(jìn)行賬戶的信息綁定，實(shí)現(xiàn)線上水電自助繳費(fèi)、余額查詢以及充值記錄的查詢等。這種充值方式即方便了商戶自助繳費(fèi)，又簡(jiǎn)化了對(duì)賬和結(jié)算流程、減輕了學(xué)校的管理壓力。
3智能水、電表的管理
3.1系統(tǒng)管理平臺(tái)
IOT智能水電表管理系統(tǒng)是通過(guò)IOTP(InternetOpenTradingProtocol，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放貿(mào)易協(xié)議)來(lái)讀取水、電表定時(shí)上報(bào)的電量信息，向電表發(fā)送合閘/拉閘的命令，返回其狀態(tài)值。
智能水、電表系統(tǒng)后臺(tái)管理界面如圖3所示。
系統(tǒng)后臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)接入商戶的即時(shí)賬戶余額、合同有效期、費(fèi)率、***，以及各商戶名下的水電表安裝位置、各自用量等信息。為了簡(jiǎn)化結(jié)算流程，本文設(shè)計(jì)將水電表的用量以商戶為單位進(jìn)行匯總統(tǒng)-結(jié)算。
3.2商戶費(fèi)用查詢及繳納
商戶余額查詢：商戶可以登陸web頁(yè)面或者通過(guò)學(xué)校微信服務(wù)號(hào)綁定其一卡通賬號(hào)，實(shí)現(xiàn)線上自助查詢。一卡通管理平臺(tái)通過(guò)調(diào)用用電管理系統(tǒng)的“查詢商戶信息"接口，返回商戶的基礎(chǔ)信息，調(diào)用“電費(fèi)充值"接口返回商戶的卡號(hào)、充值金額、*一序列號(hào)等狀態(tài)信息。接口示例如圖4所示。
通過(guò)Web管理后臺(tái)，商戶可自行查詢名下所有設(shè)施的用水、電總量單項(xiàng)設(shè)施的即時(shí)用量及狀態(tài)，也可以通過(guò)繳費(fèi)清單查詢繳費(fèi)記錄，如圖5所示。
商戶費(fèi)用繳納：商戶在學(xué)校微信服務(wù)號(hào)上，首先綁定為其開(kāi)設(shè)的校園一卡通賬號(hào)，對(duì)校園卡進(jìn)行充值，然后使用校園卡余額對(duì)水電費(fèi)進(jìn)行自助繳納，充值頁(yè)面同步顯示當(dāng)前賬戶余額。充值繳費(fèi)頁(yè)面如圖6所示。
4系統(tǒng)測(cè)試和運(yùn)行
為了檢測(cè)系統(tǒng)是否滿足功能需求、商戶管理和使用過(guò)程中各環(huán)節(jié)是否運(yùn)行通暢，測(cè)試期建立了測(cè)試商戶來(lái)模擬商戶使用，并在試運(yùn)行期間*了一些細(xì)節(jié)性問(wèn)題如：商戶線上充值頁(yè)面增加“當(dāng)前賬戶余額"展示，方便商戶查詢賬戶即時(shí)信息；將單個(gè)商戶下所有水電表的用量匯總實(shí)行統(tǒng)一結(jié)算，簡(jiǎn)化結(jié)算流程；同時(shí)隨著商家的不斷入駐，在信號(hào)盲區(qū)增加基站進(jìn)行補(bǔ)盲覆蓋。
目前這套IOT智能水電表管理系統(tǒng)已在校內(nèi)具體實(shí)施數(shù)月有余，運(yùn)行良好。從學(xué)校后勤、財(cái)務(wù)等管理部門(mén)和使用商戶的反饋來(lái)看，此次將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到校園智慧管理的初步嘗試較為成功。
5AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)
5.1平臺(tái)概述
AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對(duì)校園能源統(tǒng)計(jì)、后勤計(jì)費(fèi)管理、校園運(yùn)維管理等提供高校的信息化管理平臺(tái)。從“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充"多個(gè)角度解析高校當(dāng)下及未來(lái)的用能問(wèn)題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)、信息互通"等管理模式。助力學(xué)校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。
5.2平臺(tái)組成
AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)采用開(kāi)放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層組成。平臺(tái)融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計(jì)、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預(yù)付費(fèi)等功能，用戶通過(guò)瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)企業(yè)用電進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維，同時(shí)滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。
5.3平臺(tái)架構(gòu)
圖1 安科瑞高校綜合能效管理方案架構(gòu)拓?fù)?/span>
6.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維
集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。
6.2后勤計(jì)費(fèi)管理
采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過(guò)能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門(mén)的節(jié)能意識(shí)。
6.2.1宿舍用電管理
針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；
可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄；
6.2.2商鋪水電收費(fèi)
針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理
6.2.3充電樁管理平臺(tái)
充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。
6.2.4智能照明管理
通過(guò)對(duì)高校路燈的全局監(jiān)測(cè)，提供對(duì)路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開(kāi)關(guān)、強(qiáng)制開(kāi)關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。
6.3能源管理系統(tǒng)
針對(duì)校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。
按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對(duì)數(shù)據(jù)分門(mén)別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。
構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫(kù)，能自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測(cè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。
6.4智慧消防系統(tǒng)
智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過(guò)平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過(guò)手機(jī)短信、語(yǔ)音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。
7 結(jié)束語(yǔ)
人工管理、IC卡管理及本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的IOT智能水電表管理模式對(duì)比如表2所示。
與以往傳統(tǒng)管理模式相比，本文通過(guò)搭建校園物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套IOT智能水電表管理系統(tǒng)，對(duì)校園內(nèi)各商戶的水、電表進(jìn)行統(tǒng)一科學(xué)化管理，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表、智能提醒。該系統(tǒng)不僅解決了以往人工抄表效率低、誤差大、商戶欠費(fèi)難追繳等問(wèn)題，還能更加準(zhǔn)確便捷的了解用水、電情況，并根據(jù)能耗等制訂后期節(jié)能計(jì)劃。
另外，通過(guò)對(duì)接校一卡通平臺(tái)，采用校園卡線上自助繳費(fèi)的模式來(lái)進(jìn)行水電費(fèi)用的收繳，不僅大大減輕了財(cái)務(wù)部門(mén)的管理負(fù)擔(dān)，也使得整個(gè)水電能計(jì)量收費(fèi)的管理體系更加*準(zhǔn)、規(guī)范，*大地提高了后勤管理的工作效率。
這套系統(tǒng)的成功運(yùn)行充分證明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園管理方面的積極作用。搭建的LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接下來(lái)還會(huì)接入更多的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)施，如智能門(mén)鎖、地磁感應(yīng)、智能路燈等，開(kāi)拓校園物聯(lián)網(wǎng)新應(yīng)用，積極助力智慧校園的建設(shè)和發(fā)展。
當(dāng)前位置：