淺談基于物聯網的智慧園區綜合平臺的設計與實現

張 振， 趙德志

(1. 江蘇安科瑞微電網研究院有限公司，江陰 214405； 2. 新疆建筑設計研究院有限公司，烏魯木齊 830002)

0 前言

圍繞“雙碳”工作部署，全國多個省市開展低碳工業園區建設及零碳體系試點，推進綠色工廠、綠色園區建設，實施產業園區綠色化、循環化改造，建設綠色產業示范基地，打造近零碳排放示范區。2021 年國務院發《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》，推動公共設施共建共享、資源循環利用、能源梯級利用和污染物集中安全處置，推進產業園區與產業集群循環化改造，鼓勵電、水、氣、冷、熱等多種能源協同互濟的項目建設。

智慧園區綜合平臺運用IoT、云計算、大數據、AI、互聯網等ICT 技術，將人員、車輛、樓宇、能源、變電所、數據中心、設備、環境等人與物進行連接，實現互聯化、感知化和智能化，可廣泛應用于大型公建、高校、商業廣場、工業園區等場所，有助于解決傳統園區存在的建設缺乏頂層設計、服務感知差、基礎設施老化、管理效率低下且缺乏有效手段、管理運營能力薄弱、信息孤島難以打破等問題，打造集智慧管理、智慧運營、智慧消防、智慧安防、智慧環保于一體的“安全、高效、舒適、綠色、低碳”的智慧園區。

1 方案總體設計

1.1 總體結構

智慧園區平臺采用分層分布式結構(圖1)，由現場感知層、網絡層和平臺層三個部分組成，可以容納大量設備，后期也可以根據接入設備數量的增加，在不更改架構的前提下進行水平擴展，滿足大數據和高并發的要求。

圖1 智慧園區平臺總體結構

感知層:各類傳感器，包括多功能儀表、流量計、電氣火災主機、消防設備電源、智能照明、應急疏散、防火門、空調面板、電瓶車充電樁、汽車充電樁、環境在線監測儀、開關量監測模塊、門禁、智能攝像頭等。

網絡層:數據傳輸設備，包含智能網關、數采儀、DTU、網絡交換機等，采集感知層的數據，進行規約轉換將數據上傳至數據中臺。

平臺層:提供應用所需的基礎服務，包含數據中臺和園區綜合平臺，中臺整合底層的各類傳感器數據，為園區綜合平臺提供統一標準的數據，園區綜合平臺作為應用平臺，在PC 端和移動端為用戶提供應用服務。

1.2 應用支撐平臺架構

整個系統依靠應用支撐平臺構筑支撐，基于信息安全實現資源共享及應用系統互通的運營管理。應用支撐平臺包括感知層、基礎設施、數據層、應用層、展現層和運營層。

(1)感知層:智能物聯網感知平臺用于監測電力、電能質量、火災、視頻、環境、設備運行、人臉/車輛識別等數據，并進行預警，同時對能源消耗和費用進行計量。

(2)基礎設施:智慧園區綜合平臺可以實現本地、私有云和公有云部署。

(3)數據層:數據中臺負責采集智能物聯網感知平臺的各類數據，并進行清洗、檢查、計算和分析，將處理后的數據按照不同的應用分別存入Redis、MySQL、MongoDB、HBase、ES 等關系型和非關系型數據庫。 支持通過MQTT、Socket、API、中間庫OPC 等方式與第三方平臺進行數據交互。

(4)應用層:智慧園區綜合平臺分為智慧管理、智慧運營、智慧消防、智慧安防和智慧環保5 個方面，包含變電所監控、能源管理、設備管理、智慧消防、門禁管理、充電樁管理、預付費、環境監測等功能。

(5)展現層:智慧園區綜合平臺以Web、App 和H5 等形式傳達和反饋用戶需求，實現用戶功能界面。

(6)運營層:智慧園區綜合平臺為政府管理部門、園區管委會、園區物業、園區企業等提供服務，協調管理各子系統，實現全局管控。

2 智慧園區子系統設計

智慧園區綜合平臺包含變電所電力監控、數據中心監控、預付費水電管理、能源管理、智慧環保、充電樁收費運營、空調管理、設備管理與控制、電梯監控、智能照明、門禁管理、智慧消防12 個子系統。通過虛擬仿真實現多維度可視化，為客戶提供運營管理、運行服務，助力園區能源經濟雙向管理，提升能源管理水平。

2.1 變電所監控子系統

該子系統可實現配電系統運行、變電所環境的數據采集、故障定位、故障切除、自愈和自適應。

(1)系統設計

變電所安裝有源濾波柜、無功補償柜、進線/出線安裝多功能電表、電氣節點安裝測溫裝置；配電房安裝溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙霧傳感器、攝像頭、門磁、微機保護，配備UPS、雙機熱備冗余。

多功能電表、無功補償柜、有源濾波柜、環境傳感器、煙霧傳感器、測溫裝置、攝像頭可通過RS485、Lora、4G、NB、以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，其中多功能電表/測溫裝置也可通過4G 直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)電力監控:監測配電系統中的電力參數，實現遙信、遙測、遙控；2)電能質量監測:監測配電系統的功率因數及諧波含量，以便進行無功補償或濾除諧波；3)環境監測:監測配電房的煙感、門禁、水浸、溫度、濕度、監控視頻等環境情況；4)報警管理:App、手機短信、郵件、語音等多種方式提醒及異常閉環處理；5)運維巡檢管理:平臺制定巡檢計劃，移動端執行簽到、巡檢、消缺，負責人審核閉環；6)變壓器監測:監測變壓器的運行狀態及損耗。

2.2 數據中心監控子系統

該子系統可實現數據中心的供電安全可靠、運行穩定、綠色節能。

(1)系統設計

數據中心進線安裝多功能電表、溫濕度傳感器、水浸傳感器、煙感、攝像頭、門磁傳感器；列頭柜安裝多功能電表；母線安裝母線監控模塊；UPS 電池安裝電池檢測傳感器；機架安裝水浸傳感器、溫濕度傳感器。

多功能電表、攝像頭、水浸傳感器、煙感/溫濕度傳感器、門磁傳感器、母線監控模塊、電池檢測傳感器可通過RS485、4G、以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，其中多功能電表也可通過4G 直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)列頭柜監測:監測發電機、UPS、列頭柜、空調、蓄電池等設備的運行情況；2)UPS 監測:監測UPS 主路旁路及輸出的電力參數，以及蓄電池參數及環境溫度；3)電池監測:監測電池組電壓、電流、浮充電流、組溫，以及單節電池的電壓、內阻、溫度；4)環境監測:監測數據中心溫/濕度、開關門、水浸、煙霧、噪聲、氣體濃度等環境參數；5)能效評估:計算PUE 值，并與行業標準進行對比分析。

2.3 預付費水電管理子系統

該子系統可實現用戶先繳費，后用水電，并對宿舍用電安全進行管理和控制。

(1)子系統設計

房間用電進線安裝預付費電表、多功能計量箱；房間進水管安裝預付費水表；宿舍用電回路安裝一進多出多功能電表。

預付費電表、多功能計量箱、預付費水表可通過RS485、Lora 傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，也可通過4G 或NB 直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)遠程抄表:遠程售水電，包含多種計費模式；2)事件提醒:余額不足、欠費、充值到賬時，通過手機短信提醒用戶；3)遠程控制:平臺端執行遠程拉閘、保電、參數下發等操作；4)惡性負載識別:員工宿舍支路接入未經允許的惡性負載(主要為較大的功率增量及增量因數)或發生拔斷空調插座動作時自動跳閘；5)自助購水電:用戶在線自助購電購水；6)財務分析:根據用電情況分析財務軌跡。

2.4 能源管理子系統

該子系統可實現變電所、數據中心、建筑、空調、電梯、照明、充電樁、重點設備等用能支路的數據采集及用能計量，避免能源浪費，提升能源利用率。

(1)系統設計

用能支路中安裝多功能電表、智能水表、燃氣表、冷熱量表、流量計等計量器具。 計量器具可通過RS485、Lora、以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，其中多功能電表也可通過4G 直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)能耗監測:監測園區內各建筑及支路的電、水、氣、冷、熱等分類能源消耗；2)能耗分析:對各類能源消耗進行趨勢及同環比分析；3)復費率統計:對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析；4)能源流向圖:展示單棟建筑中各分類能源的流向；5)數據報表:數據集抄報表、支路費用報表、容需量報表等；6)分項用能:建筑內照明插座、空調、動力、特殊用電等分項電能進行統計；7)碳排放管理:對區域碳排放進行趨勢分析和同環比分析；8)報警管理:能耗超標時觸發報警，并通過App、手機短信、郵件、語音等多種方式進行提醒；9)節能分析:提供能源消耗報告及節能分析建議。

2.5 智慧環保子系統

該子系統可實現對區域內空氣質量、噪音、廢氣/廢水排放情況的實時監測和告警。

(1)系統設計

園區安裝空氣質量監測儀、揚塵噪聲監測儀；廢氣排口安裝VOCs 監測儀；廢水排口安裝水質監測儀。

質量檢測儀、揚塵噪聲檢測儀、VOCs 檢測儀、水質檢測儀可通過4G 直接上傳平臺，也可采用廢氣、廢水、噪音、空氣質量傳感器，通過RS485 或者模擬量接入數采儀，再由數采儀通過4G 上傳平臺。數采儀或在線監測儀滿足HJ477 技術要求，以HJ212 協議傳輸數據。

(2)系統功能

1)實時監測:監控PM2.5、PM10、氣體濃度、非甲烷總烴、苯系物、PH 值、氨氮、一氧化碳、噪音等環境參數的實時值；2)超標報警:檢測數據超標時觸發報警，并通過App、手機短信、郵件、語音等多種方式進行提醒；3)AQI 分析:將監測數據與AQI 進行趨勢對比分析；4)數據統計:統計監測數據的分鐘平均值、小時平均值、日平均值。

2.6 充電樁收費運營子系統

該子系統可實現充電過程的安全可靠、對火災進行預警，并對充電異常進行保護。

(1)系統設計

充電區域安裝交流/直流汽車充電樁、電瓶車充電樁、攝像頭、煙霧傳感器；充電樁出線回路安裝測溫裝置、限流式保護器。

充電樁、測溫裝置、煙霧傳感器、限流式保護器、攝像頭可通過RS485、Lora、4G、NB、以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，其中充電樁、煙霧傳感器、限流式保護器也可通過4G 直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)充電樁管理:對充電樁充電權限進行管理，包括公樁、私樁模式；2)充電樁監控:實時監控汽車、電瓶車充電樁的狀態；3)功率控制:根據充電站的功率負載對充電樁的充電功率進行控制；4)遠程控制:平臺端執行參數設置、下發電價、復位等操作；5)安全監控:實時監控充電過程，及時定位故障，切除火災隱患；6)隱患管理:App、手機短信、郵件、語音等多種方式提醒及隱患閉環處理；7)運營分析:區域、站點、時間等多維度統計充電、廣告收益；8)用戶充電:充電用戶使用微信/支付寶小程序、IC 卡啟動充電，支持手機充值，享受優惠活動。

2.7 門禁管理子系統

該子系統可實現人員、車輛出入的管理與控制，達到安全防護和高效管理的目的。

(1)系統設計

園區入口安裝人臉識別閘機、車牌識別攝像頭、車牌識別道閘；建筑樓層安裝人臉識別門禁機；電梯內安裝梯控。

人臉識別閘機、車牌識別攝像頭、車牌識別道閘可通過RS485 傳輸至控制主板，再由控制主板通過以太網上傳平臺。 人臉識別門禁機/梯控可通過以太網直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)刷臉門禁:根據人臉識別結果對內部人員及外來人員進入園區和建筑進行有序管理；2)車牌識別:根據車牌識別結果對內部車輛及外來車輛進入園區進行有序管理；3)電梯控制:刷卡后控制電梯啟動，對人員入戶進行控制；4)權限管理:根據人臉識別結果和人員進入權限，對人員入戶進行控制；5)出入記錄:記錄進出的對象和時間，可調取歷史監控畫面。

2.8 智慧消防子系統

該子系統可實現故障定位、火災隱患切除、電氣安全預警、火災報警、火災疏散逃生指示，最大限度保障人員生命財產安全。

(1)系統設計

監控室安裝電氣火災主機、火報主機；用電回路安裝電流互感器、漏電流互感器、溫度傳感器、電氣火災探測器、消防設備電源、限流式保護器、故障電弧探測器；消防噴淋、消防水池安裝水壓傳感器、水位傳感器；公共區域安裝煙霧傳感器、攝像頭、應急照明和疏散指示燈、防火門開閉器。

火報主機、水壓傳感器、水位傳感、煙霧傳感器、限流式保護器、電氣火災探測器、故障電弧探測器、攝像頭可通過RS485 或以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網或4G 上傳平臺，其中電氣火災探測器、消防設備電源、限流式保護器、故障電弧探測器、電氣火災主機、應急照明和疏散指示燈、防火門、水壓傳感器、水位傳感/煙霧傳感器也可通過4G、NB 或以太網直接上傳平臺。

(2)系統功能

1)電氣安全監測:監測用電回路中的漏電流、線纜溫度、故障電弧等電氣參數，漏電流過大、線纜溫度溫度過高、線路中有故障電弧時產生報警；2)消防水監測:監測消防水泵的水位、水壓，水位和水壓過低時產生報警；3)煙感監測:監測煙感狀態，有煙霧時產生報警；4)消防設備電源監測:監測消防設備電源的工作狀態；5)防火門監測:監測防火門的開關狀態；6)應急疏散管理:配置疏散預案，根據火災報警聯動信號及疏散預案改變指示燈箭頭方向；7)視頻監控:監控公共區域的視頻；8)隱患管理:App、手機短信、郵件、語音等多種方式提醒及隱患閉環處理；9)運維巡檢管理:平臺制定巡檢計劃，移動端執行簽到、巡檢、消缺，負責人審核閉環。

2.9 其他子系統

2.9.1 空調管理子系統

該子系統可實現空調的數據采集、用能計量及節能控制。

(1)系統設計:房間安裝空調溫控器，通過RS485與采集箱通訊，再由采集箱通過以太網上傳平臺。

(2)系統功能:1)運行監測:監控空調的運行模式、水閥開關、當前溫度、當前風速等工作狀態；2)遠程控制:平臺端執行運行模式設置、控制水閥開關、設定溫度、調節風速、開關機等操作；3)控制策略:冬季空調溫度不允許設置大于20℃，夏季空調溫度不允許設置小于26℃(溫度自定義，平臺下發給網關)。

2.9.2 設備管理與控制子系統

該子系統可實現設備的數據采集、控制及用能計量，保證設備穩定運行。

(1)系統設計:風機、水泵、冷卻塔等設備支路安裝DDC 控制器，DDC 可通過RS485 以ModBus/BACnet 傳輸至智能網關，再由智能網關上傳平臺。

(2)系統功能:1)設備監控:監控設備運行實時狀態；2)故障報警:設備故障時，通過App、手機短信、郵件、語音等多種方式提醒；3)運維管理:移動端執行點檢、保養、維修等線上處理；4)設備臺賬:設備檔案歸檔；5)備件管理:對備件進行計劃、采購、供應、出入庫、庫存的管理；6)遠程控制:平臺端執行設備啟停操作。

2.9.3 電梯監控子系統

該子系統可實現電梯的數據采集及用能計量，保障電梯安全運行。

(1)系統設計:電梯內安裝RS485 串口通信模塊、串口轉以太網透傳模塊、攝像頭。 串口通信模塊通過RS485 傳輸至透傳模塊，再由透傳模塊通過以太網上傳平臺。 攝像頭可通過以太網傳輸至智能網關，再由智能網關通過以太網/4G 上傳平臺。

(2)系統功能:1)運行監測:實時監控電梯工作狀態；2)故障報警:電梯故障時，通過App、手機短信、郵件、語音等多種方式提醒；3)檔案管理:電梯檔案歸檔；4)運維管理:移動端執行維保、年檢等線上處理；5)應急救援:緊急情況時自動聯系相關責任人員；6)視頻監控:監控電梯內的實時畫面，支持歷史監控回放；此外，識別到電瓶車進電梯后，實時觸發報警并控制梯門不允許關閉。

2.9.4 智能照明子系統

該子系統可實現對現場照明燈具的智能化控制與用能計量，滿足各場景的應用。

(1)系統設計:配電箱安裝開關驅動器、邊緣計算主機；控制現場安裝智能面板、傳感器。 智能面板、傳感器采集數據可通過RS485 傳輸至邊緣計算主機，再由邊緣計算主機通過4G 上傳平臺。

(2)系統功能:1)運行監測:實時監控照明區域燈光狀態；2)報警管理:電流越限時觸發報警，并通過App、手機短信、郵件、語音等多種方式進行提醒；3)遠程集中控制:平臺端執行燈光開關、亮度調節、場景切換、運行時間設置等操作；4)控制策略:根據外界環境自動控制燈光開閉；按照預設的運行時間自動控制燈光；通過智能開關個性化調節所屬區域燈光；5)系統聯動:通過干接點連接消防系統做聯動。

3 結束語

本文設計的智慧園區綜合平臺旨在打造集場景式用戶體驗和數字化運營服務于一體的智能化園區。 可縮減訪客進出時間，提高效率；監控人員、車輛行為，實現7×24h 防護；檢測資源利用情況，提升資源利用率；提供優化的能耗運營策略，實現辦公節能10%左右，總節能3%左右；對設備進行全生命周期管理，隨時感知狀態，自動定位故障，及時切除隱患；由事后處理轉變為事前預防，快速響應過程，提升處理效率，助力實現無保安值守、無出入等待、無盲區監管、無區域限制的創新園區。