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)、無線通信等技術引入校園后勤智能管理，建立了校園物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入標準，搭建物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺，設計實施了一套基于LoRaWAN的IT智能水、電表管理系統(tǒng)。實現(xiàn)了水、電表狀態(tài)信息的自動采集和智能控制，解決了以往人工抄表中的低效、誤差、商戶拖欠費等問題。通過和校園一卡通業(yè)務的對接，實現(xiàn)了商戶線上自助繳費，提升了校園水電能計量收費管理體系的*準性和規(guī)范性，拓展了物聯(lián)網(wǎng)技術在高校管理中的新應用。

關鍵詞：LoRaWAN；IOT；電水表管理系統(tǒng)；網(wǎng)絡協(xié)議

0引言

隨著各地高等院校辦學規(guī)模的日益壯大，校園里用水、用電設施的數(shù)量也隨之增多，售賣機、咖啡機、洗衣機等大批小型設備逐漸入駐校園，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、手動錄入及核算數(shù)據(jù)等耗時耗力，管理效率低下，不僅缺乏即時性和準確性，還存在商戶欠費難追繳等一系列問題。校園后勤管理亟需一種簡單、高效的智能系統(tǒng)，對校內商戶的用電、用水等進行科學化管理?；诖朔N需求，本文進行了深入研究，探討將物聯(lián)網(wǎng)(The11116X0-ofThings，I0T)技術引入校園后勤智能管理。建立校園物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一接入標準，搭建校園LoRa$LongRange)物聯(lián)網(wǎng)智慧平臺，配合數(shù)量較少的低成本基站，設計出一套IT智能水、電表遠程管理系統(tǒng)。旨在實現(xiàn)對校園用電、用水設施的統(tǒng)一化管理，遠程自動抄表、智能提醒，繳費即通、欠費即停。在該系統(tǒng)設計中，我們對接了校園一卡通平臺，并將其作為水電費繳費渠道，實現(xiàn)商戶線上自助查詢和繳費，降低人力、時間等管理成本、*大的提升了管理效率。

1無線傳輸通訊技術的選用

針對智能水電表管理這種遠距離、低功耗、室外大規(guī)模接入的物聯(lián)網(wǎng)應用，目前市場上大多采用的是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術：NB-IoT(NarrowBandIntemetofThings)，NB-IoT由運營商統(tǒng)一部署覆蓋全國網(wǎng)絡。而高校物聯(lián)網(wǎng)應用，除了考慮技術可行性，還需考慮成本控制、風險控制等各因素，Semech公司推出的LoRa屬于線性擴頻的無線傳輸通訊技術，可以通過Mesh、星型的網(wǎng)絡協(xié)議和架構實現(xiàn)用戶自行組網(wǎng)，靈活性好、易于管控。兩種通訊技術的部署方式和相關特點對比如表1所示。

LoRa采用的是直序擴頻，使得擴頻調制后的信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息*需的*小帶寬。通過融合數(shù)字信號處理和糾錯編碼等相關技術，LoRa具備了遠距離、低功耗、以及性特點，維護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遠距離通信網(wǎng)絡設計的一套系統(tǒng)架構和通訊協(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技術搭配少數(shù)成本較低的基站，即可在校園區(qū)域內靈活部署、搭建一個具有數(shù)百甚至上千臺設備的智能網(wǎng)絡。它的覆蓋范圍不只局限在寬闊的室外，還可延伸到室內甚至地下室、地下電井等空間，從而實現(xiàn)長距離、大容量、低電池消耗的傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)擴展。因其使用的是非授權頻段，組建成本較低，據(jù)可，種技術部署校園物聯(lián)網(wǎng)的多樣化場景需求。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的時間。

基于上述特點，本物聯(lián)網(wǎng)平臺的搭建以及智能管理的設計上，選擇了LoRaWAN這種技術。設計實現(xiàn)的IOT智能水、電表管理構如圖1所示。

該架構主要由智能終端（內置低功耗電、持LoRaWAN協(xié)議的采集器，負責收集據(jù)）、網(wǎng)關（G/eway，也稱為基站，負責據(jù)、協(xié)議、數(shù)據(jù)）、絡服務器（NetwoiSever）和系統(tǒng)應用（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)關實現(xiàn)雙向；網(wǎng)關WiFi網(wǎng)絡與網(wǎng)絡服之間雙向，從而實現(xiàn)自動抄表的數(shù)據(jù)傳輸。

2系統(tǒng)總體方案設計

2.1需求分析設計

通過前期調研，該智能水電表管理系統(tǒng)需求分析設計如下：

商戶管理：對校內商戶水、電表設施實現(xiàn)遠程監(jiān)控和控制，并提供合同基本費率等關鍵指標的管理。

水、電表管理：對水電的用量數(shù)據(jù)進行實時智能上報和采集。根據(jù)對水電表的初始檢測實現(xiàn)智能通斷電，欠費即停、繳費即通。賬戶管理：實現(xiàn)商戶余額不足提醒，設備狀態(tài)、余額、繳費清單等的查詢。充值繳費：實現(xiàn)商戶線上自助繳費、余額查詢，方便財務管理。

2.2系統(tǒng)功能設計

根據(jù)確認后的系統(tǒng)需求，本文設計智能水、電表管理系統(tǒng)對應功能模塊如圖2所示。

基礎系統(tǒng)模塊：實現(xiàn)角色的管理等基礎設置。業(yè)務系統(tǒng)模塊：實現(xiàn)商戶的管理、關聯(lián)水電表的狀態(tài)檢測和計量計費，自動通斷電、自助充值繳費等。

2.3繳費模塊設計

在繳費模塊的實施環(huán)節(jié)，本文特別設計了與校園一卡通平臺的無縫對接。為每個接入商戶開設了校一卡通賬戶，商戶關注學校微信服務號，即可進行賬戶的信息綁定，實現(xiàn)線上水電自助繳費、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，又簡化了對賬和結算流程、減輕了學校的管理壓力。

3智能水、電表的管理

3.1系統(tǒng)管理平臺

IOT智能水電表管理系統(tǒng)是通過IOTP(InternetOpenTradingProtocol，網(wǎng)絡開放貿易協(xié)議)來讀取水、電表定時上報的電量信息，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)后臺管理界面如圖3所示。

系統(tǒng)后臺可以實時監(jiān)測每個接入商戶的即時賬戶余額、合同有效期、費率、***，以及各商戶名下的水電表安裝位置、各自用量等信息。為了簡化結算流程，本文設計將水電表的用量以商戶為單位進行匯總統(tǒng)-結算。

3.2商戶費用查詢及繳納

商戶余額查詢：商戶可以登陸web頁面或者通過學校微信服務號綁定其一卡通賬號，實現(xiàn)線上自助查詢。一卡通管理平臺通過調用用電管理系統(tǒng)的“查詢商戶信息"接口，返回商戶的基礎信息，調用“電費充值"接口返回商戶的卡號、充值金額、*一序列號等狀態(tài)信息。接口示例如圖4所示。

通過Web管理后臺，商戶可自行查詢名下所有設施的用水、電總量單項設施的即時用量及狀態(tài)，也可以通過繳費清單查詢繳費記錄，如圖5所示。

商戶費用繳納：商戶在學校微信服務號上，首先綁定為其開設的校園一卡通賬號，對校園卡進行充值，然后使用校園卡余額對水電費進行自助繳納，充值頁面同步顯示當前賬戶余額。充值繳費頁面如圖6所示。

4系統(tǒng)測試和運行

為了檢測系統(tǒng)是否滿足功能需求、商戶管理和使用過程中各環(huán)節(jié)是否運行通暢，測試期建立了測試商戶來模擬商戶使用，并在試運行期間完善了一些細節(jié)性問題如：商戶線上充值頁面增加“當前賬戶余額"展示，方便商戶查詢賬戶即時信息；將單個商戶下所有水電表的用量匯總實行統(tǒng)一結算，簡化結算流程；同時隨著商家的不斷入駐，在信號盲區(qū)增加基站進行補盲覆蓋。

目前這套IOT智能水電表管理系統(tǒng)已在校內具體實施數(shù)月有余，運行良好。從學校后勤、財務等管理部門和使用商戶的反饋來看，此次將物聯(lián)網(wǎng)技術應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

5.1平臺概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統(tǒng)計、后勤計費管理、校園運維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網(wǎng)、荷、儲、充"多個角度解析高校當下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實現(xiàn)能源互補、信息互通"等管理模式。助力學校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

5.2平臺組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網(wǎng)絡結構，主要由設備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應用層組成。平臺融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計、電氣安全、電能質量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)用電進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一運維，同時滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。

5.3平臺架構

圖1 安科瑞高校綜合能效管理方案架構拓撲

6高校綜合能效解決方案

6.1校園電力監(jiān)控與運維

集成設備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

6.2后勤計費管理

采用先進的網(wǎng)絡抄表付費管理技術，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠程抄表、費率設置、賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

6.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發(fā)基礎用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，檢測違規(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

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理

6.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

6.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現(xiàn)校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節(jié)，以及定時控制方案靈活設置，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)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統(tǒng)計分析，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行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節(jié)能監(jiān)管內容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設備的運行狀態(tài)，設置控制策略，達到節(jié)能目的。

6.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監(jiān)控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網(wǎng)絡，并對這些設備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

7 結束語

人工管理、IC卡管理及本文設計實現(xiàn)的IOT智能水電表管理模式對比如表2所示。

與以往傳統(tǒng)管理模式相比，本文通過搭建校園物聯(lián)網(wǎng)平臺，設計了一套IOT智能水電表管理系統(tǒng)，對校園內各商戶的水、電表進行統(tǒng)一科學化管理，遠程自動抄表、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、商戶欠費難追繳等問題，還能更加準確便捷的了解用水、電情況，并根據(jù)能耗等制訂后期節(jié)能計劃。

另外，通過對接校一卡通平臺，采用校園卡線上自助繳費的模式來進行水電費用的收繳，不僅大大減輕了財務部門的管理負擔，也使得整個水電能計量收費的管理體系更加*準、規(guī)范，*大地提高了后勤管理的工作效率。

這套系統(tǒng)的成功運行充分證明了物聯(lián)網(wǎng)技術在校園管理方面的積極作用。搭建的LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺接下來還會接入更多的物聯(lián)網(wǎng)終端設施，如智能門鎖、地磁感應、智能路燈等，開拓校園物聯(lián)網(wǎng)新應用，積極助力智慧校園的建設和發(fā)展。