基于物聯網技術的中央空調管控一體化系統

摘要：通過將中央空調機房、室外環境、末端用戶集成在物聯網上而形成管控一體化中央空調管理和調度系統，可以使管理人員能夠通過有線和移動終端來實時監測到中央空調系統的運行狀態、室外環境的溫度和濕度、末端用戶的熱濕狀態，并據此下達系統優化運行的調度指令，以保證舒適性需求并達到節能的目的。運行結果表明，采用這種集成了中央空調機房、室外環境、末端用戶的物聯網系統，能夠在保證環境舒適的前提下，顯著降低系統的能耗。
關鍵詞：物聯網；中央空調系統；末端用戶；節能

0 引言
隨著醫療技術的不斷進步和診療設備的不斷更新，現代醫院建筑體量逐漸趨于龐大，功能日益復雜。在醫院建設標準和建設費用提高的同時，醫院的中央空調系統規模也在逐年擴大，設備的管理、維護和運行調度越來越復雜，而更大的挑戰則是系統的能耗在不斷上升。管理的復雜性和能耗的增加不僅使醫院日常支出增大，醫療費用增加，而且使目前衛生保健資金投入與產出之間的差距越來越大。根據對典型
醫院的能耗統計結果，大、中型醫院建筑中，暖通空調系統用電占醫院全年用電的50％以上。因此，做好醫院中央空調系統的管理和運行調度，是提高醫院管理水平、降低醫療成本的重要手段之一。
中央空調系統的管理主要包括兩個方面的內容：一個是對系統中的設備的靜態信息管理，主要是管理設備資產的基本信息，如型號、規格、造價、存放地點、責任人等；另一個是對系統中設備運行的動態信息管理，例如冷水機組的供回水溫度、水泵、風機和壓縮機的電壓、電流和功率等。系統針對前者建立的是管理信息系統，而針對后者則是建立運行管理系統，這兩個系統之間幾乎沒有關聯。但是，隨著系統復雜程度的提高，這種管理模式的弊端就凸現出來。首先是兩個系統存在相互重疊的內容，因而有重復建設的部分，這不但浪費了人力和物力資源，而且要同時維護兩個不同的系統，也提高了管理成本。其次是兩個管理系統的存在信息不同步，甚至是信息偏差的問題，這樣，當系統的規模越來越大時，管理效率將會越來越低。因此，將靜態信息管理和動態信息管理系統有機結合在一起，是未來中央空調系統乃至整個院務保障系統管理的發展趨勢。近年來，物聯網概念的出現和相關技術的發展，為構建中央空調系統一體化管理模式奠定了基礎。
物聯網的概念最初來源于美國麻省理工學院(MIT)在1999年提出的網絡無線射頻識別(RFID)系統，該系統可以把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。隨著技術和應用的發展，物聯網的內涵已發生了較大變化。雖然物聯網這一概念的嚴格定義還存在分歧，但是，關于物聯網的基本特征是非常明確的。物聯網就是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網實際上是互聯網的延伸和擴展。它包含了三個基本的要素，搭載在物品上的傳感器、用于傳輸和存儲信息的網絡系統以及安裝了應用軟件的終端設備。傳感器可以是條形碼、RFID卡、電量表、溫度傳感器，也可以是其它能夠用設備識別的信息載體；而根據應用系統的規模，網絡系統可以是局域網(LAN)，也可以是廣域網(WAN)，可以是有線網，也可以是無線網或各種總線及其綜合系統；終端設備可以是PC、PDA，甚至是手機。利用物聯網的這些特征，可以建立起包括中央空調機組、空調用戶及室外環境的物聯網，從而實現中央空調系統的管控一體化，達到高效管理和節能運行的目的。

1 中央空調物聯網系統的設計
1．1 工作范圍定義
由于物聯網目前還是一個寬泛的概念，因此，在不同的應用領域，其外延還需要具體的定義。針對中央空調系統的特點，本文采用以下術語來規定工作范圍。
(1)中央空調系統：由中央空調機房設備、末端用戶和室外環境組成。根據室外環境的條件，管理人員可以通過物聯網的人機界面調度中央空調機房設備，使末端用戶的熱濕狀態滿足用戶的要求。
(2)物聯網(IOT)：由感知實物身份和屙陛的傳感器，傳輸、存儲和處理信息的網絡和人與網絡之間的接口組成；對于中央空調系統，物聯網中的“物”指中央空調設備、末端用戶建筑和室外環境；感知屬性的傳感器則指壓力、溫度、濕度、電流、電壓及功率傳感器等。與以往的物聯網相比，這里在物聯網具備感知能力的基礎上，擴充了通過人機界面對物的狀態進行干預的功能。圖1所示是中央空調物聯網系統的結構示意圖。事實上，人機界面設備、網絡設備探測中央空調設備、末端用戶建筑和室外環境狀態的傳感器均屬于中央空調機組的物聯網范圍。

(3)實體(Entity)：指物聯網中的具體實物，例如中央空調系統中的壓縮機、水泵、冷卻塔等。
(4)身份(ID)：物聯網中實體的唯一標識碼，是物聯網中最重要的標識信息。
(5)屬性(Attribute)：屬性是描述實體的狀態信息，其中包括靜態(Static)屬性和動態(Dynamic)屬性。靜態屬性不隨時間變化，例如一臺水泵的尺寸、重量等；而動態屬性則包括其排量、壓頭及功耗等隨時間變化的屬性。
(6)歷史(History of Dynamic Attribute)：某時段不同時刻動態屬性的集合，例如一天內空調機組出水溫度的變化過程就是該動態屬性的歷史。
(7)傳感器(Sensor)：主要是感知實體屬性的設備，例如RFID識別器，溫度、濕度傳感器和變送設備等。
(8)網絡(Net Work)：包括傳感器數據采集、存儲、傳輸與處理的介質和設備構成的系統。典型網絡中，包括光纖、雙絞線總線、數據集抄器、數據服務器、網絡交換機等。
(9)人機界面(HMI)：人與物聯網接口的硬件設備和軟件。硬件設備可以是PC、PDA，甚至是手機，軟件則是根據接口要求所開發的各類軟件，例如WEB頁面、工控組態軟件等。