高校能源實時監(jiān)控平臺建設(shè)與研究

韋 剛 邢益軍

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 21000）

高校能源實時監(jiān)控平臺建設(shè)與研究

韋 剛 邢益軍

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 21000）

資源節(jié)約目前已經(jīng)成為了全球關(guān)注的焦點問題。高校既是高等人才的聚集地也是能源消耗重要單位。如何對高校內(nèi)部能源消耗進(jìn)行實時監(jiān)控和科學(xué)化管理受到了廣泛的關(guān)注。本文對高校能源實時監(jiān)控平臺進(jìn)行了研究，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對水、電等資源進(jìn)行監(jiān)控和管理，為高校的節(jié)能工作提供數(shù)據(jù)支撐。高校能源實時監(jiān)控平臺利用St o r m實時流處理計算框架為高校提供了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、照明系統(tǒng)控制、空調(diào)系統(tǒng)控制、水資源控制等功能。該平臺對提高后勤部門能源管理水平，降低高校能源開銷都具有非常重要的意義。

實時監(jiān)控；能耗；節(jié)能管理；遠(yuǎn)程控制

1 引言

改革開發(fā)以來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對水、電等能源的消耗也在不斷增加。高校既是高等人才的聚集地也是能源消耗重要單位。進(jìn)入二十一世紀(jì)，高等院校的辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，學(xué)校的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（教學(xué)樓、實驗設(shè)備、圖書館、宿舍）、生活、科研等各個方面對能耗的需求不斷增加。能源管理工作已近成為高校后勤部門一項重要工作。

目前，高校后勤部門對于能耗的管理普遍存在測量設(shè)備丟失、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、無法實時獲取能源消耗數(shù)據(jù)，教學(xué)生活場所浪費(fèi)水、電資源等問題。由于后勤部門缺乏相應(yīng)的技術(shù)人員，主要依靠人工抄錄的方式獲取數(shù)據(jù)。這種方式獲取的數(shù)據(jù)在實時性和準(zhǔn)確性上無法得到保證。隨著計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，如何利用互聯(lián)網(wǎng)思維實現(xiàn)對能耗的監(jiān)控逐漸成為了關(guān)注的焦點。對能耗的管理便捷化、實時化、簡單化，勢必需要建設(shè)一套全新的高校能源實時監(jiān)控平臺。本文對高校能源實時監(jiān)控平臺進(jìn)行了研究，利用Storm實時流處理計算框架為高校提供了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、照明系統(tǒng)控制、空調(diào)系統(tǒng)控制、水資源控制等功能。

2 能源實時監(jiān)控平臺系統(tǒng)功能

高校能源實時監(jiān)控平臺通過實時采集水、電等能耗數(shù)據(jù)，利用Storm流計算框架對上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供多維度的數(shù)據(jù)分析報表、警報預(yù)測、實時監(jiān)控等功能于一體的監(jiān)控平臺。高校能源實時監(jiān)控平臺主要涉及的功能模塊：水資源管理、照明系統(tǒng)管理、空調(diào)系統(tǒng)管理、實時數(shù)據(jù)監(jiān)測等。

2.1 水資源管理

對水資源的使用量監(jiān)測和安裝可用于遠(yuǎn)程控制的節(jié)水裝置，實現(xiàn)全校水資源終端流量的統(tǒng)計和分析。

利用智能水表（具備實時上傳水流量數(shù)據(jù)的水表）代替?zhèn)鹘y(tǒng)水表，實時上傳水流量數(shù)據(jù)到監(jiān)控平臺的消息隊列中（同時存儲到持久化工具中），Storm流計算框架從消息隊列中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，將實時分析的結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中，同時利用圖表展現(xiàn)在平臺中。通過對不同時段、不同季節(jié)、不同年月、極限條件下水流量數(shù)據(jù)的對比分析，掌握出高校水資源的使用情況。如果發(fā)現(xiàn)水流量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況，平臺將自動啟動節(jié)水設(shè)備，同時發(fā)送短信給設(shè)備維修人員現(xiàn)場查看。

2.2 照明系統(tǒng)管理

對高校內(nèi)部全部的照明用電進(jìn)行實時控制和實時用電數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對高校內(nèi)部用電情況的實時監(jiān)控。

利用智能電表（具備實時上傳用電數(shù)據(jù)的電表）代替?zhèn)鹘y(tǒng)電表，將收集到的用電數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控平臺的消息隊列中，照明系統(tǒng)管理的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊對消息隊列中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在電數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常（波動較大）的情況下，系統(tǒng)將會發(fā)出警報信息，同時發(fā)送短信給響應(yīng)區(qū)域的設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行檢修。同時照明系統(tǒng)管理模塊通過對不同時段、不同季節(jié)、不同年月、極限條件下用電數(shù)據(jù)的對比分析，從而分析出高校內(nèi)部照明用電情況。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)管理

空調(diào)管理系統(tǒng)主要對空調(diào)工作過程中涉及的參數(shù)（室外溫度、室內(nèi)房屋面積、室內(nèi)溫度等）進(jìn)行實時監(jiān)控。將上報的數(shù)據(jù)與空調(diào)在節(jié)能運(yùn)行下工作參數(shù)進(jìn)行對比，自動調(diào)整空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)為節(jié)能運(yùn)行。同時空調(diào)系統(tǒng)管理模塊通過對不同時段、不同季節(jié)、不同年月、極限條件下室內(nèi)溫度變化，從而分析出高校內(nèi)部空調(diào)使用情況。

2.4 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

實時數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)對水、電等信息數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計。利用通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集和分析能耗數(shù)據(jù)。監(jiān)控平臺對能耗數(shù)據(jù)集中式存儲，同時提供各種類型的查詢、分析功能。實現(xiàn)學(xué)校整體、二級學(xué)院和部門、建筑物在不同時間段、不同季度等多個維度的信息統(tǒng)計和對比分析。按照時間節(jié)點生成數(shù)據(jù)分析報告，后勤管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)分析報告可以快速定位節(jié)能位置，便于預(yù)測節(jié)能水平。

3 基于Storm框架能源實時監(jiān)控平臺架構(gòu)模式

高校能源實時監(jiān)控平臺主要實現(xiàn)的功能包括了能耗數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程節(jié)能控制。利用無線通信技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸，利用Storm流計算框架實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時計算，對水、電數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、傳輸、分析、存儲、數(shù)據(jù)可視化等過程，實現(xiàn)對高校內(nèi)部各部門、各教學(xué)樓宇、宿舍的水、電消耗實時監(jiān)控并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，為部門決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、節(jié)能方案規(guī)劃等。圖1描述了高校能源實時監(jiān)控平臺工作流程。

圖1 描述了高校能源實時監(jiān)控平臺工作流程

3.1 Storm框架分析

Storm是一個免費(fèi)的、開源的、分布式、高容錯性的實時計算系統(tǒng)。Storm經(jīng)常用于實時分析、在線機(jī)器學(xué)習(xí)、持續(xù)計算、分布式遠(yuǎn)程調(diào)用和ETL等領(lǐng)域。

Storm集群主要由一個主節(jié)點（Nimbus后臺程序）和一群工作節(jié)點（worker node）Supervisor的節(jié)點組成，通過Zookeeper進(jìn)行協(xié)調(diào)。Nimbus類似Hadoop里面的JobTracker。Nimbus負(fù)責(zé)在集群里面分發(fā)代碼，分配計算任務(wù)給機(jī)器，并且監(jiān)控狀態(tài)。每一個工作節(jié)點上面運(yùn)行一個叫做Supervisor的節(jié)點。Supervisor會監(jiān)聽分配給它那臺機(jī)器的工作，根據(jù)需要啟動/關(guān)閉工作進(jìn)程。每一個工作進(jìn)程執(zhí)行一個topology的一個子集；一個運(yùn)行的topology由運(yùn)行在很多機(jī)器上的很多工作進(jìn)程組成。

圖2給出了Storm集群的架構(gòu)圖。

圖2 Storm集群的架構(gòu)圖

（1）Nimbus主節(jié)點

主節(jié)點通常運(yùn)行一個后臺程序——Nimbus，用于響應(yīng)分布在集群中的節(jié)點，分配任務(wù)和監(jiān)測故障。這個很類似于Hadoop中的Job Tracker。

（2）Supervisor工作節(jié)點

工作節(jié)點同樣會運(yùn)行一個后臺程序——Supervisor，用于收聽工作指派并根據(jù)要求運(yùn)行工作進(jìn)程。每個工作節(jié)點都是topology中一個子集的實現(xiàn)。而Nimbus和Supervisor之間的協(xié)調(diào)則通過Zookeeper系統(tǒng)或者集群實現(xiàn)。

（3）Zookeeper

Zookeeper是完成Supervisor和Nimbus之間協(xié)調(diào)的服務(wù)。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)實時的邏輯被封裝進(jìn)Storm中的topology。topology是一組由Spouts（數(shù)據(jù)源）和Bolts（數(shù)據(jù)操作）通過Stream Groupings進(jìn)行連接的圖。

（4）Worker

Worker是運(yùn)行具體處理組件邏輯的進(jìn)程。

（5）Task

Worker中每一個spout/bolt的線程稱為一個Task。在Storm0.8之后，Task不再與物理線程對應(yīng)，同一個spout/bolt的Task可能會共享一個物理線程，該線程稱為Executor。

圖3給出了基于Storm框架能源實時監(jiān)控平臺的架構(gòu)圖。

圖3 監(jiān)控平臺架構(gòu)圖

Storm為分布式實時計算提供了一組通用原語，可被用于“流處理”之中，實時處理消息并更新數(shù)據(jù)庫。Storm也可被用于“連續(xù)計算”，對數(shù)據(jù)流做連續(xù)查詢，在計算時將結(jié)果以流的形式輸出給用戶。

監(jiān)控平臺各部分主要功能描述：

監(jiān)控平臺中的數(shù)據(jù)接入層主要負(fù)責(zé)對智能硬件實時上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，作為Storm實時處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。同時也將原始數(shù)據(jù)存儲在本地，作為數(shù)據(jù)備份。

Strom實時處理系統(tǒng)從數(shù)據(jù)接入層源源不斷地獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)入處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時將處理后的結(jié)果存入Mysql或者寫入HDFS（被Hadoop框架再次使用）。

HDFS，Mysql，Lustre組成了本地存儲層，主要負(fù)責(zé)將分析完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并提供給Web端進(jìn)行調(diào)用。

4 結(jié)束語

本文對高校能源實時監(jiān)控平臺的系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)功能做了詳細(xì)的論述。高校能源實時監(jiān)控平臺不僅節(jié)約能源，給高校帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價值，同時也促進(jìn)了后勤部門對于能耗管理工作的改革和創(chuàng)新。隨著計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字化校園的建設(shè)，傳統(tǒng)的管理模塊已經(jīng)無法適應(yīng)智能化校園的需求。利用高校能源實時監(jiān)控平臺可以充分展示整個高校內(nèi)部的能耗情況，為決策者的決策提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐。

[1]張曉暉．基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線監(jiān)控平臺[J]．自動化與儀器儀表，2016(8)：140-141．

[2]方煒．環(huán)境在線監(jiān)控平臺的建設(shè)和應(yīng)用[J]．價值工程，2013 (18)：192-193．

[3]歐?。畯B門市環(huán)境綜合監(jiān)控平臺的深入開發(fā)[J]．廈門科技，2011(3)：6-7．

[4]王慧斌．環(huán)境在線監(jiān)控平臺系統(tǒng)的建設(shè)與創(chuàng)新應(yīng)用研究[J]．科技與企業(yè)，2015(14)：100．

[5]萬田．視頻監(jiān)控平臺助力綠色交通發(fā)展[J]．中國公共安全，2013(6)：124-126

[6]徐鵬飛．交通視頻監(jiān)控平臺軟件發(fā)展趨勢淺析[J]．中國交通信息化，2012(5)：82-83

[7]徐琰．高校能耗監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]．衡陽：南華大學(xué)2014．

[8]徐琰．高校能耗監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D]．衡陽：南華大學(xué)2014．

[9]王娜．能耗監(jiān)測平臺的建設(shè)及其在節(jié)約型校園中的應(yīng)用研究[D]．長春：吉林建筑大學(xué)，2014．

[10]秦瑞峰．校園能耗監(jiān)測與信息分析系統(tǒng)開發(fā)[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2015．

[11]董茜．校園能源監(jiān)測與能耗分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]．成都：電子科技大學(xué)，2013．

The Construction and Research of the Real-time Energy Monitoring System in the University

Wei Gang Xing Yijun
(Nanjing Vocational Institute of Industry Technology,Nanjing 21000,Jiangsu)

Resource saving has become the focus of global attention.Colleges and universities are not only the gathering place of higher talents,but also the important unit of energy consumption.How to carry on the real-time monitoring and scientific management to the university internal energy consumption has been widely concerned.In this paper,we study the real-time monitoring platform of energy,using the Internet of things technology to monitor and manage water,electricity and other resources,to provide data support for energy-saving work in colleges and universities.The real-time data monitoring platform based on Storm is used to provide real-time data monitoring,lighting system control,air conditioning system control,water control and so on.It is very important to use this platform to improve the energy management level of logistics department and to reduce the energy expenditure in universities.

real-time monitoring;energy consumption;energy saving management;remote control

TP311.52

A

1008-6609(2016)12-0068-03

韋剛（1982-），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士，實習(xí)研究員，研究方向為實時監(jiān)控、節(jié)能管理、遠(yuǎn)程控制化。