基于多傳感器的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備能耗研究

王磊

摘要：實(shí)驗(yàn)室設(shè)備已成為高校提高教學(xué)質(zhì)量、產(chǎn)出科研成果不可或缺的資源，但其在能耗方面也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高校實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗占高?？偰芎牡?0%。文章基于多傳感器技術(shù)精準(zhǔn)管理的特點(diǎn)開發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室能耗管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用M2M協(xié)議作為簡易實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗管理機(jī)制的基礎(chǔ)，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多種傳感器應(yīng)用到能耗管理系統(tǒng)中。為驗(yàn)證能耗監(jiān)測機(jī)制的可行性，文章進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬仿真，成功地從多傳感器中讀取了各類實(shí)驗(yàn)室儀器能耗信息，按照閾值設(shè)定進(jìn)行精確的能耗管理。據(jù)測算，在使用本系統(tǒng)之后的實(shí)驗(yàn)室能耗平均下降30%。

關(guān)鍵詞：能耗管理；多傳感器；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備

中圖分類號：TP399? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展，為未來精確管理應(yīng)用帶來無限可能。目前，實(shí)驗(yàn)室能耗是個(gè)突出的問題，因此如何有效監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的狀態(tài)與效能，將是未來必須面對的重要課題［1］。另外，近年各國環(huán)境保護(hù)意識逐漸普及，減少能耗的殷切需求來自各產(chǎn)業(yè)，“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展趨勢正方興未艾［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高校實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗占學(xué)校總能耗的20%，例如：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者的數(shù)據(jù)中心（Data Center）能耗就非常巨大，必須有效地監(jiān)督與控制實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗［3-4］。

實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗測量主要由多傳感器負(fù)責(zé)，隨著實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備大量增加，多傳感器數(shù)量分布會越來越廣。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，利用多傳感器將整體的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗監(jiān)控形成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗的測量與控制解決方案多為封閉式系統(tǒng)，只能適用特定的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗監(jiān)測［5］。除了內(nèi)嵌于特定實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的能耗測量監(jiān)測功能，也可利用以太網(wǎng)絡(luò)接口或其他物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議從遠(yuǎn)程進(jìn)行能耗監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗測量與控制解決方案因?yàn)橛卸喾N選擇，造成異構(gòu)的儀器設(shè)備管理問題。因此，在異構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備環(huán)境提供一致性的能耗測量與控制方式，監(jiān)測接口的標(biāo)準(zhǔn)化是需要的［6］。

本文的研究重點(diǎn)在于如何以開放式的多傳感器監(jiān)測架構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗監(jiān)測。在物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議方面，本文提出由NB-IoT低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)作為通信媒介，所有的物聯(lián)網(wǎng)儀器設(shè)備可通過NB-IoT節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。在能耗信息的監(jiān)測上，本文也將提出一個(gè)較為簡易并符合M2M協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò)能耗管理機(jī)制［7］。

1 能耗監(jiān)測機(jī)制

目前，已有許多基于物聯(lián)網(wǎng)的電力監(jiān)測傳感設(shè)備提供遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，但窄帶物聯(lián)網(wǎng)的能耗更低［8］。本文采用NB-IoT開放式低功耗物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，將能耗監(jiān)測多傳感器設(shè)備設(shè)計(jì)為一個(gè)NB-IoT用戶，利用NB-IoT節(jié)點(diǎn)架構(gòu)將散布各處的能耗監(jiān)測多傳感器設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。在能耗信息的呈現(xiàn)及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整合方面，本研究遵循目前NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)的思想，提出一個(gè)結(jié)合NB-IoT與M2M的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗管理機(jī)制，使得不同儀器設(shè)備間的通信與統(tǒng)一管理更加容易［9-10］。

研究重點(diǎn)是基于NB-IoT與M2M協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下如何讓多種異構(gòu)儀器設(shè)備在同一系統(tǒng)下呈現(xiàn)與管理。對于部分內(nèi)建能耗管理并支持M2M的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，可直接由系統(tǒng)以M2M協(xié)議獲取所需能耗監(jiān)測信息，這類儀器設(shè)備多放置于機(jī)房等固定位置，屬于大型實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)人員以傳統(tǒng)M2M協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)方式進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備物理位置較為分散，采用封閉式監(jiān)測方式不利于規(guī)模較大的信息通信環(huán)境且無法與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)管理整合，容易形成信息管理孤島［11］。因此，本文研究重點(diǎn)在于對能耗監(jiān)測多傳感器設(shè)備進(jìn)行有效統(tǒng)一管理，通過NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將現(xiàn)有非標(biāo)準(zhǔn)的能耗監(jiān)測儀器設(shè)備以物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接后，再將其監(jiān)測接口轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的M2M協(xié)議接口。為此，本研究定義專屬的M2M管理對象進(jìn)行信息存取。

這些儀器設(shè)備將作為NB-IoT節(jié)點(diǎn)上一個(gè)用戶，某用戶會作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的代理，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的M2M協(xié)議獲取信息，以有效分析儀器設(shè)備能耗。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搜集資料是按照設(shè)定好的時(shí)間間隔周期性地向儀器設(shè)備收集信息［12］。節(jié)點(diǎn)利用M2M協(xié)議接口至NB-IoT的監(jiān)測模塊下達(dá)存取對象的M2M指令，監(jiān)測模塊對節(jié)點(diǎn)而言相當(dāng)于一般的M2M代理，監(jiān)測模塊運(yùn)行方式為通過消息總線向其他儀器設(shè)備的用戶請求監(jiān)測數(shù)據(jù)，并使用M2M標(biāo)準(zhǔn)上傳數(shù)據(jù)給相關(guān)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測模塊對節(jié)點(diǎn)使用M2M協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)溝通，對于儀器設(shè)備則使用NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)溝通。每一用戶先通過NB-IoT協(xié)議在消息總線上進(jìn)行注冊，完成后每當(dāng)節(jié)點(diǎn)向監(jiān)測模塊收集信息時(shí)，監(jiān)測模塊就在消息總線上向儀器設(shè)備用戶獲取監(jiān)測信息，并按照信息系統(tǒng)所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將對象標(biāo)識符與對象狀態(tài)值進(jìn)行綁定，用以提取組合信息，接著將組成的變量組合加入監(jiān)測模塊中。完成綁定后，當(dāng)節(jié)點(diǎn)通過M2M協(xié)議方式發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令時(shí)，監(jiān)測模塊將根據(jù)欲存取對象的標(biāo)識符選定對應(yīng)的用戶獲取監(jiān)測信息，再以M2M標(biāo)準(zhǔn)信息回傳給節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)再將信息儲存至數(shù)據(jù)庫并進(jìn)行呈現(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于上述NB-IoT與M2M協(xié)議的能耗監(jiān)測架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本研究選擇電源分配單元作為儀器設(shè)備。其支持M2M協(xié)議功能，可以代表支持M2M協(xié)議的儀器設(shè)備直接與管理服務(wù)器溝通。另外，本研究還選擇了2臺多傳感器設(shè)備，代表不支持M2M協(xié)議的小型儀器設(shè)備，2臺多傳感器設(shè)備需搭載支持網(wǎng)絡(luò)界面的信號轉(zhuǎn)換器。以下通過多傳感器設(shè)備為例，說明不支持M2M協(xié)議的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備利用NB-IoT進(jìn)行信息管理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；贜B-IoT與M2M協(xié)議的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備能耗監(jiān)測架構(gòu)如圖1所示。

由于大部分的多傳感器監(jiān)測設(shè)備本身并沒有網(wǎng)絡(luò)接口，無法以IP地址等網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行直接通信，因此對于此類儀器設(shè)備可以通過信號轉(zhuǎn)換器上的消息總線協(xié)議讓用戶程序得以與能耗監(jiān)測多傳感器設(shè)備溝通，必須把消息總線標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換成讓使用者可以直接觀察的數(shù)值格式。

3 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)各個(gè)感知能耗節(jié)點(diǎn)通過定時(shí)器（Timer）周期性向儀器設(shè)備收集信息，M2M管理模塊被觸發(fā)時(shí)，會與M2M代理人進(jìn)行通信，M2M管理模塊利用節(jié)點(diǎn)協(xié)議的M2M協(xié)議程序，根據(jù)不同的對象識別碼對M2M代理人發(fā)出請求，以獲取對象資料。M2M代理人端的監(jiān)測模塊根據(jù)所收到的對象標(biāo)識符選擇對應(yīng)的用戶，用戶獲取的多傳感器監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，是以一個(gè)M2M協(xié)議信息系統(tǒng)的對象呈現(xiàn)。該信息通過監(jiān)測模塊回傳給M2M協(xié)議管理模塊。經(jīng)計(jì)算獲取的耗電量與該次監(jiān)測的時(shí)間將一同寫入數(shù)據(jù)庫，用戶再通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的網(wǎng)站程序讀取數(shù)據(jù)庫前端網(wǎng)頁接口呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)將能耗數(shù)據(jù)結(jié)合時(shí)間變化，計(jì)算出單一儀器設(shè)備使用的能耗的時(shí)段分布，數(shù)據(jù)存取模塊獲取時(shí)間節(jié)點(diǎn)后，對儀器設(shè)備24小時(shí)的能耗信息進(jìn)行匯總。將電力能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合電價(jià)，精準(zhǔn)預(yù)測出電費(fèi)，使用者可以利用上述方法監(jiān)測與預(yù)估能耗數(shù)量。過去一個(gè)實(shí)驗(yàn)室只使用一個(gè)傳感器監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠全面，很難發(fā)現(xiàn)各用電儀器設(shè)備的實(shí)際耗電情況。利用本系統(tǒng)可適度增購多傳感器將監(jiān)測范圍擴(kuò)展至各個(gè)儀器設(shè)備，科研機(jī)構(gòu)就可以更詳細(xì)地掌握能耗信息。

4 結(jié)語

本文提出以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的能耗監(jiān)測方法，結(jié)合自定義的信息系統(tǒng)對象，利用NB-IoT開放式物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，搜集來自異構(gòu)儀器設(shè)備的能耗信息，簡化異構(gòu)儀器設(shè)備納入監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜性。監(jiān)測機(jī)制對于不同實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備不需要逐一安裝或開發(fā)監(jiān)測工具，可與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可在既有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及界面下獲取能耗監(jiān)測信息，增進(jìn)使用上的方便性。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測接口，可減少對異構(gòu)儀器設(shè)備監(jiān)測的復(fù)雜度，可降低對生產(chǎn)廠商的依賴度，對采購實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備做最佳的選擇。

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（編輯 王永超）

Research on energy consumption management of laboratory equipment based on multi-sensorWang? Lei

（Taiyuan University， Taiyuan 030012， China）

Abstract： Laboratory equipment has become an indispensable resource for colleges and universities to improve teaching quality and output scientific research achievements， but its energy consumption is also huge. According to statistics， the energy consumption of laboratory equipment in colleges and universities accounts for 20% of the total energy consumption of colleges and universities. Based on the characteristics of precise management of multi-sensor technology， this paper develops a laboratory energy consumption management system. The system uses M2M protocol as the basis of energy consumption management mechanism of simple laboratory instruments and equipment， and uses Internet of things technology to apply a variety of sensors to energy consumption management system. In order to verify the feasibility of the energy consumption monitoring mechanism， we have carried out systematic simulation， successfully read the energy consumption information of various laboratory instruments from multiple sensors， and accurately manage the energy consumption according to the threshold setting. It is estimated that the laboratory energy consumption will decrease by an average of 30% after using this system.

Key words： energy consumption management; multi-sensor， Internet of things; laboratory instruments and equipment