基于物联网技术的中央空调管控一体化系统

摘要：通过将中央空调机房、室外环境、末端用户集成在物联网上而形成管控一体化中央空调管理和调度系统，可以使管理人员能够通过有线和移动终端来实时监测到中央空调系统的运行状态、室外环境的温度和湿度、末端用户的热湿状态，并据此下达系统优化运行的调度指令，以保证舒适性需求并达到节能的目的。运行结果表明，采用这种集成了中央空调机房、室外环境、末端用户的物联网系统，能够在保证环境舒适的前提下，显著降低系统的能耗。
关键词：物联网；中央空调系统；末端用户；节能

0 引言
    随着医疗技术的不断进步和诊疗设备的不断更新，现代医院建筑体量逐渐趋于庞大，功能日益复杂。在医院建设标准和建设费用提高的同时，医院的中央空调系统规模也在逐年扩大，设备的管理、维护和运行调度越来越复杂，而更大的挑战则是系统的能耗在不断上升。管理的复杂性和能耗的增加不仅使医院日常支出增大，医疗费用增加，而且使目前卫生保健资金投入与产出之间的差距越来越大。根据对典型
医院的能耗统计结果，大、中型医院建筑中，暖通空调系统用电占医院全年用电的50％以上。因此，做好医院中央空调系统的管理和运行调度，是提高医院管理水平、降低医疗成本的重要手段之一。
    中央空调系统的管理主要包括两个方面的内容：一个是对系统中的设备的静态信息管理，主要是管理设备资产的基本信息，如型号、规格、造价、存放地点、责任人等；另一个是对系统中设备运行的动态信息管理，例如冷水机组的供回水温度、水泵、风机和压缩机的电压、电流和功率等。系统针对前者建立的是管理信息系统，而针对后者则是建立运行管理系统，这两个系统之间几乎没有关联。但是，随着系统复杂程度的提高，这种管理模式的弊端就凸现出来。首先是两个系统存在相互重叠的内容，因而有重复建设的部分，这不但浪费了人力和物力资源，而且要同时维护两个不同的系统，也提高了管理成本。其次是两个管理系统的存在信息不同步，甚至是信息偏差的问题，这样，当系统的规模越来越大时，管理效率将会越来越低。因此，将静态信息管理和动态信息管理系统有机结合在一起，是未来中央空调系统乃至整个院务保障系统管理的发展趋势。近年来，物联网概念的出现和相关技术的发展，为构建中央空调系统一体化管理模式奠定了基础。
    物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院(MIT)在1999年提出的网络无线射频识别(RFID)系统，该系统可以把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。随着技术和应用的发展，物联网的内涵已发生了较大变化。虽然物联网这一概念的严格定义还存在分歧，但是，关于物联网的基本特征是非常明确的。物联网就是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网实际上是互联网的延伸和扩展。它包含了三个基本的要素，搭载在物品上的传感器、用于传输和存储信息的网络系统以及安装了应用软件的终端设备。传感器可以是条形码、RFID卡、电量表、温度传感器，也可以是其它能够用设备识别的信息载体；而根据应用系统的规模，网络系统可以是局域网(LAN)，也可以是广域网(WAN)，可以是有线网，也可以是无线网或各种总线及其综合系统；终端设备可以是PC、PDA，甚至是手机。利用物联网的这些特征，可以建立起包括中央空调机组、空调用户及室外环境的物联网，从而实现中央空调系统的管控一体化，达到高效管理和节能运行的目的。

1 中央空调物联网系统的设计
1．1 工作范围定义
    由于物联网目前还是一个宽泛的概念，因此，在不同的应用领域，其外延还需要具体的定义。针对中央空调系统的特点，本文采用以下术语来规定工作范围。
    (1)中央空调系统：由中央空调机房设备、末端用户和室外环境组成。根据室外环境的条件，管理人员可以通过物联网的人机界面调度中央空调机房设备，使末端用户的热湿状态满足用户的要求。
    (2)物联网(IOT)：由感知实物身份和屙陛的传感器，传输、存储和处理信息的网络和人与网络之间的接口组成；对于中央空调系统，物联网中的“物”指中央空调设备、末端用户建筑和室外环境；感知属性的传感器则指压力、温度、湿度、电流、电压及功率传感器等。与以往的物联网相比，这里在物联网具备感知能力的基础上，扩充了通过人机界面对物的状态进行干预的功能。图1所示是中央空调物联网系统的结构示意图。事实上，人机界面设备、网络设备探测中央空调设备、末端用户建筑和室外环境状态的传感器均属于中央空调机组的物联网范围。

    (3)实体(Entity)：指物联网中的具体实物，例如中央空调系统中的压缩机、水泵、冷却塔等。
    (4)身份(ID)：物联网中实体的唯一标识码，是物联网中最重要的标识信息。
    (5)属性(Attribute)：属性是描述实体的状态信息，其中包括静态(Static)属性和动态(Dynamic)属性。静态属性不随时间变化，例如一台水泵的尺寸、重量等；而动态属性则包括其排量、压头及功耗等随时间变化的属性。
    (6)历史(History of Dynamic Attribute)：某时段不同时刻动态属性的集合，例如一天内空调机组出水温度的变化过程就是该动态属性的历史。
    (7)传感器(Sensor)：主要是感知实体属性的设备，例如RFID识别器，温度、湿度传感器和变送设备等。
    (8)网络(Net Work)：包括传感器数据采集、存储、传输与处理的介质和设备构成的系统。典型网络中，包括光纤、双绞线总线、数据集抄器、数据服务器、网络交换机等。
    (9)人机界面(HMI)：人与物联网接口的硬件设备和软件。硬件设备可以是PC、PDA，甚至是手机，软件则是根据接口要求所开发的各类软件，例如WEB页面、工控组态软件等。
1．2 方案实施步骤
    所谓中央空调系统机房物联网的总体功能设计，就是准确界定中央空调物联网系统所涵盖的范围、系统边界、系统功能以及与上层或外部物联网系统的信息接口方法。
    中央空调系统实体的编码规则可参照以往信息化建设过程中采用的编码方法以及上级信息主管部门的有关技术规范，对中央空调系统物联网中的实体应定义严格的编码规则，以保证物联网信息标识的唯一性，同时保证与未来的院务系统物联网编码兼容。
    中央空调系统物联网数据库服务系统要建立中央空调系统物联网中实体的动态属性分布式数据库(如温度、湿度、流量、功耗等)及数据服务软件接口，并将其作为与物联网数据服务的基础。
    架设中央空调系统物联网主干网络硬件系统时，可以用中央空调机房到院务机关大楼的光纤构成物联网主干数据通道；在中央空调机房设置一台数据库、一台网络服务器和一台光纤交换机(可选择HP或IBM品牌)，用于承担中央空调系统物联网的数据服务和网络服务；而在营房科安装无线路由，则便于移动终端的接入。
    中央空调物联网系统的人机界面设计，应考虑到管理用户的应用方便和可移植性，人机界面可采用WEB网页形式，即所谓B／S的系统结构，管理用户可以采用普通的网页浏览器来浏览所需要的中央空调系统的状态信息。
    中央空调系统物联网移动终端软件可采用基于开放的Android平台的手机来作为移动终端设备，关键数据可以通过移动通信网络以短信方式传递(考虑到通信费用)，其它数据可以在具有网络信号覆盖的地方通过局域网获取。

2 典型应用
    通过中央空调物联网系统，管理人员不仅能随时随地获取中央空调机组设备的静态信息，也能实时远程监测到中央空调系统的运行状态(如冷冻水供回水温度、流量、耗电功率等)、末端用户热湿状态的分布情况以及室外环境温度和湿度等，以便为提高中央空调系统的调度、管理和运行水平提供依据，优化中央空调系统的运行模式，进而达到节能减排的目的。
    图2所示是通过物联网获得的中央空调机组的运行状态，画面直观地显示了相关设备的运行参数。

    图3所示是典型用户的热湿状态分布图，可用于反映用户舒适度或者被满足的程度。

3 结语
    本文选择具有代表性且条件比较成熟的中央空调系统进行了物联网的应用示范，实际应用中取得了很好的效果，这也为全面实现医院院务管理物联网奠定了基础。物联网技术是实现物与物、人与物、人与人之间的信息交互技术。随着传感和人工智能等技术的发展，物联网技术的应用将会有力地推动医院院务管理水平的进一步提高。