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基于物联网应用的低碳公园管理系统方案

关键词:物联网

时间:2012-02-03 10:55:36       来源:中电网

1 方案概述 

1.1项目背景 

“低碳生活”作为一种生活方式,先是从国外兴起,可以理解为:减低二氧化碳的排放,就是低能量、低消耗、低开支的生活方式。如今这种生活方式已经悄然走进中国,国内开始积极推行“建设低碳城区,实现绿色发展”的行动计划,把城市内的公园打造成为低碳生活示范园。公园不仅为附近居民提供了休闲锻炼的场所,也成为宣传低碳文化、倡导地毯生活、展示推广先进低碳科技成果的平台。

1.2方案目标 

针对低碳示范园场所的特点,天一众合设计了以RFID技术为核心基础,整合物联网核心技术模块,开发了基于物联网应用的示范园管理系统,以主动式、低成本、高性能的优势对示范园内的“主要低碳景点、示范园低碳设施、示范园内环境、植被、示范园内人员”等内容进行全面感知、可靠传递、智慧处理,同时利用物联网技术开展低碳互动游戏,提高公众对低碳生活的兴趣与普及,让居民更直观、更深入地体验低碳生活。 

2 实现方式 

2.1传输方式 

基站通过RFID技术接收信号信息通过WIFI,将信息传送至总控中心,将前端感应装置编码、编号和位置信息与GIS地图结合,实时向中心、游人展示示范园内低碳示范园理念及详细构成。

2.2管理方式 

主控中心通过物联网管理系统对示范园内景点情况、植被介绍、环境现状、互动环节等全面掌控;主控中心通过物联网展示平台为游客提供直观的“低碳示范园简介、低碳景点详细介绍、低碳设备介绍、低碳游戏互动”等低碳宣传内容。

2.3展示方式 

LED实时展示:通过在示范园进出口的LED为游客展示示范园介绍、示范园路线、示范园内低碳展示景点介绍及展示点当前状态;

3 功能介绍 

针对示范区中水系统、示范小屋、藤架区等低碳展示景点进行全面介绍,主动告知游客其核心环保理念与低碳形式展现。

3.1公园人数监控统计 

人员监控管理主要是通过在监管区域的进出入门口、景点、道路,以及一些必要的区域架设基站,对整个监管区域进行有效覆盖,再对工作人员及游客配备相应的RFID电子标签,每个标签都有一个全球唯一的ID号码,该号码可以标识使用者的唯一身份,从而实现在整体区域内众多人员的综合管理,如人员的定位、游览轨迹和人数统计管理等。



3.2环境感知 

利用传感器感知环境特定参数,实时监控:

● 通过温湿度传感器检测空气环境温度、湿度值,了解测量环境的温度、湿度状态; 

● 通过大气压力传感器,检测空气环境中大气的压力状态;

● 通过粉尘传感器,检测空气环境中粉尘的污染程度;

● 通过一氧化碳传感器,检测环境中大气中一氧化碳的浓度;

● 通过照度传感器,检测环境中光照的强度;

● 通过风速传感器,检测环境中风力大小/等级状态;

● 通过风向传感器,检测环境中风的方向状态;

● 通过PH检测传感器(水质),检测水塘中水质的酸碱强度;

● 通过噪声传感器,检测环境中噪音的污染程度;

● 通过PH检测传感器(水质),检测水塘中水质的酸碱强度;

● 信号采集主机采用2×16字符液晶显示,4按键控制,4LED指示灯指示工作状态,人机界面友好易于操作;

● 信号采集主机采用大规模集成电路,减少了分立元件的数量,模块化电源设计,并考虑对过压与雷击的防护;

● 信号采集主机内嵌微单片机系统从硬件和软件上均采取先进的抗干扰措施,从而保障监控系统长期稳定的运行;

● 信号采集主机提供1路RS485数字接口,通过ZigBee模块无线传输到中心监控室,再通过后台软件进行统计数据、列表显示、制图分析等功能。



3.3植被感知 

利用传感器感知植被特定参数,实时监控:

● 通过二氧化碳传感器,检测空气环境中二氧化碳的浓度;

● 通过照度传感器,检测环境中光照的强度;

● 通过风速传感器,检测环境中风力大小/等级状态;

● 通过土壤含水传感器,检测土壤中水分的含量;

● 通过雨量传感器,检测降雨是雨水的降雨量;

● 通过PH检测传感器(水质),检测水塘中水质的酸碱强度;

● 信号采集主机采用2×16字符液晶显示,4按键控制,4LED指示灯指示工作状态,人机界面友好易于操作;

● 信号采集主机采用大规模集成电路,减少了分立元件的数量,模块化电源设计,并考虑对过压与雷击的防护;

● 信号采集主机内嵌微单片机系统从硬件和软件上均采取先进的抗干扰措施,从而保障监控系统长期稳定的运行;

● 信号采集主机提供1路RS485数字接口,通过ZigBee模块无线传输到中心监控室,再通过后台软件进行统计数据、列表显示、制图分析等功能。

3.4能源监测 

本项目的数据源是通过在线监测、手工填报以及系统对传三种数据传输方式得到,可以采集能耗数据、水耗数据等。其中,在线监测数据传输方式是通过在能耗终端安装采集装置,将数据传送给能量综合测量管理终端(以下简称“综测仪”),起到数据中转站的作用。综测仪将收集到的数据及自身采集和计算得到的参数,通过无线传输连接到电脑,通过网络,传送至数据中心的数据库服务器。WEB服务器通过其内置WEB程序,将各种数据进行复杂计算,将数据展现在一个可视化程度较高的信息平台上。该平台采用B/S架构,拥有权限的管理人员,只需要拥有一台可接入网络的计算机,就可以随 时随地掌握公园内的能源情况。

该平台通过对能耗数据的采集,整理、计算、分析,主要可以实现四大功能。

第一,在线监测。该平台通过在线监测能源数据、可以实时掌握能耗状况、以便及时进行能源管理、最终全面提升用能质量。




第二,统计分析。通过详实可靠数据统计,进行横向纵向能耗对比,可以清晰能源消耗结构,从而有效促进能源管理。



第三,能效分析。平台自动生成分析曲线,这些曲线可以有利促进能源审计。通过对曲线的分析可以充分挖掘节能潜力,展示公园节能亮点。



第四,手工填报。平台自动生成预定义的相关能耗报表,这些报表由手工填报,包含公园内未建立监测点的月度耗用量。



(以上截图为北京市用电监测平台截图)


3.5软件功能 

● 数据采集模块;

● 实时环境状态显示模块(生态参数);

● 历史环境状态查询模块(生态参数);

● 统计报表模块;

● 感知终端管理模块;

● 基站管理模块;

● 系统用户管理模块;

● 能源监测。

3.6游戏互动 

碳足迹:通过示范园内的基站将园内分为多个区域,通过游客持有碳足迹RFID卡走过的路线及距离与后台碳排放量监测软件结合计算出游客碳排放量的数字,游客通过RFID碳排放量卡上的编号可通过触摸显示屏进行查询,通过生动的游戏环节提高每个人对碳排放的关注度同时对希望每位游客通过步行等方式上班降低碳排放量的对整个北京环境的影响,碳足迹RFID卡可出售于游客供其家人共同感受低碳生活的乐趣。

4 系统组成 

4.1基站 

基站为智能长距离读写器,是物联网系统的信息中枢设备。基站不断采集周围定位卡发出的射频标识信息,并通过无线通信网络(WIFI网络)上传至采集服务器,为物联网系统提供高精度、实时数据采集。主要有以下特点:

(1) 安装灵活方便,不影响周围环境。基站与采集服务器之间使用移动通信技术进行双向通信,不需要铺设电缆或者光缆,最大程度保护周围环境不受破坏。

(2) 基站与采集服务器之间具有双向移动数据通信功能,支持WIFI接口。

(3) 基站实现了RFID技术和移动通信技术的融合。

(4) 基站支持后备电池供电。

(5) 独特的防冲撞技术使基站在同一区域一次能接收200张定位卡。即使定位卡快速移动时,数据也可以准确的传输。

主要技术参数

(1) 基站射频识别范围大,最大有效识别距离:300m;

(2) 并发容量大,同时识别接收卡数200个以上;

(3) 高速移动情况下不漏卡,支持移动速度高达80km/h 

(4) 接收频率:2.4GHz;

(5) 传输方式:CDMA;

(6) 发射功率:≤30dBm;

(7) 工作电压:DC12V,110mA;

(8) 功耗:AC220V±10%,5W;

(9) 工作温度:-25℃~60℃;

(10) 备用电池容量5Ah,可以维持基站正常工作40个小时以上;

4.2标签 

天一众合公司的标签是有源主动式标识卡,定时发射自身的标识信息。标识卡采用内置电池供电。标识卡具有识别距离远,功耗低,免维护等特点。标签含有内置天线,用于和射频天线间进行通信。每个标签具有全球唯一的电子编码,附着在物体和人体上标识目标对象。主要有以下特点:

(1) 射频发射功率小,只有-10dBm,对人体无伤害;

(2) 超长工作时间。电路采用低功耗设计,降低电路功耗,一节纽扣电池可以维持定位卡正常工作3年;

(3) 采用有源RFID技术,数据自动发送,无需唤醒机制;

(4) 定位卡支持激活和休眠模式;

(5) RFID和传感技术的完美结合相结合。支持双频工作,具有低频唤醒功能。

(6) 具有防撕报警功能。

(7) 采用高性能锂氩电池适应在户外高低温环境下工作。

天一众合标签 

主要技术参数

(1) 接收频率: 2.4GHz;

(2) 供电电源:纽扣电池;

(3) 工作电压:DC3V

(4) 工作电流:射频发射电流16mA,待机电流1μA。

(5) 工作时间:无需更换电池,3S发送一次射频信息,工作时间可达4年以上(使用锂氩电池);

(6) 工作温度:-25℃~60℃;

(7) 防护等级:IP68;

4.3软件 

4.3.1软件结构图 

软件采用B/S架构设计,采用轻量级的J2EE框架SSH进行开发。系统架构图如下:



前台网站:用户凭借账号和密码进行登录前台网站,进而使用定位、用户管理等各种功能项。

报警处理子系统:用于进行处理各种报警情况。

短信子系统:负责向相关负责人发送报警短信。

后台管理子系统:进行各种基站、传感器的维护和管理。

数据库:存储系统需求的各种数据。

采集子系统:用于从基站采集数据到数据中心。

4.3.2软件部署图 

系统采用Tomcat作为web服务器,采用Oracle作为数据库服务器。为了提高性能,web服务器和数据库服务器都采用集群的方式,同时数据库还有备份服务器用于灾难恢复。采集服务器也采用集群的方式,用于缓解采集压力。



4.3.3软件系统特点 

● 实用性:满足用户现实需要,解决实际问题,做细核心功能,兼顾辅助功能,实现快捷、可靠地布署和使用,并节省投资。

● 易用性:各项功能一目了然,满足用户的使用习惯,易使用、易维护、易升级,实现“傻瓜相机”式的操作,将实施、培训成本和周期降到最低。

● 先进性:采用先进的技术架构,结构化程度高,扩展性、升级性好,符合未来发展趋势。

● 稳定性:系统从底层数据库到功能层经过严格测试,数据库稳定,功能顺畅,能在不同的硬件环境中长期平稳运行。

● 安全性:系统能有效防止外部各种病毒的攻击,内部数据具有多种备份方式,通过权限控制,具有严格、细致的访问控制,保证内部数据安全

4.3.4系统应用优势

● 系统工作在2.4G公共频段;

● 系统兼容性强,兼容无线传感器国际标准

● 系统采用直序列扩频技术,抗干扰能力强,对同频段内其他设备干扰小;

● 系统采用AES加密技术对传输数据进行加密,保证数据传输的可靠和安全;

● 基站体积小、带有无线通信模块和蓄电池,因此便于安装,也可尽量减少对现有市政设施的外观影响,必要时基站可采用太阳能取电,实现完全独立安装;

● 基站扩展性强,可集成电力线载波、CDMA、WIFI等通信模块,也可依需求与视频、烟感、有害气体监控等现有安防体系结合;

● 标示卡体积小、支持多频点应用(有源/无源结合)、使用寿命长、成本低廉,便于未来大规模推广;

5 前景展望 

物联网公园低碳示范园综合信息管理平台的建设不仅向人们提供休闲健身的场所,还将成为普及低碳知识,展示先进低碳科技成果的平台以及促进低碳生活社区建设的基地。低碳生活代表着更健康、更自然、更安全,返璞归真地去进行人与自然的活动。

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