#物联网征文#基于Niagara物联网架构的建筑室内热环境监控系统 原创

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项目摘要

  本项目提出了基于Niagara物联网架构的建筑室内热环境监控系统，通过Niagara 网络控制器对多种设备进行集成，并以我们的一个办公建筑薛店为实例，在Niagara 框架软件平台上二次开发，实现采集数据的有效存储，并可通过浏览器实现远程访问和监控。设计背景主要是目前各国都致力于二氧化碳的减排工作以应对全球变暖和能源危机，这就需要我们更多地采用节能技术和管理措施以降低其能耗，而暖通空调系统的能耗占建筑能耗50%以上，其节能意义不言而喻。同时系统较为复杂，使用传统的控制技术无法达到节能控制的目标，所以将智能控制技术引入其中，基于Niagara物联网平台，对中央空调系统进行智能控制。
  我们主要提供给用户一款网站，用户可以直接输入房子的建筑图纸，我们利用Autodesk的forge服务，通过相应的API将2D转化为特殊格式的3D模型，用户在浏览器中可以直接查看三维模型。随后将生成的三维模型进行仿真模拟，主要通过设置中央空调出风口的风速，温湿度，去模拟真实室内的气流情况，通过连续仿真和不断调整设计确定出最佳的空调位置。室内人体工作区一般是距地面1.1m的位置，我们可以选取分析这个位置的温湿度、风速等数据，再结合随机森林算法和ASHRAE全球热舒适度数据库，确定出舒适度等级，将室内热舒适度等级以及风口的具体位置呈现到我们的页面端。我们通过在建筑室内安装温湿度、风速等传感器进行收集数据，将传感器的数据收集并通过Niagara进行传输，通过网络控制层将数据传输至用户层，在用户层实现数据的显示、存储和分析。将收集到的数据传输到后台服务器中，与我们之前对室内仿真分析的数据进行对比。进而调整空调出风口排风口等设备一系列的参数，使得室内传感器的数值都是达到一个最优值，以此来调节室内通风情况，营造健康舒适的室内环境。

一.项目背景

1.1 使用需求

  据统计，现代人在建筑室内停留的时间占总时间的80%~90%，如图1.1所示。近年来，随着新冠病毒横扫全球，人们待在室内的时间大大延长。并且，随着新冠病毒横扫全球，更加导致人们待在室内的时间大大延长，而大型室内活动场所中央空调的出风口，回风口较多，由于设计不合理，往往会出现室内通风不合理导致室内空气污浊、温度不均衡等问题，长期处于这种环境下的人们会经常头昏脑胀、浑身疲倦。特别是疫情期间，在医院等重点地区如果没有合理的中央空调控制系统，将会导致病毒的传播与蔓延。
  另外，中央空调系统在使用中的能耗较高，同时系统较为复杂，使用传统的控制技术无法达到节能控制的目标，所以将智能控制技术引入其中，基于Niagara物联网平台，对中央空调系统进行智能控制。

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图1.1 不同职业人员在室内环境中一天停留时间

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1.2 发展需求

1.2.1 中央空调使用量将逐年升高

  据有关部门统计，在近年内建成的商厦、宾馆、商品批发市场、体育文化娱乐中心、多功能办公楼等建筑中采用中央空调系统的约90%以上，同时，现在正值我国西部大开发的大好时机，西部地区以其丰富的自然资源条件、优惠的投资环境及政策引导，必将吸引大量国内外资金投资西部，同样会兴建大批需空调的生产厂房和高档民用建筑。此外，随着世界范围内的产业结构调整，高新技术行业不断发展以及传统行业的高新技术改造都将导致大批的生产办公用房需设置中央空调，由此可见，随着宏观经济的不断发展，采用中央空调的建筑物越来越多。那么，对中央空调智能控制的需求将不断增加。

1.2.2 中央空调系统将响应“双碳”目标

  我国公共建筑能耗问题严重，越来越多的研究人员开始关注公共建筑能耗，建筑能耗监测系统逐渐应用到建筑节能行业。近年来，在“双碳”的政策导向下，中央空调系统与既有楼宇系统的协同运行成为节能降耗的潜力增长点。我们致力于通过智能平台推进中央空调控制系统的发展，以优化设计、智能运维等实施要点促进建筑环境的高效发展。在中央空调设备的定制化趋势下，产品及系统的配套革新缺一不可，节能建筑的大力推行将继续促进中央空调系统控制技术的创新。

二、团队介绍

2.1 团队简介

  室内热环境优化设计团队是依托于郑州轻工业大学而创建的，团队于2021年在郑州轻工业大学成立。业务范围包括流体力学仿真、Revit建模、网页开发以及提供相应的解决方案。团队目前主要以创新项目为主，随着团队逐渐完善将会由创新不断向创业发展。
团队拥有熟练使用三维建模软件、流体仿真软件，算法设计、网站开发，商业交流等技术能力的人才，具有很强的技术优势。
团队秉承“优化设计，为民服务”的精神，以开发科技、应用科技作为团队宗旨，力图将新的科技成果实用化，以方便生活，解决社会问题，造福社会。

2.2 团队优势

  1.我们团队基本功扎实，知识面广，专业学习成绩优秀，项目上在仿真、算法、建筑设计方面都有相关专业的同学，可以将所学知识运用到项目里。
  2.我们具有专业的指导老师作为我们的项目顾问，及时为我们答疑解惑，给予我们项目上和生活上的鼓励和支持。
  3.我们的团队团结互助，具有强大的团队力量，项目负责人主动关心队员的工作和生活，善于倾听，认真倾听队员的意见，在明确的目标要求下，让队员有能力与权力去做事并对结果负责，善于激励，使队员可以积极改变心态。
  4.团队成员积极服从负责人领导，并积极提出自己的意见和想法，遇到问题时互帮互助，一起解决问题。

2.3 团队战略

  团队战略前期发展阶段保证资金的正常流动，产品定位于建筑设备，同时以全国建筑设计院为主要目标客户，大力扩展市场，利用自身价格以及技术优势抢占市场。利用自身价格与技术优势首先向本地设计院进行推广，3-5年内占领高校市场，并形成集研发—生产—销售一条龙的商业模式。在占领稳定的市场份额后，加大研发力度以及投入，研发出独立的操作系统，推动产品的更新换代。利用自主技术来扩大市场份额。团队中各个部门协同发展，采用绩效制度来各部门进行考核。同时要重视团队人员培养，各部门均要有专业人员参与。销售人员要对技术有所了解方便产品的推广，同时建立固定的售后服务网点，便于上门服务。在中期，通过多种形式的融资渠道进行大量的融资，运用所融资金，从同行业的大型公司，挖掘出色的科研人员和高级工程师，及有实战经验的销售人才加入本团队，凭借着自身的优势，以及积极地对外策略，迅速扩展自己的业务，实现流程的扩展和产业链的完善。重点以下几个发面着手：
  (1)成员的培训，形成基本的运营系统。
  (2)公司管理层的优化，管理水平的提高。
  (3)技术的创新，研发团队的建立。
  (4)市场的进一步的扩展在后期，团队将利用前中期积累的资本与人脉，重组及整合团队的现有的资源，改进团队结构和制度积极筹备上市融资。
  团队如果想要做大、做强，就要打造新型便捷，符合实际建筑需求的室内设计方案，并实现产品的换代升级，走在行业的前面，以一个领导者的身份，扮演市场的技术导向的角色，打造国内、国际知名品牌。

三、应用场景

场景一： 建筑设计时对于中央空调位置的安放
  设计师在建筑设计时不仅需要考虑家居的位置安放的美观，也需要考虑家居位置是否摆放的合理，这可以通过使用我们的产品来确定几个合适摆放中央空调的位置，根据建议得出建筑内中央空调的最合适的具体位置，以此来提高居住者室内通风设施的使用效率、降低能耗。对于居住者，由于我们的产品操作简单，因此对于想安装中央空调的、对室内家居通风要求比较严格的别墅，也可以通过使用我们的产品来确定最佳的安放位置，营造一个舒适的室内环境。
场景二：居住者根据已有的室内装修来改善室内环境
  居住者可以根据自己的生活习惯在网页端输入合适自己的温度，之后本产品可以通过实时检测房间的温湿度，调整室内通风设施，以最低的能耗来达到用户目标的舒适度。

四、产品功能

  产品特色用户使用我们的网站，可以直接上传图纸，在我们的页面端可以看到我们给用户提供了六个服务，分别是：导入二维图纸并转化成三维模型、查看房间的三维模型、数字化建模、仿真结果展示、修改您的模型以及舒适度等级和优化建议的展示。用户可以根据我们提供的服务按照需求自行选择，然后我们会将结果呈现在页面上展示给用户。下图分别是我们的网站的首页、服务功能选择页面以及部分代码截图。

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图4.1 Web端首页

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图4.2 Web端服务功能

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图4.3 部分代码截图

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  导入二维图纸并转化成三维模型的功能，我们是通过使用Autodesk的Forge服务实现的。然后，通过数据管API将三维模型上传到存储桶，使用Model Derivative API将3D模型转换为Viewer友好的格式，达到用户可以在网页上直接查看房间的三维模型效果。同时，网页有数字化建模功能，用户可以按照主观想法，通过设置数据来控制模型的放置位置。仿真结果也实现了通过网页展示，用户可以查看模型的仿真结果图。最终，网站上会进行舒适度等级和优化建议的展示，我们会给用户提供多种优化方案，如A方案的舒适度高，B方案降低能耗效果更显著，用户可以根据我们提供的服务按照需求进行选择。

五、项目创新点

5.1 二维图纸转化成三维模型

  我们使用Autodesk 的Forge服务通过数据管API将2D或3D模型上传到存储桶。使用Model Derivative API 将2D或3D模型转换为Viewer友好的格式。使用Viewer API可以在浏览器中直接显示SVF模型。

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图5.1 导入CAD图纸生成三维几何模型

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5.2 数字化建模

  首先我们可以导入提前建好的模型，其次可以设置数据来控制模型的放置位置，这样就实现了用户可以按照主观想法放置空调位置的目的，通过改变数字便可直接改变模型，解决了我们一大麻烦。

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图5.2 数字化建模演示

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5.3 实时智能数据化图像显示系统

  我们采用物联网数据可视化工具包，由此为深入了解整体模型内部的风速大小、流向，温度等提供了机会。然后可以将仿真后的热图和传感器数据合并到Forge 应用程序中去，改变参数就可以看到热图中相应参数的变化。

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图5.3 数据可视化

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5.4 仿真数据与实测数据对比分析

  我们采用实际案例传感器测量出的数据和仿真结果进行对比试验，我们有一个专门用来测试我们项目的实验基地，其位于郑州市新郑市中原创科小镇航美国际智慧城创业园区，在进行仿真时，将我们的实例模型中的一个小房子按比例缩小后进行仿真，在合适的位置放置空调的出风口以及回风口。通过连续仿真和不断调整设计，我们得出了空调的最优的具体位置。实例模型的对比实验增强了我们项目的可信度。

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图5.4 实例模型展示

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【本文正在参加物联网有奖征文活动】，活动链接：https://ost.51cto.com/posts/14758