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一、項目背景與核心需求
（一）項目概況
蘇州市學士中心小學作為蘇州市義務教育階段的標桿學校，校園區域涵蓋教學樓、辦公樓、多功能報告廳、科學實驗室、音樂教室等多個功能分區，分體空調設備廣泛服務于日常教學與辦公場景，是保障師生學習工作環境舒適的關鍵基礎設施。近年來，隨著 “雙減” 政策落地與智慧校園建設的深入推進，學校辦學規模持續擴大，教學活動頻次顯著增加，傳統空調管理模式的弊端日益凸顯，不僅造成能源浪費，還影響教學管理效率。為響應國家 “碳達峰、碳中和” 戰略號召，落實《江蘇省綠色校園建設評價標準》要求，打造節能型、智慧型校園樣板，蘇州市學士中心小學決定啟動空調節能智能化改造項目，引入廣州分體空調集中管理系統，通過 LoRa 轉 4G 無線通訊方案，構建科學高效的校園空調節能管理體系。
（二）傳統管理模式痛點
1. 能耗浪費突出：校園空調使用場景分散且規律特殊，教室、功能室等區域存在明顯的 “潮汐式” 使用特征。傳統模式下依賴人工操作，普遍存在放學后忘記關閉空調、課間操期間空轉、溫度設置不合理（夏季低于 24℃、冬季高于 26℃）等問題，尤其是低年級學生自主管理能力較弱，隨意調節空調或離開后未關機的現象頻發，導致大量無效能耗。多功能報告廳、實驗室等公共區域因使用頻次不穩定，“人走機不停” 的浪費問題更為嚴重。
2. 管理效率低下：空調設備分布在多個教學樓、不同樓層的教室及功能室中，傳統管理模式需安排后勤人員逐間巡查、手動操作，不僅占用大量人力成本，還存在響應滯后問題。例如，突發公開課需要調整教室溫度時，需后勤人員現場操作；課間操結束后，需逐間關閉未關機的空調，耗時費力且易遺漏。
3. 運行狀態失控：缺乏有效的監測手段，無法實時掌握每臺空調的運行參數、能耗數據及故障情況。部分空調因長期異常運行未被發現，不僅影響使用體驗，還可能因故障擴大導致設備損壞，影響教學活動連續性。同時，能耗數據無精準統計，節能工作缺乏數據支撐。
4. 安全隱患存在：小學生好奇心強，部分學生存在隨意拆卸空調遙控器、頻繁切換空調模式等行為，既可能造成設備損壞，還可能因溫度設置過低導致感冒等健康問題，傳統管理模式無法有效限制非授權操作。
5. 維護成本較高：依賴人工巡檢發現設備故障，故障定位耗時費力，維修響應不及時，導致設備維護成本居高不下，同時影響正常教學使用。
（三）核心改造需求
基于傳統管理模式的痛點，結合小學教學場景的特殊性，蘇州市學士中心小學明確了本次改造的核心需求：一是實現深度節能，通過智能控制策略減少無效能耗，降低校園運營成本，助力綠色校園建設；二是構建分級集中管控體系，支持按校區、年級、班級分級管理，適配校園管理架構，提升空調管理效率；三是完善監測與預警功能，實現運行狀態實時監控、能耗數據精準統計、故障及時預警，為節能決策與設備維護提供支撐；四是強化安全防護，限制非授權操作，避免學生誤操作導致的設備損壞或健康風險；五是保障系統穩定可靠，適配校園復雜環境（如多墻體遮擋、學生密集區域），確保長期穩定運行；六是兼容現有設備，無需大規模更換原有空調，降低改造難度與成本，避免影響正常教學。
二、技術方案設計與選型
（一）方案總體思路
本次改造項目以 “無線通訊 + 分級管控 + 校園場景適配” 為核心架構，選用廣州分體空調集中管理系統，通過 LoRa 無線通訊技術實現終端設備的數據采集與指令傳輸，借助 4G 通訊模塊完成與云端管理平臺的遠程連接，構建 “終端感知 - 通訊傳輸 - 平臺管控” 的三級智能管理體系。方案無需改變原有空調硬件結構，僅通過加裝智能控制器即可實現智能化升級，同時充分適配校園作息規律與管理模式，設置課表聯動、分級權限、安全鎖定等定制化功能，確保技術方案與校園需求深度契合。該架構采用模塊化設計，各層級設備獨立運行且協同聯動，可根據校園區域擴展需求靈活增減終端設備與網關節點，具備極強的擴展性與兼容性。
（二）核心技術選型依據
1. 通訊技術選型：考慮到校園教學樓、功能樓分布集中但墻體密集，傳統有線通訊方案存在施工復雜、影響教學環境、擴展性差等問題。LoRa 無線通訊技術作為低功耗廣域網技術的核心代表，采用擴頻調制技術，具備遠距離傳輸（無障礙環境下傳輸距離可達 3-5 公里）、強穿透性（可穿透 3-4 層鋼筋混凝土墻體）、低功耗（終端設備靜態電流僅微安級）、抗干擾能力強（采用跳頻技術規避校園 WiFi、藍牙等信號干擾）等核心優勢，完全滿足校園全覆蓋需求，即便在教學樓角落、地下室等信號遮擋區域也能保持穩定傳輸，有效解決校園場景中的信號盲區問題。結合 4G 通訊技術的廣域覆蓋與穩定傳輸特性，選用工業級 4G 模塊實現 LoRa 網關與云端平臺的遠程數據交互，該模塊支持中國移動、中國聯通、中國電信三大運營商全網通，內置雙卡槽設計提供雙重網絡保障，即便校園部分區域無有線網絡覆蓋，也能通過物聯網卡實現穩定連接，形成 “LoRa 局域網 + 4G 廣域網” 的雙重通訊保障，完美適配校園通訊環境。
2. 集中管理系統選型：廣州分體空調集中管理系統具備成熟的校園應用案例，其核心優勢在于支持分級權限管理與場景化策略配置，可精準匹配小學 “學校 - 年級 - 班級” 的三級管理架構。系統兼容市面上主流品牌的分體空調，無需改變原有設備功能，通過紅外學習與自適應技術實現無縫對接，其中紅外學習功能采用測量脈沖寬度原理，對編碼數據進行無損壓縮處理，存儲 1 個鍵碼僅需 29 個字節，壓縮比達 7:1，且能自動校準 38kHz±2kHz 的載波頻率誤差，使發送頻率誤差小于 0.5kHz，確保對不同品牌空調的控制準確率達 99% 以上。系統同時具備課表聯動、定時開關機、溫度鎖定等定制化功能，滿足校園特殊使用需求。平臺支持 PC 端、手機小程序雙重操作，界面采用扁平化設計，簡化操作流程，便于非技術背景的后勤人員與班主任快速上手，同時支持離線操作模式，網絡中斷后可本地存儲數據，網絡恢復后自動同步至云端。
3. 安全與穩定性考量：校園場景對設備安全性與穩定性要求極高，所選系統具備多重安全防護機制。權限管理采用 RBAC（基于角色的訪問控制）模型，支持細粒度權限劃分；數據傳輸采用 AES-256 加密算法，結合 VPN 安全協議（支持 GRE、PPTP、L2TP 等 7 種 VPN 客戶端）構建加密傳輸通道，防止數據泄露與篡改；操作日志采用區塊鏈式存儲，確保所有操作行為可追溯、不可篡改。控制器采用工業級設計標準，具備防拆卸外殼（通過專用螺絲固定，配備拆卸報警傳感器）、寬電壓輸入（支持 AC85-265V 電壓范圍）、過壓過流保護等功能，適應校園復雜的用電環境；內置軟硬件看門狗機制，可自動檢測設備運行狀態，出現異常時實現自復位，確保設備長期穩定運行，平均無故障工作時間（MTBF）達 50000 小時以上。
（三）系統架構詳解
1. 終端感知層：核心設備為廣州分體空調智能控制器，作為終端感知與執行單元，其硬件配置具備高度專業性與適配性。控制器內置高精度 NTC 溫度傳感器，溫度測量范圍為 - 40℃~85℃，測量精度達 ±0.3℃，可實時采集室內環境溫度、空調運行狀態（如運行模式、風速、工作電流等）等多維度數據，采樣頻率為 1 次 / 秒，確保數據采集的實時性與準確性。控制器采用學習型紅外發射模塊，發射距離可達 8-10 米，支持 360° 全向發射，通過紅外學習功能可兼容市面上 95% 以上的紅外控制空調，無需對原有空調進行硬件改造，僅通過紅外信號對接即可實現控制。控制器支持紅外遙控與強制管控雙重模式，教師可通過原有遙控器正常操作，同時管理員可通過云端平臺設置強制鎖定模式，禁用遙控器調節功能，避免學生誤操作。設備采用防拆卸外殼設計，安裝高度高于 1.5 米，外殼材質為阻燃 ABS 工程塑料，具備防火、防摔、防腐蝕特性，同時配備防拆報警功能，當檢測到非法拆卸時立即向平臺推送報警信息。控制器內置大容量鋰電池，斷電后可維持數據采集與通訊功能 2 小時以上，確保斷電狀態下的設備狀態監控。
2. 通訊傳輸層：由 LoRa 網關與 4G 通訊模塊組成核心傳輸網絡，構建 “本地匯聚 + 遠程傳輸” 的雙重通訊架構。LoRa 網關采用工業級設計，支持多信道同時工作，單臺網關可接入 100-200 臺終端控制器，滿足單棟教學樓的設備接入需求。網關具備自組網與中繼轉發功能，當部分區域信號受遮擋時，周邊控制器可自動作為中繼節點，將數據轉發至網關，形成 Mesh 網絡拓撲結構，確保通訊無死角。網關內置高性能 LoRa 射頻模塊，發射功率可達 17dBm，接收靈敏度為 - 148dBm，具備極強的信號穿透能力與抗干擾能力。4G 通訊模塊作為網關與云端平臺的連接橋梁，采用工業級 4G 工業路由器方案，支持串口 DTU 功能與主流工業傳輸協議（如 Modbus、MQTT 等），可實現數據的透明傳輸與協議轉換。該模塊具備寬電壓輸入（DC9-36V）、無風扇設計、各接口帶 ESD 保護等工業級特性，可適應校園惡劣的安裝環境；內置流量監控功能與防火墻，支持 QoS 流量調控，避免網絡阻塞導致的數據丟包，確保數據傳輸的穩定性與安全性。網關支持本地存儲功能，可緩存 10 萬條以上設備數據，當 4G 網絡中斷時自動存儲數據，網絡恢復后批量上傳，避免數據丟失。
3. 平臺管控層：云端管理平臺采用 B/S 架構設計，支持通過瀏覽器與手機小程序訪問，無需安裝專用客戶端，具備跨平臺使用特性。平臺基于云計算與大數據分析技術，采用分布式服務器集群部署，支持海量設備接入與高并發處理，單平臺可同時管理 10000 臺以上終端設備，響應延遲低于 1 秒。平臺具備五大核心功能模塊，且各模塊具備豐富的技術特性：
? 實時監控模塊：采用可視化界面設計，以校園電子地圖為基礎，直觀展示全校各區域空調的運行狀態、溫度數據、能耗情況，支持按樓棟、年級、班級分類查看，可通過顏色標識區分空調運行狀態（運行中、待機、故障），實現 “一屏掌控全校空調”。支持設備狀態實時刷新，刷新頻率為 5 秒 / 次，管理員可通過點擊地圖上的設備圖標查看詳細參數，包括實時溫度、運行時長、累計能耗、最近操作記錄等。
? 智能控制模塊：支持手動遠程控制與自動策略控制兩種模式。手動控制可實現空調開關、溫度調節、模式切換、風速調節等功能，操作指令下發后 1 秒內即可響應；自動策略控制支持按時間、溫度、場景等多維度觸發條件，可關聯校園課表設置定制化運行方案，實現 “按需供冷 / 供熱”。平臺支持策略模板創建與復用，管理員可針對不同區域（如教室、報告廳、辦公室）創建不同的控制策略，提高管理效率。
? 數據統計模塊：具備強大的數據采集與分析能力，可自動采集每臺空調的耗電量、運行時長、啟停次數等數據，生成日、周、月、年能耗報表，支持折線圖、柱狀圖、餅圖等多種可視化展示方式。平臺采用大數據分析算法，可分析能耗變化趨勢、識別高耗能區域與設備、對比不同區域的能耗差異，為節能決策提供數據支撐。數據存儲采用分布式數據庫，支持歷史數據查詢與導出，數據保留期限可達 3 年。
? 故障預警模塊：具備多維度故障檢測與預警功能，可監測空調運行異常（如壓縮機故障、溫度異常）、設備通訊中斷、電源故障等多種故障類型。當檢測到故障時，平臺立即通過短信、小程序推送、郵件等多種方式向后勤人員推送報警信息，標注故障設備位置、類型、發生時間及可能原因，支持故障等級劃分（一般故障、嚴重故障、緊急故障），并自動生成故障處理工單，跟蹤處理進度。
? 權限管理模塊：采用三級權限管理架構，按后勤主任、年級組長、班主任設置不同的操作權限。后勤主任擁有全局管控權，可配置系統參數、管理所有設備、查看全部能耗數據；年級組長可管理本年級空調設備，查看本年級能耗數據；班主任僅能操作本班空調，查看本班能耗數據，權限范圍可根據實際需求靈活配置。平臺支持操作日志記錄功能，詳細記錄所有用戶的操作行為，包括操作人、操作時間、操作內容、操作結果等，確保管理責任可追溯。
