一、项目背景与核心需求

（一）项目概况

苏州市学士中心小学作为苏州市义务教育阶段的标杆学校，校园区域涵盖教学楼、办公楼、多功能报告厅、科学实验室、音乐教室等多个功能分区，分体空调设备广泛服务于日常教学与办公场景，是保障师生学习工作环境舒适的关键基础设施。近年来，随着 “双减” 政策落地与智慧校园建设的深入推进，学校办学规模持续扩大，教学活动频次显著增加，传统空调管理模式的弊端日益凸显，不仅造成能源浪费，还影响教学管理效率。为响应国家 “碳达峰、碳中和” 战略号召，落实《江苏省绿色校园建设评价标准》要求，打造节能型、智慧型校园样板，苏州市学士中心小学决定启动空调节能智能化改造项目，引入广州分体空调集中管理系统，通过 LoRa 转 4G 无线通讯方案，构建科学高效的校园空调节能管理体系。

（二）传统管理模式痛点

1. 能耗浪费突出：校园空调使用场景分散且规律特殊，教室、功能室等区域存在明显的 “潮汐式” 使用特征。传统模式下依赖人工操作，普遍存在放学后忘记关闭空调、课间操期间空转、温度设置不合理（夏季低于 24℃、冬季高于 26℃）等问题，尤其是低年级学生自主管理能力较弱，随意调节空调或离开后未关机的现象频发，导致大量无效能耗。多功能报告厅、实验室等公共区域因使用频次不稳定，“人走机不停” 的浪费问题更为严重。
2. 管理效率低下：空调设备分布在多个教学楼、不同楼层的教室及功能室中，传统管理模式需安排后勤人员逐间巡查、手动操作，不仅占用大量人力成本，还存在响应滞后问题。例如，突发公开课需要调整教室温度时，需后勤人员现场操作；课间操结束后，需逐间关闭未关机的空调，耗时费力且易遗漏。
3. 运行状态失控：缺乏有效的监测手段，无法实时掌握每台空调的运行参数、能耗数据及故障情况。部分空调因长期异常运行未被发现，不仅影响使用体验，还可能因故障扩大导致设备损坏，影响教学活动连续性。同时，能耗数据无精准统计，节能工作缺乏数据支撑。
4. 安全隐患存在：小学生好奇心强，部分学生存在随意拆卸空调遥控器、频繁切换空调模式等行为，既可能造成设备损坏，还可能因温度设置过低导致感冒等健康问题，传统管理模式无法有效限制非授权操作。
5. 维护成本较高：依赖人工巡检发现设备故障，故障定位耗时费力，维修响应不及时，导致设备维护成本居高不下，同时影响正常教学使用。

（三）核心改造需求

基于传统管理模式的痛点，结合小学教学场景的特殊性，苏州市学士中心小学明确了本次改造的核心需求：一是实现深度节能，通过智能控制策略减少无效能耗，降低校园运营成本，助力绿色校园建设；二是构建分级集中管控体系，支持按校区、年级、班级分级管理，适配校园管理架构，提升空调管理效率；三是完善监测与预警功能，实现运行状态实时监控、能耗数据精准统计、故障及时预警，为节能决策与设备维护提供支撑；四是强化安全防护，限制非授权操作，避免学生误操作导致的设备损坏或健康风险；五是保障系统稳定可靠，适配校园复杂环境（如多墙体遮挡、学生密集区域），确保长期稳定运行；六是兼容现有设备，无需大规模更换原有空调，降低改造难度与成本，避免影响正常教学。


二、技术方案设计与选型

（一）方案总体思路

本次改造项目以 “无线通讯 + 分级管控 + 校园场景适配” 为核心架构，选用广州分体空调集中管理系统，通过 LoRa 无线通讯技术实现终端设备的数据采集与指令传输，借助 4G 通讯模块完成与云端管理平台的远程连接，构建 “终端感知 - 通讯传输 - 平台管控” 的三级智能管理体系。方案无需改变原有空调硬件结构，仅通过加装智能控制器即可实现智能化升级，同时充分适配校园作息规律与管理模式，设置课表联动、分级权限、安全锁定等定制化功能，确保技术方案与校园需求深度契合。该架构采用模块化设计，各层级设备独立运行且协同联动，可根据校园区域扩展需求灵活增减终端设备与网关节点，具备极强的扩展性与兼容性。

（二）核心技术选型依据

1. 通讯技术选型：考虑到校园教学楼、功能楼分布集中但墙体密集，传统有线通讯方案存在施工复杂、影响教学环境、扩展性差等问题。LoRa 无线通讯技术作为低功耗广域网技术的核心代表，采用扩频调制技术，具备远距离传输（无障碍环境下传输距离可达 3-5 公里）、强穿透性（可穿透 3-4 层钢筋混凝土墙体）、低功耗（终端设备静态电流仅微安级）、抗干扰能力强（采用跳频技术规避校园 WiFi、蓝牙等信号干扰）等核心优势，完全满足校园全覆盖需求，即便在教学楼角落、地下室等信号遮挡区域也能保持稳定传输，有效解决校园场景中的信号盲区问题。结合 4G 通讯技术的广域覆盖与稳定传输特性，选用工业级 4G 模块实现 LoRa 网关与云端平台的远程数据交互，该模块支持中国移动、中国联通、中国电信三大运营商全网通，内置双卡槽设计提供双重网络保障，即便校园部分区域无有线网络覆盖，也能通过物联网卡实现稳定连接，形成 “LoRa 局域网 + 4G 广域网” 的双重通讯保障，完美适配校园通讯环境。
2. 集中管理系统选型：广州分体空调集中管理系统具备成熟的校园应用案例，其核心优势在于支持分级权限管理与场景化策略配置，可精准匹配小学 “学校 - 年级 - 班级” 的三级管理架构。系统兼容市面上主流品牌的分体空调，无需改变原有设备功能，通过红外学习与自适应技术实现无缝对接，其中红外学习功能采用测量脉冲宽度原理，对编码数据进行无损压缩处理，存储 1 个键码仅需 29 个字节，压缩比达 7:1，且能自动校准 38kHz±2kHz 的载波频率误差，使发送频率误差小于 0.5kHz，确保对不同品牌空调的控制准确率达 99% 以上。系统同时具备课表联动、定时开关机、温度锁定等定制化功能，满足校园特殊使用需求。平台支持 PC 端、手机小程序双重操作，界面采用扁平化设计，简化操作流程，便于非技术背景的后勤人员与班主任快速上手，同时支持离线操作模式，网络中断后可本地存储数据，网络恢复后自动同步至云端。
3. 安全与稳定性考量：校园场景对设备安全性与稳定性要求极高，所选系统具备多重安全防护机制。权限管理采用 RBAC（基于角色的访问控制）模型，支持细粒度权限划分；数据传输采用 AES-256 加密算法，结合 VPN 安全协议（支持 GRE、PPTP、L2TP 等 7 种 VPN 客户端）构建加密传输通道，防止数据泄露与篡改；操作日志采用区块链式存储，确保所有操作行为可追溯、不可篡改。控制器采用工业级设计标准，具备防拆卸外壳（通过专用螺丝固定，配备拆卸报警传感器）、宽电压输入（支持 AC85-265V 电压范围）、过压过流保护等功能，适应校园复杂的用电环境；内置软硬件看门狗机制，可自动检测设备运行状态，出现异常时实现自复位，确保设备长期稳定运行，平均无故障工作时间（MTBF）达 50000 小时以上。

（三）系统架构详解

1. 终端感知层：核心设备为广州分体空调智能控制器，作为终端感知与执行单元，其硬件配置具备高度专业性与适配性。控制器内置高精度 NTC 温度传感器，温度测量范围为 - 40℃~85℃，测量精度达 ±0.3℃，可实时采集室内环境温度、空调运行状态（如运行模式、风速、工作电流等）等多维度数据，采样频率为 1 次 / 秒，确保数据采集的实时性与准确性。控制器采用学习型红外发射模块，发射距离可达 8-10 米，支持 360° 全向发射，通过红外学习功能可兼容市面上 95% 以上的红外控制空调，无需对原有空调进行硬件改造，仅通过红外信号对接即可实现控制。控制器支持红外遥控与强制管控双重模式，教师可通过原有遥控器正常操作，同时管理员可通过云端平台设置强制锁定模式，禁用遥控器调节功能，避免学生误操作。设备采用防拆卸外壳设计，安装高度高于 1.5 米，外壳材质为阻燃 ABS 工程塑料，具备防火、防摔、防腐蚀特性，同时配备防拆报警功能，当检测到非法拆卸时立即向平台推送报警信息。控制器内置大容量锂电池，断电后可维持数据采集与通讯功能 2 小时以上，确保断电状态下的设备状态监控。

2. 通讯传输层：由 LoRa 网关与 4G 通讯模块组成核心传输网络，构建 “本地汇聚 + 远程传输” 的双重通讯架构。LoRa 网关采用工业级设计，支持多信道同时工作，单台网关可接入 100-200 台终端控制器，满足单栋教学楼的设备接入需求。网关具备自组网与中继转发功能，当部分区域信号受遮挡时，周边控制器可自动作为中继节点，将数据转发至网关，形成 Mesh 网络拓扑结构，确保通讯无死角。网关内置高性能 LoRa 射频模块，发射功率可达 17dBm，接收灵敏度为 - 148dBm，具备极强的信号穿透能力与抗干扰能力。4G 通讯模块作为网关与云端平台的连接桥梁，采用工业级 4G 工业路由器方案，支持串口 DTU 功能与主流工业传输协议（如 Modbus、MQTT 等），可实现数据的透明传输与协议转换。该模块具备宽电压输入（DC9-36V）、无风扇设计、各接口带 ESD 保护等工业级特性，可适应校园恶劣的安装环境；内置流量监控功能与防火墙，支持 QoS 流量调控，避免网络阻塞导致的数据丢包，确保数据传输的稳定性与安全性。网关支持本地存储功能，可缓存 10 万条以上设备数据，当 4G 网络中断时自动存储数据，网络恢复后批量上传，避免数据丢失。

3. 平台管控层：云端管理平台采用 B/S 架构设计，支持通过浏览器与手机小程序访问，无需安装专用客户端，具备跨平台使用特性。平台基于云计算与大数据分析技术，采用分布式服务器集群部署，支持海量设备接入与高并发处理，单平台可同时管理 10000 台以上终端设备，响应延迟低于 1 秒。平台具备五大核心功能模块，且各模块具备丰富的技术特性：

◦ 实时监控模块：采用可视化界面设计，以校园电子地图为基础，直观展示全校各区域空调的运行状态、温度数据、能耗情况，支持按楼栋、年级、班级分类查看，可通过颜色标识区分空调运行状态（运行中、待机、故障），实现 “一屏掌控全校空调”。支持设备状态实时刷新，刷新频率为 5 秒 / 次，管理员可通过点击地图上的设备图标查看详细参数，包括实时温度、运行时长、累计能耗、最近操作记录等。

◦ 智能控制模块：支持手动远程控制与自动策略控制两种模式。手动控制可实现空调开关、温度调节、模式切换、风速调节等功能，操作指令下发后 1 秒内即可响应；自动策略控制支持按时间、温度、场景等多维度触发条件，可关联校园课表设置定制化运行方案，实现 “按需供冷 / 供热”。平台支持策略模板创建与复用，管理员可针对不同区域（如教室、报告厅、办公室）创建不同的控制策略，提高管理效率。

◦ 数据统计模块：具备强大的数据采集与分析能力，可自动采集每台空调的耗电量、运行时长、启停次数等数据，生成日、周、月、年能耗报表，支持折线图、柱状图、饼图等多种可视化展示方式。平台采用大数据分析算法，可分析能耗变化趋势、识别高耗能区域与设备、对比不同区域的能耗差异，为节能决策提供数据支撑。数据存储采用分布式数据库，支持历史数据查询与导出，数据保留期限可达 3 年。
◦ 故障预警模块：具备多维度故障检测与预警功能，可监测空调运行异常（如压缩机故障、温度异常）、设备通讯中断、电源故障等多种故障类型。当检测到故障时，平台立即通过短信、小程序推送、邮件等多种方式向后勤人员推送报警信息，标注故障设备位置、类型、发生时间及可能原因，支持故障等级划分（一般故障、严重故障、紧急故障），并自动生成故障处理工单，跟踪处理进度。

◦ 权限管理模块：采用三级权限管理架构，按后勤主任、年级组长、班主任设置不同的操作权限。后勤主任拥有全局管控权，可配置系统参数、管理所有设备、查看全部能耗数据；年级组长可管理本年级空调设备，查看本年级能耗数据；班主任仅能操作本班空调，查看本班能耗数据，权限范围可根据实际需求灵活配置。平台支持操作日志记录功能，详细记录所有用户的操作行为，包括操作人、操作时间、操作内容、操作结果等，确保管理责任可追溯。