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淺談高校學(xué)生宿舍插座群用電管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

更新時間:2020-10-12 點擊次數(shù): 1012次

劉細(xì)鳳
安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要:本文設(shè)計了個基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生宿舍插座群用電監(jiān)控系統(tǒng),采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN),對學(xué)生宿舍每個插座進行電量采集,監(jiān)控用電情況, 當(dāng)監(jiān)控到學(xué)生在宿舍使用違章電器等隱患,及時切斷相應(yīng)插座的供電電源,保證用電。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng) ;Zigbee;WSN;電量采集;監(jiān)控

1 引言
       物聯(lián)網(wǎng)是新代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備,實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等各種需要的信息,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的個巨大網(wǎng)絡(luò)。Zigbee是種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?;赯igbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點多、體積小、數(shù)據(jù)量小、傳輸可靠、低功耗等制場合,常用于物聯(lián)網(wǎng)智能測控系統(tǒng)中。
       隨著生活水平的不斷提高,學(xué)生宿舍用電設(shè)備越來越多,這也造成了定的用電隱患,使得校園火災(zāi)時有發(fā)生,給學(xué)生的生命財產(chǎn)造成了很大的威脅。
       校園火災(zāi)發(fā)生的罪魁禍大多數(shù)是違章電器。比如:由于違章使用大功率電器造成線路的短路;使用熱得快、熱水壺等電器時臨時離開而至使水燒干后點燃外殼造成火災(zāi)等。而學(xué)生為了貪圖方便,使得各學(xué)校學(xué)生宿舍的違章電器的現(xiàn)象屢禁不止。各高校盡管對使用違章電器的查處都很嚴(yán)格,但學(xué)生常常與學(xué)生管理人員玩“捉迷藏”,使用違章電器后就收藏起來,當(dāng)輔導(dǎo)員查宿舍時往往不能當(dāng)場查到,使宿舍存在著極大的隱患。
       因此,從根本上杜絕違章電器的使用,保障每個學(xué)生的生命財產(chǎn),成為高校學(xué)生宿舍管理亟待解決的問題。
       本文設(shè)計了個基于Zigbee的學(xué)生宿舍插座群用電監(jiān)控系統(tǒng),可對學(xué)生宿舍的每個插座的用電情況進行監(jiān)測,任何個插座上使用違章電器,都會在宿舍電控室進行聲光報警 , 并及時切斷使用違章電器的插座電源,既保證了學(xué)生的生命財產(chǎn),又使管理員掌握使用違章電器的宿舍及插座,對使用學(xué)生進行批評教育,學(xué)生認(rèn)識到錯誤后,管理員再給插座供電,可有效杜絕違章電器的再次使用。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
       基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生宿舍插座群用電監(jiān)控系統(tǒng),采用單片機控制系統(tǒng)和無線收發(fā)器件構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),實現(xiàn)對學(xué)生宿舍插座群的監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)分為主機節(jié)點和插座群節(jié)點 , 插座群節(jié)點測量每個插座的用電信息,并將采集的電壓、電流等參量通過無線通信模塊傳送給主機節(jié)點;主機節(jié)點循環(huán)監(jiān)測接收到的插座群節(jié)點的用電情況,當(dāng)監(jiān)測到某插座存在使用違章電器現(xiàn)象時,發(fā)出報警信號,并通過無線模塊發(fā)出相應(yīng)的控制命令給對應(yīng)的插座節(jié)點,在插座端執(zhí)行控制操作,切斷相應(yīng)插座的供電電源,保證用電。
       插座群節(jié)點由多個插座節(jié)點構(gòu)成,分布于學(xué)生宿舍的各個插座接口:主機節(jié)點放在宿舍管理終控室,系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖 1 所示:

圖 1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)


       主機節(jié)點與插座節(jié)點通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)共同組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。插座節(jié)點采集插座的用電電量,發(fā)送到主機節(jié)點,主機節(jié)點根據(jù)接收到的電量數(shù)據(jù),研判用電狀況,發(fā)送插座通斷控制信號,相應(yīng)的插座節(jié)點接收到信號后,控制插座的通斷電。

3 主機節(jié)點
       主機節(jié)點通過Zigbee協(xié)調(diào)器與插座群各節(jié)點進行無線通信。
3.1 主機節(jié)點硬件
       待機時,主機節(jié)點顯示實時時間,當(dāng)監(jiān)測到有插座節(jié)點使用大功率電器等危及用電情況時,報警并顯示問題插座宿舍編號,同時向該插座節(jié)點發(fā)送控制命令,使插座斷電。問題解決后 , 可以手動控制主機節(jié)點發(fā)送命令,控制該插座通電。主機節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

圖 2 主機節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖


       主機節(jié)點控制器采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機,控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作; 時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片,產(chǎn)生系統(tǒng)時間;手動控制模塊用于系統(tǒng)實時時間的設(shè)置與調(diào)節(jié),查看各插座節(jié)點的實時用電數(shù)據(jù),及存在隱患的插座斷電后的通電控制,顯示模塊采用自帶漢字庫的 FYD12864 液晶顯示芯片,可以根據(jù)需要顯示手動控制模塊所選定的插座節(jié)點的電量情況,及顯示具有隱患的插座節(jié)點編號及過載狀態(tài)提示;Zigbee協(xié)調(diào)器采用 Chipcon公司的于IEEE 802.15.4和Zigbee協(xié)議通信的CC2430芯片,與插座群節(jié)點實現(xiàn)無線通信。
       主機節(jié)點增加以太網(wǎng)控制器DP83848C和RJ45接口,可以實現(xiàn)與遠程上位機的網(wǎng)絡(luò)通信。
3.2 主機節(jié)點軟件

圖 3 主機節(jié)點軟件流程圖


       主機節(jié)點軟件主要完成Zigbee協(xié)調(diào)器啟動和配置Zigbee網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)與插座節(jié)點間的無線通信功能。主機節(jié)點的軟件流程如圖3所示。
       無線通信功能。主機節(jié)點的軟件流程如圖3所示。
       系統(tǒng)上電后,先進行系統(tǒng)初始化,并建立Zigbee網(wǎng)絡(luò);再搜索并添加插座節(jié)點,分配并保存加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的插座地址;然后監(jiān)聽信道中有無插座節(jié)點發(fā)送的電量數(shù)據(jù),有數(shù)據(jù)時,匹配插座節(jié)點地址,進行數(shù)據(jù)接收;進行數(shù)據(jù)處理,有數(shù)據(jù)超*,發(fā)送插座斷電控制命令道相應(yīng)的插座節(jié)點,同時送出插座節(jié)點的隱患提示信息送到顯示模塊中,并報警提示。

4 插座節(jié)點
       插座節(jié)點是由Zigbee射頻控制器及傳感器構(gòu)成的Zigbee終端節(jié)點,與主機節(jié)點的 Zigbee協(xié)調(diào)器共同組成WSN。
4.1 插座節(jié)點硬件
       插座節(jié)點實現(xiàn)插座的用電電量采集,發(fā)送到主機節(jié)點,主機節(jié)點根據(jù)接收到的電量數(shù)據(jù),判斷用電狀況,當(dāng)存在隱患時,主機節(jié)點發(fā)送插座斷電信號,相應(yīng)的插座節(jié)點接收到信號后,控制插座斷開;當(dāng)隱患,主機節(jié)點發(fā)送插座通電信號,控制插座接通。
       插座節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示:

圖 4 插座節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖


       插座節(jié)點控制器采用Zigbee射頻芯片CC2430,外接天線等接口,與主機節(jié)點進行無線通信;由于CC2430構(gòu)成的Zigbee終端節(jié)點功耗很低,電源采用3.3V的紐扣電池供電;電量采集模塊含有測量用電插座電量的電流、電壓互感器、信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路;通斷控制模塊采用繼電器控制電路,根據(jù)插座節(jié)點接收到的插座通斷控制信號,控制插座的通斷。
4.2 插座節(jié)點軟件
       插座節(jié)點完成Zigbee終端加入由Zigbee協(xié)調(diào)器建立的Zigbee網(wǎng)絡(luò) , 實現(xiàn)與主機節(jié)點間的無線通信功能。插座節(jié)點的軟件流程如圖5所示。
       插座節(jié)點上電后,先進行初始化;再搜索Zigbee網(wǎng)絡(luò)并向Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送聯(lián)網(wǎng)請求;加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)后,定期讀取電量采集模塊的數(shù)據(jù),發(fā)送到主機節(jié)點;如果存在電量數(shù)據(jù)超限的隱患時,接收主機節(jié)點發(fā)送的插座通斷控制信號。

圖 5 插座節(jié)點軟件流程圖

5 安科瑞宿舍用電管理系統(tǒng)及選型
5.1系統(tǒng)方案
  高校宿舍作為個特殊應(yīng)用場合,在傳統(tǒng)的電能管理需求的基礎(chǔ)上有著與其他應(yīng)用場合所不同的要求,強調(diào)的是用電控制管理,如宿舍的時間管理(按時熄燈、按時送電,某些設(shè)備如空調(diào)不能納入熄燈范圍)、惡性負(fù)載控制、基礎(chǔ)電量設(shè)置等。系統(tǒng)建設(shè)的意義:
  方便學(xué)校對宿舍的用電收費,學(xué)生群體眾多,傳統(tǒng)的后付費方式已無法滿足校方需求,收費管理可與校園卡通對接,學(xué)生可以自助繳費。
  通過技術(shù)手段加強對宿舍的用電管理,可實現(xiàn)時間定時控制、惡性負(fù)載檢測、基礎(chǔ)電費下發(fā)等適合學(xué)校規(guī)范管理的功能。
  人性化的方案設(shè)計,可實現(xiàn)單宿舍內(nèi)的多個支路的獨立控制,讓學(xué)生可獲得更高質(zhì)量的宿舍生活提供了支持。
  惡性負(fù)載控制(如卷發(fā)棒、電吹風(fēng)、電爐、熱得快、電熱杯等實施自動識別控制)、夜間小功率設(shè)置、移相插座識別、負(fù)載學(xué)習(xí)功能(白名單)。
5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  AcrelCloud-3100整合高校需求,在原有預(yù)付費基礎(chǔ)上增加了宿舍電能管理所需的各種功能,解決了高校宿舍電能管理問題。

5.3系統(tǒng)功能
  AcrelCloud-3100學(xué)生宿舍版預(yù)付費云平臺是與ADM130(進三出)或ADF300L(多回路計量箱)預(yù)付費電能表配套的云平臺。它是以電能管理網(wǎng)站和集中抄表軟件為主,包括服務(wù)器,通訊管理機在內(nèi)的集成系統(tǒng)。針對高校宿舍這特殊應(yīng)用場合研發(fā),主要實現(xiàn)電能監(jiān)控、時間管理、惡性負(fù)載管理、預(yù)付費管理等在高校宿舍中存在的特殊需求。

批量操作:系統(tǒng)支持對宿舍進行批量設(shè)置,批量初始化、批量下發(fā)基礎(chǔ)電量、批量設(shè)置負(fù)控、批量設(shè)置時控等,方便學(xué)校進行統(tǒng)管理。

惡性負(fù)載自動識別控制:對不允許使用的發(fā)熱電器(如電爐、熱得快、電熱杯等)實施自動識別控制,發(fā)現(xiàn)這些發(fā)熱電器自動斷電。惡性負(fù)載暫停時間和次數(shù)可通過軟件設(shè)定。 

基礎(chǔ)電費:可以設(shè)置每月給學(xué)生下發(fā)的免費輔助電費,覆蓋式下發(fā),不累計。
時間控制功能:支持8個時段設(shè)置宿舍供電斷電,方便管理學(xué)生宿舍作息 。

對接卡通支付:系統(tǒng)支持中間庫,接口等方式對接學(xué)校卡通,方便學(xué)生自助購電 。
進三出:ADM130電表支持三回路輸出,各回路單獨分合閘、惡性負(fù)載、時控等設(shè)置。

遠程售電:操作員可以通過后臺給宿舍進行電費充值,學(xué)生也可以通過學(xué)習(xí)卡通、學(xué)校Vx公眾號進行自助充值。
遠程集中抄表:抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實時上傳到云平臺,快速便捷,免去人工抄表 。
遠程控制:可對任意塊電表執(zhí)行遠程拉閘或保電等系列遠程控制操作,方便管理。
5.4系統(tǒng)設(shè)備選型


6 結(jié)束語
  針對當(dāng)前高校學(xué)生公寓的用電特點及其亟待解決的問題,需要對些惡性負(fù)載進行限制,以保障用電,同時為了便于公寓的用電管理,我們引進了學(xué)生公寓用電管理系統(tǒng)。目前已經(jīng)在學(xué)校大規(guī)模使用,經(jīng)年多的應(yīng)用,不僅達到了用電的目的,還降低了電工和后期管理人員的成本。

【參考文獻】
[1]李忠.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計探討[J].電子測試.2017(9):68-69.
[2]吳翠娟.基于高校學(xué)生宿舍插座群用電管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用.
[3]安科瑞高校宿舍預(yù)付費電控系統(tǒng)2019.11版. 

作者簡介:劉細(xì)鳳 女 現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事宿舍智能用電管理解決方案的研究與應(yīng)用。

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