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韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了改善高校學生宿舍安全用電、方便輔導員監(jiān)測和管理學生作息時間，維護校園安全，設(shè)計出了基于高校學生宿舍的水電表管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)，通過對水電表數(shù)據(jù)的采集處理傳輸?shù)椒掌鞫耍掌鞑捎茫茫ＵZ言下的ｗｅｂ開發(fā)，*后通過移動端ａｐｐ獲取采集的數(shù)據(jù)以及顯示。結(jié)果表明：所設(shè)計的系統(tǒng)給學生帶來方便快捷的服務體檢，滿足學校監(jiān)管需求，隨時了解學生動態(tài)并控制用電風險，同時提高了物業(yè)及高校教學管理的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；用電安全；實時監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

0引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及學生公寓的普及，學生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化。科學、合理地管理學生宿舍的用電情況，成為學校后勤管理部門面臨的一個十分重要的問題。同時，與學生生活密切相關(guān)的水電費用對于學生來說也一直是個空白。而用電管理對學生可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。

為了使學生能夠?qū)崟r查看自己所在宿舍每時段水電表使用情況，形成節(jié)約環(huán)保意識，也為了學校能夠更加方便快捷地監(jiān)測和管理學生作息時間，維護校園安全，順應信息技術(shù)與教學管理深度融合的發(fā)展趨勢。設(shè)計出一款智能化水電表管理系統(tǒng)，采用信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，可有效地對學生進行管理。滿足了學校管理部門及學生對學生宿舍的用電管理需求，同時具備監(jiān)測學生用電狀態(tài)、遠程付費、遠程管理用電安全等功能。它是一套軟硬件結(jié)合，包含下位機數(shù)據(jù)的采集、服務器端系統(tǒng)軟件開發(fā)、移動端客戶應用開發(fā)等功能的系統(tǒng)。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1系統(tǒng)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)自下而上分成3個層次，*底層是具有采集數(shù)據(jù)功能的水表與電表、數(shù)據(jù)采集終端；通過校園內(nèi)局域網(wǎng)把采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌鲗?，服務器對?shù)據(jù)進行匯總分類；*上層是用戶層端，通過Ｉnｔｅｒｎｅｔ把數(shù)據(jù)傳輸給每一位用戶，可以是ＰＣ端或移動端。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)有3部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)計量采集層，通過嵌入式ＡRM采集終端的ＲS485總線采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集水電表計數(shù)據(jù)。服務器層：數(shù)據(jù)服務器。存儲各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能?？蛻魧樱喊校枚耍鱡ｂ登錄及移動端ａｐｐ?？蛇M行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示數(shù)據(jù)，同時具有管理控制功能。

（1）數(shù)據(jù)計量采集層。包含直讀式水表、單相預付費電表、數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)終端通過４８５ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數(shù)據(jù)。

（2）服務器層。服務器層由遠程抄表系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務器構(gòu)成。主要實現(xiàn)存儲各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能。圖形化的界面呈現(xiàn)各宿舍水電表使用情況，提供靈活、易用、高性能的可視化分析能力，讓數(shù)據(jù)說話！　　

（3）客戶層?？蛻魧又饕窍到y(tǒng)的移動端，客戶層分為輔導員及學生ａｐｐ端?？筛鶕?jù)需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現(xiàn)客戶的需求。

2系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)計量采集層的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)計量采集層使用嵌入式ＡＲＭ平臺通過ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議連接直讀式水表與單相電子式預付費電表從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與分析。

數(shù)據(jù)采集端采用飛思卡爾的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，運行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)，使用Ｃ語言編寫的應用程序通過ＲＳ４８５連接線ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數(shù)據(jù)，一個采集終端可連接多個水電計量表。并通過ｕｄｐ網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)送到管理層服務器端。

（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux開發(fā)平臺的搭建。采集終端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，應用程序的開發(fā)針對交叉編譯器的選擇，本文選擇跟內(nèi)核編譯一樣的編譯器，這樣做的目的是為了減少編譯后程序運行出現(xiàn)問題。首先在宿主機安裝交叉編譯器，并添加環(huán)境變量到Ｐｒｏｆｉｌｅ，這樣做的目的是方便應用程序無論放在哪個目錄都可以進行編譯。

（2）采集程序的編寫。采集終端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ設(shè)備，在開發(fā)平臺搭建好后，我們就可以在宿主機使用交叉編譯器對編寫的程序進行交叉編譯，編譯好的程序可以直接在采集終端運行。由于程序的主要功能是對ＲＳ４８５總線上的水電表計量設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集。所以程序的編寫，本文主要采取以下方式或流程完成。首先創(chuàng)建兩個ＲＳ４８５接口，并進行初始化，分別對應水表和電表，其次通過創(chuàng)建水處理線程和電處理線程。水處理線程輪詢所有水表，得到水表數(shù)據(jù)更新存儲到數(shù)據(jù)庫并上傳到服務器端；電處理線程輪詢所有掛載在４８５總線的電表，并獲取到當前電量和剩余電量，更新數(shù)據(jù)庫存儲并發(fā)送到服務器端存儲。

（3）采集程序的運行。編譯完成可以通過ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登錄到采集終端，并通過ｆｔｐ把相關(guān)可執(zhí)行程序傳輸?shù)讲杉K端，再運行相應程序。

2.2服務器層的設(shè)計與實現(xiàn)

服務器層主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能。本系統(tǒng)是基于ｘ８６平臺的Ｗｅｂ開發(fā)，采用Ｃ＃語言，基于Ｂ／Ｓ結(jié)構(gòu)（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，瀏覽器／服務器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服務器，創(chuàng)建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ數(shù)據(jù)庫。用戶在任何一臺可以上網(wǎng)的電腦或移動端設(shè)備打開瀏覽器，并在瀏覽器中輸入ＩＰ地址就可以登錄本系統(tǒng)搭建的服務器界面。

功能模塊分解如下：（1）登錄界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！暗卿?界面用于系統(tǒng)管理員的登錄，需輸入登錄賬號、登錄密碼。用戶角色可選系統(tǒng)管理員和普通管理員。添加登錄驗證主要用于防止外人進入修改數(shù)據(jù)。（2）實時水電信息界面的設(shè)計與實現(xiàn)。用戶登錄系統(tǒng)后，住戶管理欄下有實時水電信息欄，進入后可根據(jù)關(guān)鍵字查詢信息，并可以修改或添加。有如下信息：房號、戶主姓名、電話、當前電表數(shù)、剩余電表數(shù)和當前水表數(shù)等。（3）用水用電一覽表?！坝盟秒娨挥[表"用于對各個宿舍的水電信息、水電費進行統(tǒng)計并以圖表形式顯示。（4）水價類別設(shè)置與電價類別設(shè)置界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！八畠r類別設(shè)置"與“電價類別設(shè)置"界面用于對水價與電價類別的設(shè)置與修改。（5）區(qū)域設(shè)置界面的設(shè)計與實現(xiàn)。“區(qū)域設(shè)置"界面用于對各個區(qū)域進行瀏覽，并可以查詢與修改。（6）月抄表及查詢界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！霸鲁砑安樵?界面用于對各個宿舍的水電用量、應交水電費和抄表月份進行瀏覽，同時可根據(jù)關(guān)鍵字進行搜索查詢。（7）統(tǒng)計抄表情況界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！敖y(tǒng)計抄表情況"界面可對各個月份的抄表次數(shù)和收費合計進行瀏覽。

2.3客戶層的設(shè)計與實現(xiàn)

客戶層主要是系統(tǒng)的移動端，客戶層分為輔導員及學生ａｐｐ端，如圖４所示。

可根據(jù)需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現(xiàn)客戶的需求。采用ＪＡＶＡ語言開發(fā)，ＳＱＬｉｔｅ數(shù)據(jù)庫。在Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)的ａｐｐ客戶端，在用戶注冊賬號時要設(shè)定個體的身份信息，系統(tǒng)將通過注冊的賬號識別學生、輔導員、管理員身份，自動適配功能模塊。

2.3.1輔導員端ＡＰＰ的設(shè)計與實現(xiàn)

輔導員端ＡＰＰ實現(xiàn)的功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，輔導員端的３個主頁通過底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現(xiàn)。

（1）首頁界面的設(shè)計。廣告輪播：輪番展示校園風景。報警信息：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看該宿舍在限定水電用量超額時的告警信息，提供給輔導員遠程通斷控制，點擊后可以遠程控制該宿舍開關(guān)。閑時用量：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看設(shè)定的閑時時段該宿舍電的使用情況。電用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務器獲取該宿舍當天的用電量，并且顯示出來。水用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務器獲取該宿舍當天的用水量，并且顯示出來。

（2）水電界面的設(shè)計。水電界面的設(shè)計主要是方便輔導員實時查看管理宿舍水電用量信息。點擊宿舍編號，可以顯示選擇宿舍的水電量。水電主頁中將其所屬宿舍當前的水電使用情況分別通過柱型圖的方式直觀展示出來。

（3）個人中心主要有如下幾個功能：（ａ）我的宿舍。展示輔導員本人所管理宿舍號，同時提供宿舍添加和刪除功能。（ｂ）閑時設(shè)置。提供跳轉(zhuǎn)入口進入設(shè)置預期水電用量低的時間段的頁面，比如設(shè)置晚上１２點至早６點預期用量低時間段，或根據(jù)課表設(shè)置閑時時段。（ｃ）預警設(shè)置。預警管理功能目的是監(jiān)控所管理宿舍的水電使用量是否超出預期設(shè)定值，一旦水電使用量達到超額限定時系統(tǒng)將記錄下超額發(fā)生的時間點，功率大小及持續(xù)時間。按照管理需求，預警可以設(shè)定多個，一般情況設(shè)置兩種類型的預警情況，一個是閑時時段水電用量預警，能及時發(fā)現(xiàn)宿舍設(shè)備或其他異常情況出現(xiàn)，另外一種是間隔單位時間內(nèi)用電量預警，目的是識別或記錄下大功率電器的使用情況。

2.3.2學生端ＡＰＰ的設(shè)計與實現(xiàn)

學生端ＡＰＰ同樣采用３個功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，學生端的３個主頁同樣通過底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現(xiàn)。

其中首頁主要記錄學生所在宿舍當前月份水電用量信息，水電頁面通過柱型圖的方式直觀展示水電使用情況，查看方式可以設(shè)置按月，周，日進行查看。

當選擇按月展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務器取出該宿舍當月每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)３０個單位柱圖展示１個月內(nèi)３０天水電用量變化情況。

當選擇按周展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務器取出該宿舍當周每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)７個單位柱圖展示１周內(nèi)７天水電用量變化情況。

當選擇按日展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務器取出該宿舍每天每小時的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)２４個單位柱圖展示一天內(nèi)２４小時水電用量變化情況。

我的主頁主要有充值繳費和余量提醒兩個功能，學生可以通過充值繳費功能進行遠程，設(shè)置余量提醒功能和設(shè)置提醒值。

3 AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統(tǒng)計、后勤計費管理、校園運維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網(wǎng)、荷、儲、充"多個角度解析高校當下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實現(xiàn)能源互補、信息互通"等管理模式。助力學校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

3.2平臺組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應用層組成。平臺融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)用電進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運維，同時滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。

3.3平臺架構(gòu)

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構(gòu)拓撲

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動運維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進的網(wǎng)絡(luò)抄表付費管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠程抄表、費率設(shè)置、賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，檢測違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄；

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時開關(guān)、強制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3能源管理系統(tǒng)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統(tǒng)計分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫，能自動完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設(shè)備的運行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達到節(jié)能目的。

4.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災自動報警設(shè)備、電氣火災監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學預警火災、網(wǎng)格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內(nèi)運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內(nèi)，相關(guān)報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關(guān)人員。

6結(jié)束語

闡述了高校學生宿舍水電表管理系統(tǒng)的技術(shù)理論和實現(xiàn)過程。通過搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ＰＣ端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及移動端的數(shù)據(jù)顯示人機交互ＡＰＰ。實現(xiàn)將水電表數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)計和結(jié)算以及呈現(xiàn)給移動端ＡＰＰ。系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程能源管理，擴展到對學生進行安全管理。該系統(tǒng)在技術(shù)層面上可作為物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表的案例開發(fā)技術(shù)，還可實現(xiàn)高校學生生活及學習行為的數(shù)據(jù)挖掘，提高教學管理質(zhì)量，具有很高的創(chuàng)新性和應用價值。

【參考文獻】

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【3】胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)自動化.2014(2).

【4】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【5】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

韓歡慶，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展