淺談高校學(xué)生宿舍插座群用電管理系統的設計與應用

摘要：本文設計了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生宿舍插座群用電安全監控系統,采用Zigbee網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN),對學(xué)生宿舍每個(gè)插座進(jìn)行電量采集，監控安全用電情況， 當監控到學(xué)生在宿舍使用違章電器等安全隱患，及時(shí)切斷相應插座的供電電源，保證用電安全。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) ；Zigbee；WSN；電量采集；安全監控

1 引言
       物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感設備,實(shí)時(shí)采集任何需要監控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò )。Zigbee是一種新興的短距離、低功耗、低數據傳輸速率的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)?；赯igbee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )適用于網(wǎng)點(diǎn)多、體積小、數據量小、傳輸可靠、低功耗等制場(chǎng)合，常用于物聯(lián)網(wǎng)智能測控系統中。
       隨著(zhù)生活水平的不斷提高，學(xué)生宿舍用電設備越來(lái)越多，這也造成了一定的安全用電隱患，使得校園火災時(shí)有發(fā)生，給學(xué)生的生命財產(chǎn)安全造成了很大的威脅。
       校園火災發(fā)生的罪魁禍首大多數是違章電器。比如：由于違章使用大功率電器造成線(xiàn)路的短路；使用熱得快、熱水壺等電器時(shí)臨時(shí)離開(kāi)而至使水燒干后點(diǎn)燃外殼造成火災等。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象屢禁不止。各高校盡管對使用違章電器的查處都很?chē)栏?，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(lái)，當輔導員查宿舍時(shí)往往不能當場(chǎng)查到，使宿舍存在著(zhù)極大的安全隱患。
       因此，從根本上杜絕違章電器的使用，保障每個(gè)學(xué)生的生命財產(chǎn)安全，成為高校學(xué)生宿舍安全管理亟待解決的問(wèn)題。
       本文設計了一個(gè)基于Zigbee的學(xué)生宿舍插座群用電安全監控系統，可對學(xué)生宿舍的每個(gè)插座的用電情況進(jìn)行安全監測，任何一個(gè)插座上使用違章電器，都會(huì )在宿舍電控室進(jìn)行聲光報警 , 并及時(shí)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)安全，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(jìn)行批評教育，學(xué)生認識到錯誤后，管理員再給插座供電，可有效杜絕違章電器的再次使用。

2 系統網(wǎng)絡(luò )結構
       基于物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)生宿舍插座群用電安全監控系統，采用單片機控制系統和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器件構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ),采用Zigbee網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，實(shí)現對學(xué)生宿舍插座群的安全監控。監控系統分為主機節點(diǎn)和插座群節點(diǎn) , 插座群節點(diǎn)測量每個(gè)插座的用電信息，并將采集的電壓、電流等參量通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳送給主機節點(diǎn)；主機節點(diǎn)循環(huán)監測接收到的插座群節點(diǎn)的用電情況，當監測到某插座存在使用違章電器現象時(shí)，發(fā)出報警信號，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)出相應的控制命令給對應的插座節點(diǎn)，在插座端執行控制操作，切斷相應插座的供電電源，保證用電安全。
       插座群節點(diǎn)由多個(gè)插座節點(diǎn)構成，分布于學(xué)生宿舍的各個(gè)插座接口：主機節點(diǎn)放在宿舍管理終控室，系統的網(wǎng)絡(luò )結構，如圖 1 所示：

圖 1 系統的網(wǎng)絡(luò )結構

       主機節點(diǎn)與插座節點(diǎn)通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)共同組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)。插座節點(diǎn)采集插座的用電電量，發(fā)送到主機節點(diǎn)，主機節點(diǎn)根據接收到的電量數據，研判用電安全狀況，發(fā)送插座通斷控制信號，相應的插座節點(diǎn)接收到信號后，控制插座的通斷電。

3 主機節點(diǎn)
       主機節點(diǎn)通過(guò)Zigbee協(xié)調器與插座群各節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。
3.1 主機節點(diǎn)硬件
       待機時(shí)，主機節點(diǎn)顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，當監測到有插座節點(diǎn)使用大功率電器等危及用電安全情況時(shí)，報警并顯示問(wèn)題插座宿舍編號,同時(shí)向該插座節點(diǎn)發(fā)送控制命令,使插座斷電。問(wèn)題解決后 , 可以手動(dòng)控制主機節點(diǎn)發(fā)送命令，控制該插座通電。主機節點(diǎn)的硬件結構框圖如圖 2 所示。

圖 2 主機節點(diǎn)硬件結構框圖

       主機節點(diǎn)控制器采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機，控制和協(xié)調各模塊的工作； 時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，產(chǎn)生系統時(shí)間；手動(dòng)控制模塊用于系統實(shí)時(shí)時(shí)間的設置與調節，查看各插座節點(diǎn)的實(shí)時(shí)用電數據，及存在安全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，可以根據需要顯示手動(dòng)控制模塊所選定的插座節點(diǎn)的電量情況，及顯示具有安全隱患的插座節點(diǎn)編號及過(guò)載狀態(tài)提示；Zigbee協(xié)調器采用 Chipcon公司的于IEEE 802.15.4和Zigbee協(xié)議通信的CC2430芯片，與插座群節點(diǎn)實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
       主機節點(diǎn)增加以太網(wǎng)控制器DP83848C和RJ45接口，可以實(shí)現與遠程上位機的網(wǎng)絡(luò )通信。
3.2 主機節點(diǎn)軟件

圖 3 主機節點(diǎn)軟件流程圖

       主機節點(diǎn)軟件主要完成Zigbee協(xié)調器啟動(dòng)和配置Zigbee網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現與插座節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信功能。主機節點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。
       無(wú)線(xiàn)通信功能。主機節點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。
       系統上電后，首先進(jìn)行系統初始化，并建立Zigbee網(wǎng)絡(luò )；再搜索并添加插座節點(diǎn)，分配并保存加入Zigbee網(wǎng)絡(luò )的插座地址；然后監聽(tīng)信道中有無(wú)插座節點(diǎn)發(fā)送的電量數據，有數據時(shí)，匹配插座節點(diǎn)地址，進(jìn)行數據接收；進(jìn)行數據處理，有數據超*，發(fā)送插座斷電控制命令道相應的插座節點(diǎn)，同時(shí)送出插座節點(diǎn)的安全隱患提示信息送到顯示模塊中，并報警提示。

4 插座節點(diǎn)
       插座節點(diǎn)是由Zigbee射頻控制器及傳感器構成的Zigbee終端節點(diǎn)，與主機節點(diǎn)的 Zigbee協(xié)調器共同組成WSN。
4.1 插座節點(diǎn)硬件
       插座節點(diǎn)實(shí)現插座的用電電量采集，發(fā)送到主機節點(diǎn)，主機節點(diǎn)根據接收到的電量數據，判斷用電安全狀況，當存在安全隱患時(shí)，主機節點(diǎn)發(fā)送插座斷電信號，相應的插座節點(diǎn)接收到信號后，控制插座斷開(kāi)；當隱患消除，主機節點(diǎn)發(fā)送插座通電信號，控制插座接通。
       插座節點(diǎn)的硬件結構框圖如圖4所示：

圖 4 插座節點(diǎn)硬件結構框圖

       插座節點(diǎn)控制器采用Zigbee射頻芯片CC2430，外接天線(xiàn)等接口，與主機節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信；由于CC2430構成的Zigbee終端節點(diǎn)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、信號調理電路和A/D轉換電路；通斷控制模塊采用繼電器控制電路，根據插座節點(diǎn)接收到的插座通斷控制信號，控制插座的通斷。
4.2 插座節點(diǎn)軟件
       插座節點(diǎn)完成Zigbee終端加入由Zigbee協(xié)調器建立的Zigbee網(wǎng)絡(luò ) , 實(shí)現與主機節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信功能。插座節點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。
       插座節點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行初始化；再搜索Zigbee網(wǎng)絡(luò )并向Zigbee協(xié)調器發(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據,發(fā)送到主機節點(diǎn)；如果存在電量數據超限的安全隱患時(shí)，接收主機節點(diǎn)發(fā)送的插座通斷控制信號。

圖 5 插座節點(diǎn)軟件流程圖

5 安科瑞宿舍用電管理系統及選型
5.1系統方案
  高校宿舍作為一個(gè)特殊應用場(chǎng)合，在傳統的電能管理需求的基礎上有著(zhù)與其他應用場(chǎng)合所不同的要求，強調的是用電控制管理，如宿舍的時(shí)間管理（按時(shí)熄燈、按時(shí)送電，某一些設備如空調不能納入熄燈范圍）、惡性負載控制、基礎電量設置等。系統建設的意義：
  方便學(xué)校對宿舍的用電收費，學(xué)生群體眾多，傳統的后付費方式已無(wú)法滿(mǎn)足校方需求，收費管理可與校園一卡通對接，學(xué)生可以自助繳費。
  通過(guò)技術(shù)手段加強對宿舍的用電管理，可實(shí)現時(shí)間定時(shí)控制、惡性負載檢測、基礎電費下發(fā)等適合學(xué)校規范管理的功能。
  人性化的方案設計，可實(shí)現單一宿舍內的多個(gè)支路的獨立控制，讓學(xué)生可獲得高質(zhì)量的宿舍生活提供了支持。
  惡性負載控制（如卷發(fā)棒、電吹風(fēng)、電爐、熱得快、電熱杯等實(shí)施自動(dòng)識別控制）、夜間小功率設置、移相插座識別、負載學(xué)習功能（白名單）。
5.2系統結構
  AcrelCloud-3100整合高校需求，在原有預付費基礎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(wèn)題。

5.3系統功能
  AcrelCloud-3100學(xué)生宿舍版預付費云平臺是與ADM130（一進(jìn)三出）或ADF300L（多回路計量箱）預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，通訊管理機在內的集成系統。針對高校宿舍這一特殊應用場(chǎng)合研發(fā)，主要實(shí)現電能監控、時(shí)間管理、惡性負載管理、預付費管理等在高校宿舍中存在的特殊需求。

批量操作：系統支持對宿舍進(jìn)行批量設置，批量初始化、批量下發(fā)基礎電量、批量設置負控、批量設置時(shí)控等，方便學(xué)校進(jìn)行統一管理。

惡性負載自動(dòng)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(shí)施自動(dòng)識別控制，發(fā)現這些發(fā)熱電器自動(dòng)斷電。惡性負載暫停時(shí)間和次數可通過(guò)軟件設定。 

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

對接一卡通支付：系統支持中間庫，接口等方式對接學(xué)校一卡通，方便學(xué)生自助購電 。
一進(jìn)三出：ADM130電表支持三回路輸出，各回路單獨分合閘、惡性負載、時(shí)控等設置。

遠程售電：操作員可以通過(guò)后臺給宿舍進(jìn)行電費充值，學(xué)生也可以通過(guò)學(xué)習一卡通、學(xué)校公眾號進(jìn)行自助充值。
遠程集中抄表：抄表信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺，快速便捷，免去人工抄表 。
遠程控制：可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作，方便管理。
5.4系統設備選型

6 結束語(yǔ)
  針對當高校學(xué)生公寓的用電特點(diǎn)及其亟待解決的安全問(wèn)題，需要對一些惡性負載進(jìn)行限制，以保障用電安全，同時(shí)為了便于公寓的用電管理，我們引進(jìn)了學(xué)生公寓用電安全管理系統。目已經(jīng)在學(xué)校大規模使用，經(jīng)一年多的應用，不僅達到了安全用電的目的，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(wú)線(xiàn)監控系統設計探討[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的設計與應用.
[3]安科瑞高校宿舍預付費電控系統2019.11版.