淺談關(guān)于智慧校園安全用電監測系統的設計

  學(xué)生人身安全是大家關(guān)注的話(huà)題，2019年12月中國消防統計近五年發(fā)生在全國學(xué)生宿舍的火災2314起（中國消防2019.12.應急管理部消防救援局微博），違規電器是引發(fā)火災的主因。如果在各寢室安裝智能用電監測器實(shí)時(shí)監督線(xiàn)路參數，將用電參數以數字或圖像顯示，學(xué)生若使用違規用電器，系統能自動(dòng)識并切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學(xué)生使用違規用電器的信息，將是對火災的

有效預防。本文設計了智慧校園安全用電監測系統，通過(guò)信息化方式實(shí)現校園內各類(lèi)資源有效集成、整合和化。系統監測器以樹(shù)莓派為核心，定時(shí)將采集的用電信息上傳至云端存儲與備份，完成數據分析、能耗管理、過(guò)載報警等功能；可遠程監控，宿舍管理者用手機通過(guò)校園網(wǎng)可訪(fǎng)問(wèn)該系統，掌握學(xué)生用電情況做出有效應答。

  根據中國消防統計的近五年的2314起全國學(xué)生宿舍火災，使用違規用電器是引發(fā)學(xué)生宿舍火災的主要因素，所以，加強學(xué)校消防安全工作，對預防和減少校園火災的發(fā)生具有十分重要的意義?，F有的限制學(xué)生用電的方式是在電路中接入保險絲或者空氣開(kāi)關(guān)，當用電超過(guò)負荷時(shí)斷電，此種方法設置簡(jiǎn)單，但是無(wú)法對電氣事故進(jìn)行詳細分析。本系統針對以上問(wèn)題，應用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)，對學(xué)校用電情況進(jìn)行智能化分析監控，在每間寢室安裝智能用電監測器，并將用電參數以直觀(guān)的數字或圖像顯示在宿舍管理人員和校園控制中心的電腦界面，當學(xué)生使用違規用電器時(shí)，系統能自動(dòng)識別違規負載并切斷學(xué)生所用電源，同時(shí)，宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規用負載類(lèi)型和學(xué)生寢室號的消息并做出處理，沒(méi)收學(xué)生使用的違規用電器，這將是對電氣火災的有效預防。

  引起校園電器火災隱患的原因主要有過(guò)負荷火災、短路火災和漏電火災三種方式。本系統應用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺技術(shù)對學(xué)校用電情況進(jìn)行分析監控，有效地預防火災的發(fā)生。

圖1-1智慧校園安全用電監測系統總體架構

  圖1-1為系統的總體架構，系統在工作時(shí)，每個(gè)房間的智能用電檢測器定時(shí)讀取宿舍的用電數據。每層樓上安放一個(gè)寢室樓層監視器，方便宿舍管理員發(fā)現用電問(wèn)題。學(xué)?？刂浦行膭t將寢室的用電信息匯總。

  寢室智能用電智能監測器將數據上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監視器，隨后，寢室樓層監視器再將數據上傳至云端存儲并做大數據分析。校園控制中心可以直接訪(fǎng)問(wèn)云端獲取用電數據，也可以通過(guò)寢室樓層監視器獲取用電數據。

  由移動(dòng)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構建云服務(wù)器平臺。將系統采集到的用電數據通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)上傳至云服務(wù)器上，進(jìn)行存儲與云計算。云服務(wù)平臺可以將反映電氣狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據上傳至學(xué)校用電管理人員的電腦屏幕和手機端，同時(shí)，校園控制中心和寢室管理員可以用手機通過(guò)校園網(wǎng)查詢(xún)學(xué)生用電信息。掌握學(xué)生用電情況，如有安全問(wèn)題，可以及時(shí)作出應急措施。

  依據學(xué)校正常用電數據，設置報警和違規負載類(lèi)型參數的標準值，收集用電參數，將收集到的數據通過(guò)加工、整理和分析后轉化為所需信息，進(jìn)而分析出學(xué)校存在的不合理的用電點(diǎn)。

  通過(guò)大數據分析，可以自動(dòng)識別電器的安全隱患及負載類(lèi)型，建立隱患識別系統。系統根據學(xué)校各用電設備的閾值進(jìn)行報警。當學(xué)生使用違規用電器時(shí)，通過(guò)分析可以得出此違規負載的類(lèi)型及具體的學(xué)生寢室房間號，同時(shí)，學(xué)生寢室會(huì )斷電，學(xué)校后勤人員從而采取相應措施。

  寢室智能用電監測器用來(lái)監控寢室用電信息、進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊和執行命令的操作，其總體設計框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報警模塊、繼電器模塊和控制模塊。

圖3-1寢室智能用電監測器的總體框圖

  系統采用IM1277單相互感式電能質(zhì)量檢測儀采集電量信息，能夠完成電能測量、采集及傳輸，準確高精度地測量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電參數。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器處理，變?yōu)檩^小的電流信號并通過(guò)電路傳到電能計量芯片，將模擬信號轉換為數字信號，然后通過(guò)串口送入樹(shù)莓派控制中心。

圖3-2電量采集電路

  系統采用消息推送的方式實(shí)現報警功能，將主控制器與報警模塊相連，當電路中接入違規用電器時(shí)，負載總功率會(huì )增大，控制系統檢測到這一信號后，立刻控制報警模塊報警并跳閘，同時(shí)，系統會(huì )記錄下跳閘時(shí)間、房間號和負載類(lèi)型。

  交流繼電器模塊則通過(guò)小電流的交流中間繼電器通過(guò)傳遞控制信號實(shí)現對大電流繼電器的控制。當電路中接入違規負載時(shí)，在控制系統的“指揮”下完成繼電器-繼電器的控制，使電路斷路。

圖3-3繼電器電路圖

  樹(shù)莓派作為系統的控制中心，可安裝操作系統并可以直接將所寫(xiě)的編程運行，卡片主板周?chē)蠻SB接口和以太網(wǎng)接口。樹(shù)莓派控制所采集的內容以及電路的狀態(tài)，將采集到的用電數據進(jìn)行處理和保存并上傳至云端，當經(jīng)過(guò)數據分析后得出學(xué)生使用違規用電器的信息時(shí)，樹(shù)莓派控制電路斷開(kāi)。

圖3-4樹(shù)莓派實(shí)物圖

  PC機通過(guò)C語(yǔ)言程序實(shí)現數據節點(diǎn)的繪制、動(dòng)態(tài)顯示、查詢(xún)歷史數據和報警記錄。同時(shí)，在手機端有APP，學(xué)校宿舍管理人員可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)APP實(shí)現查詢(xún)與遠程控制，當學(xué)生使用違規用電器時(shí)，宿舍管理人員可以通過(guò)手機APP實(shí)現寢室斷電。

  系統上電后，進(jìn)行各端口初始化，搜索并加入網(wǎng)絡(luò )，定時(shí)讀取寢室用電信息，將用電信息保存并上傳，進(jìn)行數據分析處理；若存在安全隱患或使用違規用電器，則發(fā)送報警信號并做出相應的響應；若無(wú)安全隱患，則繼續讀取用電信息并上傳至云端。循環(huán)此過(guò)程。系統程序流程圖如圖3-5所示。

圖3-5系統程序流程圖

  選取不同類(lèi)型的負載如燈泡、電吹風(fēng)，分別接入電路中，模擬寢室用電情況，燈泡模擬正常用電器，電吹風(fēng)模擬違規用電器，每個(gè)用電器測試十次。

  負載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測試數據，見(jiàn)表4-1；負載是燈泡時(shí)電壓的測試數據，見(jiàn)表4-2；負載是吹風(fēng)機時(shí)的電流測試數據，見(jiàn)表4-3；負載是吹風(fēng)機時(shí)的電壓測試數據，見(jiàn)表4-4。

表4-1負載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測試數據

表4-2負載是燈泡時(shí)電壓的測試數據

表4-3負載是吹風(fēng)機時(shí)的電流測試據

表4-4負載是吹風(fēng)機時(shí)的電壓測試據

  當電路中接入電燈泡時(shí)，燈泡正常工作，實(shí)時(shí)顯示電壓值、電流值以及電功率曲線(xiàn)，在電腦界面無(wú)報警信息，可以用手機通過(guò)校園網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)系統，查看用電信息。

  當電路接入電吹風(fēng)時(shí)，系統檢測到此負載為違規用電器，在電腦界面彈出報警框，同時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線(xiàn)，圖4-2為智能用監檢測器實(shí)物圖。

圖4-1燈泡電功率變化曲線(xiàn)

圖4-2智能用電檢測器實(shí)物圖

  Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、報警、記錄，并且通過(guò)云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對上傳至云端的數據進(jìn)行分析，為用戶(hù)提供火災隱患的相關(guān)數據，能夠及早的發(fā)現問(wèn)題并實(shí)施排查，避免火災的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對用戶(hù)的長(cháng)遠發(fā)展具有戰略意義。此外，該系統通過(guò)集中監控，使得數據通過(guò)每個(gè)節點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò )傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進(jìn)行統一的監控和管理。

 

  （1）安全用電監管服務(wù)系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。

  （2）安全用電監管服務(wù)系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實(shí)時(shí)監測數據及變化曲線(xiàn)、歷史數據與變化曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)報警數據等，能實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)服務(wù)次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產(chǎn)品維護等數據，監管數據能保存十年以上。

  （3）手機APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過(guò)手機APP對每條報警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

  （4）能對各個(gè)單位及設備的電氣安全運行情況進(jìn)行自動(dòng)統計和分析評估，并隨時(shí)展示電氣安全運行分析報告。

  （5）監控探測終端產(chǎn)品滿(mǎn)足國家法律法規和有關(guān)技術(shù)標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過(guò)國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監測檢驗中心提供的消防3C認證。

  （6）漏電探測器能同時(shí)探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過(guò)無(wú)線(xiàn)以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )接入安全用電監管系統平臺。

5.2.1漏電火災監控探測器

5.2.2故障電弧探測器

  安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預警，提醒用戶(hù)處理，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

  AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產(chǎn)品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

 

 

 

5.2.3限流式保護器

  安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過(guò)載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發(fā)生。

  ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺。

  以下是ASCP200-1的主要功能：

  短路保護功能。保護器實(shí)時(shí)監測用電線(xiàn)路電流，當線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

  過(guò)載保護功能。當被保護線(xiàn)路的電流過(guò)載且過(guò)載持續時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3…60秒可設）時(shí)，保護器啟動(dòng)限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

  表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護器啟動(dòng)超溫限流保護，并發(fā)出聲光報警信號。

  過(guò)、欠壓保護功能。當保護器檢測到線(xiàn)路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。

  配電線(xiàn)纜溫度監測功能。當被監測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。

  漏電流監測功能。當被監測的線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器發(fā)出聲光報警信號，可預先設置是否啟動(dòng)限流保護。

  保護器具有1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)送到后臺監控系統，實(shí)現遠程監控。

5.2.4剩余電流互感器

5.2.5AF-GSM400-2G/4G無(wú)線(xiàn)上傳模塊

  AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)模塊，該無(wú)線(xiàn)模塊為安全用電云平臺模塊。

  AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報警，會(huì )實(shí)時(shí)上傳數據。

5.2.6溫度傳感器

  溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來(lái)監測線(xiàn)纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。

  本文開(kāi)發(fā)了一種基服務(wù)的智慧校園安全用電監測系統，分別從硬件平臺和軟件設計兩個(gè)部分進(jìn)行了介紹，實(shí)現了電量的檢測和可靠預警。系統選用樹(shù)莓派作為主控制中心，有很高的精度和可靠性，可實(shí)現電器的啟停、電路過(guò)載報警、電量數據上傳等功能，UI設計安排合理，便于用戶(hù)的學(xué)習和操作。當出現安全隱患時(shí)，系統發(fā)出報警，同時(shí)學(xué)校后勤管理部門(mén)與寢室樓層管理人員會(huì )收到報警信息，從而采取相應措施，以智能化的方式解決用電的安全隱患。該系統可應用于學(xué)校的安全用電管理，滿(mǎn)足學(xué)校后勤部門(mén)對校園安全的管理需求。

[1]田 穎，劉 輝，李琳娜 .智慧校園安全用電監測系統的設計

[2]安科瑞安全用電管理云平臺手冊.2020.02版

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版