淺談高校學生宿舍插座群用電管理系統(tǒng)的設計與應用

摘要：本文設計了個基于物聯網的學生宿舍插座群用電安全監(jiān)控系統(tǒng),采用Zigbee網絡通信技術構建無線傳感器網絡(WSN),對學生宿舍每個插座進行電量采集，監(jiān)控安全用電情況， 當監(jiān)控到學生在宿舍使用違章電器等安全隱患，及時切斷相應插座的供電電源，保證用電安全。

關鍵詞：物聯網 ；Zigbee；WSN；電量采集；安全監(jiān)控

1 引言
       物聯網是新代信息技術的重要組成部分。物聯網是指通過各種信息傳感設備,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，與互聯網結合形成的個巨大網絡。Zigbee是種新興的短距離、低功耗、低數據傳輸速率的無線網絡技術。基于Zigbee 技術的無線傳感器網絡適用于網點多、體積小、數據量小、傳輸可靠、低功耗等制場合，常用于物聯網智能測控系統(tǒng)中。
       隨著生活水平的不斷提高，學生宿舍用電設備越來越多，這也造成了定的安全用電隱患，使得校園火災時有發(fā)生，給學生的生命財產安全造成了很大的威脅。
       校園火災發(fā)生的罪魁禍大多數是違章電器。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等。而學生為了貪圖方便，使得各學校學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嚴格，但學生常常與學生管理人員玩“捉迷藏”，使用違章電器后就收藏起來，當輔導員查宿舍時往往不能當場查到，使宿舍存在著安全隱患。
       因此，從根本上杜絕違章電器的使用，保障每個學生的生命財產安全，成為高校學生宿舍安全管理亟待解決的問題。
       本文設計了個基于Zigbee的學生宿舍插座群用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，可對學生宿舍的每個插座的用電情況進行安全監(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，既保證了學生的生命財產安全，又使管理員掌握使用違章電器的宿舍及插座，對使用學生進行批評教育，學生認識到錯誤后，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(tǒng)網絡結構
       基于物聯網的學生宿舍插座群用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用單片機控制系統(tǒng)和無線收發(fā)器件構成無線傳感器網絡,采用Zigbee網絡通信技術，實現對學生宿舍插座群的安全監(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，當監(jiān)測到某插座存在使用違章電器現象時，發(fā)出報警信號，并通過無線模塊發(fā)出相應的控制命令給對應的插座節(jié)點，在插座端執(zhí)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(jié)點由多個插座節(jié)點構成，分布于學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)的網絡結構，如圖 1 所示：

圖 1 系統(tǒng)的網絡結構

       主機節(jié)點與插座節(jié)點通過Zigbee 網絡通信技術共同組成無線傳感器網絡(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(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協調器與插座群各節(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，當監(jiān)測到有插座節(jié)點使用大功率電器等危及用電安全情況時，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)點的硬件結構框圖如圖 2 所示。

圖 2 主機節(jié)點硬件結構框圖

       主機節(jié)點控制器采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機，控制和協調各模塊的工作； 時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片，產生系統(tǒng)時間；手動控制模塊用于系統(tǒng)實時時間的設置與調節(jié)，查看各插座節(jié)點的實時用電數據，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控制模塊所選定的插座節(jié)點的電量情況，及顯示具有安全隱患的插座節(jié)點編號及過載狀態(tài)提示；Zigbee協調器采用 Chipcon公司的于IEEE 802.15.4和Zigbee協議通信的CC2430芯片，與插座群節(jié)點實現無線通信。
       主機節(jié)點增加以太網控制器DP83848C和RJ45接口，可以實現與遠程上位機的網絡通信。
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協調器啟動和配置Zigbee網絡，實現與插座節(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，行系統(tǒng)初始化，并建立Zigbee網絡；再搜索并添加插座節(jié)點，分配并保存加入Zigbee網絡的插座地址；然后監(jiān)聽信道中有無插座節(jié)點發(fā)送的電量數據，有數據時，匹配插座節(jié)點地址，進行數據接收；進行數據處理，有數據超*，發(fā)送插座斷電控制命令道相應的插座節(jié)點，同時送出插座節(jié)點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(jié)點
       插座節(jié)點是由Zigbee射頻控制器及傳感器構成的Zigbee終端節(jié)點，與主機節(jié)點的 Zigbee協調器共同組成WSN。
4.1 插座節(jié)點硬件
       插座節(jié)點實現插座的用電電量采集，發(fā)送到主機節(jié)點，主機節(jié)點根據接收到的電量數據，判斷用電安全狀況，當存在安全隱患時，主機節(jié)點發(fā)送插座斷電信號，相應的插座節(jié)點接收到信號后，控制插座斷開；當隱患消除，主機節(jié)點發(fā)送插座通電信號，控制插座接通。
       插座節(jié)點的硬件結構框圖如圖4所示：

圖 4 插座節(jié)點硬件結構框圖

       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(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協調器建立的Zigbee網絡 , 實現與主機節(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，行初始化；再搜索Zigbee網絡并向Zigbee協調器發(fā)送聯網請求；加入Zigbee網絡后,定期讀取電量采集模塊的數據,發(fā)送到主機節(jié)點；如果存在電量數據超限的安全隱患時，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用場合，在傳統(tǒng)的電能管理需求的基礎上有著與其他應用場合所不同的要求，強調的是用電控制管理，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(tǒng)建設的意義：
  方便學校對宿舍的用電收費，學生群體眾多，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，學生可以自助繳費。
  通過技術手段加強對宿舍的用電管理，可實現時間定時控制、惡性負載檢測、基礎電費下發(fā)等適合學校規(guī)范管理的功能。
  人性化的方案設計，可實現單宿舍內的多個支路的獨立控制，讓學生可獲得更高質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、電爐、熱得快、電熱杯等實施自動識別控制）、夜間小功率設置、移相插座識別、負載學習功能（白名單）。
5.2系統(tǒng)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題。

5.3系統(tǒng)功能
  AcrelCloud-3100學生宿舍版預付費云平臺是與ADM130（進三出）或ADF300L（多回路計量箱）預付費電能表配套的云平臺。它是以電能管理網站和集中抄表軟件為主，包括服務器，通訊管理機在內的集成系統(tǒng)。針對高校宿舍這特殊應用場合研發(fā)，主要實現電能監(jiān)控、時間管理、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(tǒng)支持對宿舍進行批量設置，批量初始化、批量下發(fā)基礎電量、批量設置負控、批量設置時控等，方便學校進行統(tǒng)管理。

惡性負載自動識別控制：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)現這些發(fā)熱電器自動斷電。惡性負載暫停時間和次數可通過軟件設定。 

基礎電費：可以設置每月給學生下發(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個時段設置宿舍供電斷電，方便管理學生宿舍作息 。

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

遠程售電：操作員可以通過后臺給宿舍進行電費充值，學生也可以通過學習卡通、學校進行自助充值。
遠程集中抄表：抄表信息通過網關實時上傳到云平臺，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)設備選型

6 結束語
  針對當高校學生公寓的用電特點及其亟待解決的安全問題，需要對些惡性負載進行限制，以保障用電安全，同時為了便于公寓的用電管理，我們引進了學生公寓用電安全管理系統(tǒng)。目已經在學校大規(guī)模使用，經年多的應用，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.物聯網技術的智能家居遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設計探討[J].電子測試.2017(9):68-69.
[2]吳翠娟.基于高校學生宿舍插座群用電管理系統(tǒng)的設計與應用.
[3]安科瑞高校宿舍預付費電控系統(tǒng)2019.11版. 

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護器的研發(fā)與應用