安科瑞插座群用電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于高校的應(yīng)用

安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

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摘要：本文設(shè)計(jì)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(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(gè)插座進(jìn)行電量采集，監(jiān)控安全用電情況， 當(dāng)監(jiān)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(yīng)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(jiān)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)是指通過各種信息傳感設(shè)備,實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。Zigbee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。基于Zigbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點(diǎn)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，這也造成了一定的安全用電隱患，使得校園火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了很大的威脅。
校園火災(zāi)發(fā)生的罪魁禍?zhǔn)状蠖鄶?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(shí)臨時(shí)離開而至使水燒干后點(diǎn)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(shí)往往不能當(dāng)場查到，使宿舍存在著極大的安全隱患。
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(cái)產(chǎn)安全，成為高校學(xué)生宿舍安全管理亟待解決的問題。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zigbee的學(xué)生宿舍插座群用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，可對學(xué)生宿舍的每個(gè)插座的用電情況進(jìn)行安全監(jiān)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(bào)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(cái)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(rèn)識(shí)到錯(cuò)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)生宿舍插座群用電安全監(jiān)控系統(tǒng)，采用單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對學(xué)生宿舍插座群的安全監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)分為主機(jī)節(jié)點(diǎn)和插座群節(jié)點(diǎn) , 插座群節(jié)點(diǎn)測量每個(gè)插座的用電信息，并將采集的電壓、電流等參量通過無線通信模塊傳送給主機(jī)節(jié)點(diǎn)；主機(jī)節(jié)點(diǎn)循環(huán)監(jiān)測接收到的插座群節(jié)點(diǎn)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(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，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(diǎn)，在插座端執(zhí)行控制操作，切斷相應(yīng)插座的供電電源，保證用電安全。
插座群節(jié)點(diǎn)由多個(gè)插座節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，分布于學(xué)生宿舍的各個(gè)插座接口：主機(jī)節(jié)點(diǎn)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(jī)節(jié)點(diǎn)與插座節(jié)點(diǎn)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(diǎn)采集插座的用電電量，發(fā)送到主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的電量數(shù)據(jù)，研判用電安全狀況，發(fā)送插座通斷控制信號(hào)，相應(yīng)的插座節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后，控制插座的通斷電。

3 主機(jī)節(jié)點(diǎn)
主機(jī)節(jié)點(diǎn)通過Zigbee協(xié)調(diào)器與插座群各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信。
3.1 主機(jī)節(jié)點(diǎn)硬件
待機(jī)時(shí)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)顯示實(shí)時(shí)時(shí)間，當(dāng)監(jiān)測到有插座節(jié)點(diǎn)使用大功率電器等危及用電安全情況時(shí)，報(bào)警并顯示問題插座宿舍編號(hào),同時(shí)向該插座節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令,使插座斷電。問題解決后 , 可以手動(dòng)控制主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，控制該插座通電。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

圖 2 主機(jī)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)節(jié)點(diǎn)控制器采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī)，控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作； 時(shí)鐘模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)間；手動(dòng)控制模塊用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)間的設(shè)置與調(diào)節(jié)，查看各插座節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)，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(jù)需要顯示手動(dòng)控制模塊所選定的插座節(jié)點(diǎn)的電量情況，及顯示具有安全隱患的插座節(jié)點(diǎn)編號(hào)及過載狀態(tài)提示；Zigbee協(xié)調(diào)器采用 Chipcon公司的專用于IEEE 802.15.4和Zigbee協(xié)議通信的CC2430芯片，與插座群節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線通信。
主機(jī)節(jié)點(diǎn)增加以太網(wǎng)控制器DP83848C和RJ45接口，可以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信。
3.2 主機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件

圖 3 主機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

主機(jī)節(jié)點(diǎn)軟件主要完成Zigbee協(xié)調(diào)器啟動(dòng)和配置Zigbee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與插座節(jié)點(diǎn)間的無線通信功能。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。
無線通信功能。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。
系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)發(fā)送的電量數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)時(shí)，匹配插座節(jié)點(diǎn)地址，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，有數(shù)據(jù)超限時(shí)，發(fā)送插座斷電控制命令道相應(yīng)的插座節(jié)點(diǎn)，同時(shí)送出插座節(jié)點(diǎn)的安全隱患提示信息送到顯示模塊中，并報(bào)警提示。

4 插座節(jié)點(diǎn)
插座節(jié)點(diǎn)是由Zigbee射頻控制器及傳感器構(gòu)成的Zigbee終端節(jié)點(diǎn)，與主機(jī)節(jié)點(diǎn)的 Zigbee協(xié)調(diào)器共同組成WSN。
4.1 插座節(jié)點(diǎn)硬件
插座節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)插座的用電電量采集，發(fā)送到主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的電量數(shù)據(jù)，判斷用電安全狀況，當(dāng)存在安全隱患時(shí)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送插座斷電信號(hào)，相應(yīng)的插座節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)后，控制插座斷開；當(dāng)隱患消除，主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送插座通電信號(hào)，控制插座接通。
插座節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示：

圖 4 插座節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

插座節(jié)點(diǎn)控制器采用Zigbee射頻芯片CC2430，外接天線等接口，與主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信；由于CC2430構(gòu)成的Zigbee終端節(jié)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(hào)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(diǎn)接收到的插座通斷控制信號(hào)，控制插座的通斷。
4.2 插座節(jié)點(diǎn)軟件
插座節(jié)點(diǎn)完成Zigbee終端加入由Zigbee協(xié)調(diào)器建立的Zigbee網(wǎng)絡(luò) , 實(shí)現(xiàn)與主機(jī)節(jié)點(diǎn)間的無線通信功能。插座節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖5所示。
插座節(jié)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(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(jī)節(jié)點(diǎn)；如果存在電量數(shù)據(jù)超限的安全隱患時(shí)，接收主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的插座通斷控制信號(hào)。

圖 5 插座節(jié)點(diǎn)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
??高校宿舍作為一個(gè)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(qiáng)調(diào)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(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(fèi)，學(xué)生群體眾多，傳統(tǒng)的后付費(fèi)方式已無法滿足校方需求，收費(fèi)管理可與校園一卡通對接，學(xué)生可以自助繳費(fèi)。
??通過技術(shù)手段加強(qiáng)對宿舍的用電管理，可實(shí)現(xiàn)時(shí)間定時(shí)控制、惡性負(fù)載檢測、基礎(chǔ)電費(fèi)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(jì)，可實(shí)現(xiàn)單一宿舍內(nèi)的多個(gè)支路的獨(dú)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(shí)施自動(dòng)識(shí)別控制）、夜間小功率設(shè)置、移相插座識(shí)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(fèi)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(fèi)云平臺(tái)是與ADM130（一進(jìn)三出）或ADF300L（多回路計(jì)量箱）預(yù)付費(fèi)電能表配套的云平臺(tái)。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(jī)在內(nèi)的集成系統(tǒng)。針對高校宿舍這一特殊應(yīng)用場合研發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)電能監(jiān)控、時(shí)間管理、惡性負(fù)載管理、預(yù)付費(fèi)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(jìn)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(shí)控等，方便學(xué)校進(jìn)行統(tǒng)一管理。

惡性負(fù)載自動(dòng)識(shí)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(shí)別控制，發(fā)現(xiàn)這些發(fā)熱電器自動(dòng)斷電。惡性負(fù)載暫停時(shí)間和次數(shù)可通過軟件設(shè)定。

基礎(chǔ)電費(fèi)：可以設(shè)置每月給學(xué)生下發(fā)的免費(fèi)輔助電費(fèi)，覆蓋式下發(fā)，不累計(jì)。
時(shí)間控制功能：支持8個(gè)時(shí)段設(shè)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(tǒng)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(dú)分合閘、惡性負(fù)載、時(shí)控等設(shè)置。

遠(yuǎn)程售電：操作員可以通過后臺(tái)給宿舍進(jìn)行電費(fèi)充值，學(xué)生也可以通過學(xué)習(xí)一卡通、學(xué)校微信公眾號(hào)進(jìn)行自助充值。
遠(yuǎn)程集中抄表：抄表信息通過網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)，快速便捷，免去人工抄表。
遠(yuǎn)程控制：可對任意一塊電表執(zhí)行遠(yuǎn)程拉閘或保電等一系列遠(yuǎn)程控制操作，方便管理。

6 結(jié)束語
針對當(dāng)前高校學(xué)生公寓的用電特點(diǎn)及其亟待解決的安全問題，需要對一些惡性負(fù)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(tǒng)。目前已經(jīng)在學(xué)校大規(guī)模使用，經(jīng)一年多的應(yīng)用，不僅達(dá)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

審核編輯黃宇