【節(jié)能學(xué)院】淺談關(guān)于智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

人生人身安全是大家關(guān)注的話題，2019年12月中國消防統(tǒng)計(jì)近五年發(fā)生在全國學(xué)生宿舍的火災(zāi)2314起（中國消防2019.12.應(yīng)急管理部消防救援局官方微博），違規(guī)電器是引發(fā)火災(zāi)的主因。如果在各寢室安裝智能用電監(jiān)測器實(shí)時監(jiān)督線路參數(shù)，將用電參數(shù)以數(shù)字或圖像顯示，學(xué)生若使用違規(guī)用電器，系統(tǒng)能自動識并切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息，將是對火災(zāi)的有效預(yù)防。本文設(shè)計(jì)了智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)，通過信息化方式實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)各類資源有效集成、整合和優(yōu)化。系統(tǒng)監(jiān)測器以樹莓派為核心，定時將采集的用電信息上傳至云端存儲與備份，完成數(shù)據(jù)分析、能耗管理、過載報(bào)警等功能；可遠(yuǎn)程監(jiān)控，宿舍管理者用手機(jī)通過校園網(wǎng)可訪問該系統(tǒng)，掌握學(xué)生用電情況做出有效應(yīng)答。

根據(jù)中國消防統(tǒng)計(jì)的近五年的2314起全國學(xué)生宿舍火災(zāi)，使用違規(guī)用電器是引發(fā)學(xué)生宿舍火災(zāi)的主要因素，所以，加強(qiáng)學(xué)校消防安全工作，對預(yù)防和減少校園火災(zāi)的發(fā)生具有十分重要的意義。現(xiàn)有的限制學(xué)生用電的方式是在電路中接入保險(xiǎn)絲或者空氣開關(guān)，當(dāng)用電超過負(fù)荷時斷電，此種方法設(shè)置簡單，但是無法對電氣事故進(jìn)行詳細(xì)分析。本系統(tǒng)針對以上問題，應(yīng)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(jiān)控，在每間寢室安裝智能用電監(jiān)測器，并將用電參數(shù)以直觀的數(shù)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(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時，系統(tǒng)能自動識別違規(guī)負(fù)載并切斷學(xué)生所用電源，同時，宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規(guī)用負(fù)載類型和學(xué)生寢室號的消息并做出處理，沒收學(xué)生使用的違規(guī)用電器，這將是對電氣火災(zāi)的有效預(yù)防。

智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)方案

引起校園電器火災(zāi)隱患的原因主要有過負(fù)荷火災(zāi)、短路火災(zāi)和漏電火災(zāi)三種方式。本系統(tǒng)應(yīng)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(jiān)控，有效地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

圖1-1智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1-1為系統(tǒng)的總體架構(gòu)，系統(tǒng)在工作時，每個房間的智能用電檢測器定時讀取宿舍的用電數(shù)據(jù)。每層樓上安放一個寢室樓層監(jiān)視器，方便宿舍管理員發(fā)現(xiàn)用電問題。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(jiān)測器將數(shù)據(jù)上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監(jiān)視器，隨后，寢室樓層監(jiān)視器再將數(shù)據(jù)上傳至云端存儲并做大數(shù)據(jù)分析。校園控制中心可以直接訪問云端獲取用電數(shù)據(jù)，也可以通過寢室樓層監(jiān)視器獲取用電數(shù)據(jù)。

智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

云服務(wù)平臺

由移動網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云服務(wù)器平臺。將系統(tǒng)采集到的用電數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)技術(shù)上傳至云服務(wù)器上，進(jìn)行存儲與云計(jì)算。云服務(wù)平臺可以將反映電氣狀態(tài)的實(shí)時數(shù)據(jù)上傳至學(xué)校用電管理人員的電腦屏幕和手機(jī)端，同時，校園控制中心和寢室管理員可以用手機(jī)通過校園網(wǎng)查詢學(xué)生用電信息。掌握學(xué)生用電情況，如有安全問題，可以及時作出應(yīng)急措施。

大數(shù)據(jù)分析

依據(jù)學(xué)校正常用電數(shù)據(jù)，設(shè)置報(bào)警和違規(guī)負(fù)載類型參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，收集用電參數(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過加工、整理和分析后轉(zhuǎn)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)。

安全隱患預(yù)警

通過大數(shù)據(jù)分析，可以自動識別電器的安全隱患及負(fù)載類型，建立隱患識別系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校各用電設(shè)備的閾值進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時，通過分析可以得出此違規(guī)負(fù)載的類型及具體的學(xué)生寢室房間號，同時，學(xué)生寢室會斷電，學(xué)校后勤人員從而采取相應(yīng)措施。

智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

寢室智能用電監(jiān)測器用來監(jiān)控寢室用電信息、進(jìn)行無線通訊和執(zhí)行命令的操作，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報(bào)警模塊、繼電器模塊和控制模塊。

圖3-1寢室智能用電監(jiān)測器的總體框圖

采集模塊：

系統(tǒng)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(zhǔn)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(shù)。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經(jīng)過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電路傳到電能計(jì)量芯片，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過串口送入樹莓派控制中心。

圖3-2電量采集電路

報(bào)警模塊：

系統(tǒng)采用消息推送的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，將主控制器與報(bào)警模塊相連，當(dāng)電路中接入違規(guī)用電器時，負(fù)載總功率會提高，控制系統(tǒng)檢測到這一信號后，立刻控制報(bào)警模塊報(bào)警并跳閘，同時，系統(tǒng)會記錄下跳閘時間、房間號和負(fù)載類型。

繼電器模塊：

交流繼電器模塊則通過小電流的交流中間繼電器通過傳遞控制信號實(shí)現(xiàn)對大電流繼電器的控制。當(dāng)電路中接入違規(guī)負(fù)載時，在控制系統(tǒng)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

控制模塊：

樹莓派作為系統(tǒng)的控制中心，可安裝操作系統(tǒng)并可以直接將所寫的編程運(yùn)行，卡片主板周圍有USB接口和以太網(wǎng)接口。樹莓派控制所采集的內(nèi)容以及電路的狀態(tài)，將采集到的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存并上傳至云端，當(dāng)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后得出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息時，樹莓派控制電路斷開。

圖3-4樹莓派實(shí)物圖

數(shù)據(jù)顯示模塊與遠(yuǎn)程控制：

PC機(jī)通過C語言程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的繪制、動態(tài)顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。同時，在手機(jī)端有APP，學(xué)校宿舍管理人員可以通過訪問APP實(shí)現(xiàn)查詢與遠(yuǎn)程控制，當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時，宿舍管理人員可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)寢室斷電。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行各端口初始化，搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，定時讀取寢室用電信息，將用電信息保存并上傳，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；若存在安全隱患或使用違規(guī)用電器，則發(fā)送報(bào)警信號并做出相應(yīng)的響應(yīng)；若無安全隱患，則繼續(xù)讀取用電信息并上傳至云端。循環(huán)此過程。系統(tǒng)程序流程圖如圖3-5所示。

圖3-5系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)測試

選取不同類型的負(fù)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(guī)用電器，每個用電器測試十次。

負(fù)載是燈泡時的電流與電壓的測試數(shù)據(jù)，見表4-1；負(fù)載是燈泡時電壓的測試數(shù)據(jù)，見表4-2；負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時的電流測試數(shù)據(jù)，見表4-3；負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時的電壓測試數(shù)據(jù)，見表4-4。

表4-1負(fù)載是燈泡時的電流與電壓的測試數(shù)據(jù)

表4-2負(fù)載是燈泡時電壓的測試數(shù)據(jù)

表4-3負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時的電流測試據(jù)

表4-4負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時的電壓測試據(jù)

當(dāng)電路中接入電燈泡時，燈泡正常工作，實(shí)時顯示電壓值、電流值以及電功率曲線，在電腦界面無報(bào)警信息，可以用手機(jī)通過校園網(wǎng)訪問系統(tǒng)，查看用電信息。

當(dāng)電路接入電吹風(fēng)時，系統(tǒng)檢測到此負(fù)載為違規(guī)用電器，在電腦界面彈出報(bào)警框，同時自動斷開電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線，圖4-2為智能用監(jiān)檢測器實(shí)物圖。

圖4-1燈泡電功率變化曲線

圖4-2智能用電檢測器實(shí)物圖

安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型

安科瑞安全用電云平臺介紹

Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏?、設(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透傳指令，并時間顯示實(shí)時狀態(tài)。通過對上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)施排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對用戶的長遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

平臺的整體結(jié)構(gòu)圖

具體功能如下：

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

（2）安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時報(bào)警數(shù)據(jù)等，能實(shí)時顯示現(xiàn)場服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。

（3）手機(jī)APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機(jī)APP對每條報(bào)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）能對各個單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動統(tǒng)計(jì)和分析評估，并隨時展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。

（5）監(jiān)控探測終端產(chǎn)品滿足國家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器》）的要求，并通過國家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。

（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺。

產(chǎn)品選型

（1）漏電火災(zāi)監(jiān)控探測器

（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(jiān)測回路故障電弧的發(fā)生，并及時預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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：

（3）限流式保護(hù)器

安科瑞限流式保護(hù)器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監(jiān)測回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)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(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時監(jiān)測用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

過載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過載且過載持續(xù)時間超過動作時間（3…60秒可設(shè)）時，保護(hù)器啟動限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護(hù)器啟動超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號。

過、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

配電線纜溫度監(jiān)測功能。當(dāng)被監(jiān)測線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值時，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

漏電流監(jiān)測功能。當(dāng)被監(jiān)測的線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值時，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號，可預(yù)先設(shè)置是否啟動限流保護(hù)。

保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（4）剩余電流互感器

（5）AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。

AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報(bào)警，會實(shí)時上傳數(shù)據(jù)。

（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(jiān)控基準(zhǔn)，可以用來監(jiān)測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護(hù)。

結(jié)束語

本文開發(fā)了一種基服務(wù)的智慧校園安全用電監(jiān)測系統(tǒng)，分別從硬件平臺和軟件設(shè)計(jì)兩個部分進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)了電量的檢測和可靠預(yù)警。系統(tǒng)選用樹莓派作為主控制中心，有很高的精度和可靠性，可實(shí)現(xiàn)電器的啟停、電路過載報(bào)警、電量數(shù)據(jù)上傳等功能，UI設(shè)計(jì)安排合理，便于用戶的學(xué)習(xí)和操作。當(dāng)出現(xiàn)安全隱患時，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，同時學(xué)校后勤管理部門與寢室樓層管理人員會收到報(bào)警信息，從而采取相應(yīng)措施，以智能化的方式解決用電的安全隱患。該系統(tǒng)可應(yīng)用于學(xué)校的安全用電管理，滿足學(xué)校后勤部門對校園安全的管理需求。