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浅谈高校学生宿舍插座群用电管理系统的设计与应用

时间:2020-10-15 点击次数:47

周颖
安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要:本文设计了一个基于物联网的学生宿舍插座群用电安全监控系统,采用Zigbee网络通信技术构建无线传感器网络(WSN),对学生宿舍每个插座进行电量采集,监控安全用电情况, 当监控到学生在宿舍使用违章电器等安全隐患,及时切断相应插座的供电电源,保证用电安全。

关键词:物联网 ;Zigbee;WSN;电量采集;安全监控

1 引言
       物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术。基于Zigbee 技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小、传输可靠、低功耗等制场合,常用于物联网智能测控系统中。
       随着生活水平的不断提高,学生宿舍用电设备越来越多,这也造成了一定的安全用电隐患,使得校园火灾时有发生,给学生的生命财产安全造成了很大的威胁。
       校园火灾发生的罪魁祸首大多数是违章电器。比如:由于违章使用大功率电器造成线路的短路;使用热得快、热水壶等电器时临时离开而至使水烧干后点燃外壳造成火灾等。而学生为了贪图方便,使得各学校学生宿舍的违章电器的现象屡禁不止。各高校尽管对使用违章电器的查处都很严格,但学生常常与学生管理人员玩“捉迷藏”,使用违章电器后就收藏起来,当辅导员查宿舍时往往不能当场查到,使宿舍存在着的安全隐患。
       因此,从根本上杜绝违章电器的使用,保障每个学生的生命财产安全,成为高校学生宿舍安全管理亟待解决的问题。
       本文设计了一个基于Zigbee的学生宿舍插座群用电安全监控系统,可对学生宿舍的每个插座的用电情况进行安全监测,任何一个插座上使用违章电器,都会在宿舍电控室进行声光报警 , 并及时切断使用违章电器的插座电源,既保证了学生的生命财产安全,又使管理员掌握使用违章电器的宿舍及插座,对使用学生进行批评教育,学生认识到错误后,管理员再给插座供电,可有效杜绝违章电器的再次使用。

2 系统网络结构
       基于物联网的学生宿舍插座群用电安全监控系统,采用单片机控制系统和无线收发器件构成无线传感器网络,采用Zigbee网络通信技术,实现对学生宿舍插座群的安全监控。监控系统分为主机节点和插座群节点 , 插座群节点测量每个插座的用电信息,并将采集的电压、电流等参量通过无线通信模块传送给主机节点;主机节点循环监测接收到的插座群节点的用电情况,当监测到某插座存在使用违章电器现象时,发出报警信号,并通过无线模块发出相应的控制命令给对应的插座节点,在插座端执行控制操作,切断相应插座的供电电源,保证用电安全。
       插座群节点由多个插座节点构成,分布于学生宿舍的各个插座接口:主机节点放在宿舍管理终控室,系统的网络结构,如图 1 所示:

图 1 系统的网络结构

       主机节点与插座节点通过Zigbee 网络通信技术共同组成无线传感器网络(WSN)。插座节点采集插座的用电电量,发送到主机节点,主机节点根据接收到的电量数据,研判用电安全状况,发送插座通断控制信号,相应的插座节点接收到信号后,控制插座的通断电。

3 主机节点
       主机节点通过Zigbee协调器与插座群各节点进行无线通信。
3.1 主机节点硬件
       待机时,主机节点显示实时时间,当监测到有插座节点使用大功率电器等危及用电安全情况时,报警并显示问题插座宿舍编号,同时向该插座节点发送控制命令,使插座断电。问题解决后 , 可以手动控制主机节点发送命令,控制该插座通电。主机节点的硬件结构框图如图 2 所示。

图 2 主机节点硬件结构框图

       主机节点控制器采用宏晶公司的STC12C5A60S2单片机,控制和协调各模块的工作; 时钟模块采用DS1302时钟芯片,产生系统时间;手动控制模块用于系统实时时间的设置与调节,查看各插座节点的实时用电数据,及存在安全隐患的插座断电后的通电控制,显示模块采用自带汉字库的 FYD12864 液晶显示芯片,可以根据需要显示手动控制模块所选定的插座节点的电量情况,及显示具有安全隐患的插座节点编号及过载状态提示;Zigbee协调器采用 Chipcon公司的专用于IEEE 802.15.4和Zigbee协议通信的CC2430芯片,与插座群节点实现无线通信。
       主机节点增加以太网控制器DP83848C和RJ45接口,可以实现与远程上位机的网络通信。
3.2 主机节点软件

图 3 主机节点软件流程图

       主机节点软件主要完成Zigbee协调器启动和配置Zigbee网络,实现与插座节点间的无线通信功能。主机节点的软件流程如图3所示。
       无线通信功能。主机节点的软件流程如图3所示。
       系统上电后,首先进行系统初始化,并建立Zigbee网络;再搜索并添加插座节点,分配并保存加入Zigbee网络的插座地址;然后监听信道中有无插座节点发送的电量数据,有数据时,匹配插座节点地址,进行数据接收;进行数据处理,有数据超限时,发送插座断电控制命令道相应的插座节点,同时送出插座节点的安全隐患提示信息送到显示模块中,并报警提示。

4 插座节点
       插座节点是由Zigbee射频控制器及传感器构成的Zigbee终端节点,与主机节点的 Zigbee协调器共同组成WSN。
4.1 插座节点硬件
       插座节点实现插座的用电电量采集,发送到主机节点,主机节点根据接收到的电量数据,判断用电安全状况,当存在安全隐患时,主机节点发送插座断电信号,相应的插座节点接收到信号后,控制插座断开;当隐患消除,主机节点发送插座通电信号,控制插座接通。
       插座节点的硬件结构框图如图4所示:

图 4 插座节点硬件结构框图

       插座节点控制器采用Zigbee射频芯片CC2430,外接天线等接口,与主机节点进行无线通信;由于CC2430构成的Zigbee终端节点功耗很低,电源采用3.3V的纽扣电池供电;电量采集模块含有测量用电插座电量的电流、电压互感器、信号调理电路和A/D转换电路;通断控制模块采用继电器控制电路,根据插座节点接收到的插座通断控制信号,控制插座的通断。
4.2 插座节点软件
       插座节点完成Zigbee终端加入由Zigbee协调器建立的Zigbee网络 , 实现与主机节点间的无线通信功能。插座节点的软件流程如图5所示。
       插座节点上电后,首先进行初始化;再搜索Zigbee网络并向Zigbee协调器发送联网请求;加入Zigbee网络后,定期读取电量采集模块的数据,发送到主机节点;如果存在电量数据超限的安全隐患时,接收主机节点发送的插座通断控制信号。

图 5 插座节点软件流程图

5 安科瑞宿舍用电管理系统及选型
5.1系统方案
  高校宿舍作为一个特殊应用场合,在传统的电能管理需求的基础上有着与其他应用场合所不同的要求,强调的是用电控制管理,如宿舍的时间管理(按时熄灯、按时送电,某一些设备如空调不能纳入熄灯范围)、恶性负载控制、基础电量设置等。系统建设的意义:
  方便学校对宿舍的用电收费,学生群体众多,传统的后付费方式已无法满足校方需求,收费管理可与校园一卡通对接,学生可以自助缴费。
  通过技术手段加强对宿舍的用电管理,可实现时间定时控制、恶性负载检测、基础电费下发等适合学校规范管理的功能。
  人性化的方案设计,可实现单一宿舍内的多个支路的独立控制,让学生可获得更高质量的宿舍生活提供了支持。
  恶性负载控制(如卷发棒、电吹风、电炉、热得快、电热杯等实施自动识别控制)、夜间小功率设置、移相插座识别、负载学习功能(白名单)。
5.2系统结构
  AcrelCloud-3100整合高校需求,在原有预付费基础上增加了宿舍电能管理所需的各种功能,解决了高校宿舍电能管理问题。

5.3系统功能
       AcrelCloud-3100学生宿舍版预付费云平台是与ADM130(一进三出)或ADF300L(多回路计量箱)预付费电能表配套的云平台。它是以电能管理网站和集中抄表软件为主,包括服务器,通讯管理机在内的集成系统。针对高校宿舍这一特殊应用场合研发,主要实现电能监控、时间管理、恶性负载管理、预付费管理等在高校宿舍中存在的特殊需求。

      批量操作:系统支持对宿舍进行批量设置,批量初始化、批量下发基础电量、批量设置负控、批量设置时控等,方便学校进行统一管理。

      恶性负载自动识别控制:对不允许使用的发热电器(如电炉、热得快、电热杯等)实施自动识别控制,发现这些发热电器自动断电。恶性负载暂停时间和次数可通过软件设定。 

       基础电费:可以设置每月给学生下发的免费辅助电费,覆盖式下发,不累计。
       时间控制功能:支持8个时段设置宿舍供电断电,方便管理学生宿舍作息 。

       对接一卡通支付:系统支持中间库,接口等方式对接学校一卡通,方便学生自助购电 。
       一进三出:ADM130电表支持三回路输出,各回路单独分合闸、恶性负载、时控等设置。

       远程售电:操作员可以通过后台给宿舍进行电费充值,学生也可以通过学习一卡通、学校公众号进行自助充值。
       远程集中抄表:抄表信息通过网关实时上传到云平台,快速便捷,免去人工抄表 。
       远程控制:可对任意一块电表执行远程拉闸或保电等一系列远程控制操作,方便管理。
5.4系统设备选型


6 结束语
  针对当前高校学生公寓的用电特点及其亟待解决的安全问题,需要对一些恶性负载进行限制,以保障用电安全,同时为了便于公寓的用电管理,我们引进了学生公寓用电安全管理系统。目前已经在学校大规模使用,经一年多的应用,不仅达到了安全用电的目的,还降低了电工和后期管理人员的成本。

【参考文献】
[1]李忠.物联网技术的智能家居远程无线监控系统设计探讨[J].电子测试.2017(9):68-69.
[2]吴翠娟.基于高校学生宿舍插座群用电管理系统的设计与应用.
[3]安科瑞高校宿舍预付费电控系统2019.11版. 

作者简介:周颖 女 现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要从事宿舍智能用电管理解决方案的研究与应用。

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