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    淺談高校學生宿舍插座群用電管理系統的設計與應用

    發布時間: 2020-10-17  點擊次數: 179次

    摘要:本文設計了一個基于物聯網的學生宿舍插座群用電安全監控系統,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,監控安全用電情況, 當監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;安全監控

    1 引言
           物聯網是新一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一個巨大網絡。Zigbee是一種新興的短距離、低功耗、低數據傳輸速率的無線網絡技術?;赯igbee 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,這也造成了一定的安全用電隱患,使得校園火災時有發生,給學生的生命財產安全造成了很大的威脅。
           校園火災發生的罪魁禍首大多數是違章電器。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。
           本文設計了一個基于Zigbee的學生宿舍插座群用電安全監控系統,可對學生宿舍的每個插座的用電情況進行安全監測,任何一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 系統網絡結構
           基于物聯網的學生宿舍插座群用電安全監控系統,采用單片機控制系統和無線收發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控。監控系統分為主機節點和插座群節點 , 插座群節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點;主機節點循環監測接收到的插座群節點的用電情況,當監測到某插座存在使用違章電器現象時,發出報警信號,并通過無線模塊發出相應的控制命令給對應的插座節點,在插座端執行控制操作,切斷相應插座的供電電源,保證用電安全。
           插座群節點由多個插座節點構成,分布于學生宿舍的各個插座接口:主機節點放在宿舍管理終控室,系統的網絡結構,如圖 1 所示:

     

    圖 1 系統的網絡結構


           主機節點與插座節點通過Zigbee 網絡通信技術共同組成無線傳感器網絡(WSN)。插座節點采集插座的用電電量,發送到主機節點,主機節點根據接收到的電量數據,研判用電安全狀況,發送插座通斷控制信號,相應的插座節點接收到信號后,控制插座的通斷電。

    3 主機節點
           主機節點通過Zigbee協調器與插座群各節點進行無線通信。
    3.1 主機節點硬件
           待機時,主機節點顯示實時時間,當監測到有插座節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,同時向該插座節點發送控制命令,使插座斷電。問題解決后 , 可以手動控制主機節點發送命令,控制該插座通電。主機節點的硬件結構框圖如圖 2 所示。

     

    圖 2 主機節點硬件結構框圖


           主機節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,產生系統時間;手動控制模塊用于系統實時時間的設置與調節,查看各插座節點的實時用電數據,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點的電量情況,及顯示具有安全隱患的插座節點編號及過載狀態提示;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,與插座群節點實現無線通信。
           主機節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 主機節點軟件

     

    圖 3 主機節點軟件流程圖


           主機節點軟件主要完成Zigbee協調器啟動和配置Zigbee網絡,實現與插座節點間的無線通信功能。主機節點的軟件流程如圖3所示。
           無線通信功能。主機節點的軟件流程如圖3所示。
           系統上電后,首先進行系統初始化,并建立Zigbee網絡;再搜索并添加插座節點,分配并保存加入Zigbee網絡的插座地址;然后監聽信道中有無插座節點發送的電量數據,有數據時,匹配插座節點地址,進行數據接收;進行數據處理,有數據超限時,發送插座斷電控制命令道相應的插座節點,同時送出插座節點的安全隱患提示信息送到顯示模塊中,并報警提示。

    4 插座節點
           插座節點是由Zigbee射頻控制器及傳感器構成的Zigbee終端節點,與主機節點的 Zigbee協調器共同組成WSN。
    4.1 插座節點硬件
           插座節點實現插座的用電電量采集,發送到主機節點,主機節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,主機節點發送插座斷電信號,相應的插座節點接收到信號后,控制插座斷開;當隱患消除,主機節點發送插座通電信號,控制插座接通。
           插座節點的硬件結構框圖如圖4所示:

     

    圖 4 插座節點硬件結構框圖


           插座節點控制器采用Zigbee射頻芯片CC2430,外接天線等接口,與主機節點進行無線通信;由于CC2430構成的Zigbee終端節點功耗很低,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 插座節點軟件
           插座節點完成Zigbee終端加入由Zigbee協調器建立的Zigbee網絡 , 實現與主機節點間的無線通信功能。插座節點的軟件流程如圖5所示。
           插座節點上電后,首先進行初始化;再搜索Zigbee網絡并向Zigbee協調器發送聯網請求;加入Zigbee網絡后,定期讀取電量采集模塊的數據,發送到主機節點;如果存在電量數據超限的安全隱患時,接收主機節點發送的插座通斷控制信號。

     

    圖 5 插座節點軟件流程圖

    5 安科瑞宿舍用電管理系統及選型
    5.1系統方案
      高校宿舍作為一個特殊應用場合,在傳統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,某一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,傳統的后付費方式已無法滿足校方需求,收費管理可與校園一卡通對接,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、基礎電費下發等適合學校規范管理的功能。
      人性化的方案設計,可實現單一宿舍內的多個支路的獨立控制,讓學生可獲得高質量的宿舍生活提供了支持。
      惡性負載控制(如卷發棒、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系統功能
      AcrelCloud-3100學生宿舍版預付費云平臺是與ADM130(一進三出)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。針對高校宿舍這一特殊應用場合研發,主要實現電能監控、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:系統支持對宿舍進行批量設置,批量初始化、批量下發基礎電量、批量設置負控、批量設置時控等,方便學校進行統一管理。

     

    惡性負載自動識別控制:對不允許使用的發熱電器(如電爐、熱得快、電熱杯等)實施自動識別控制,發現這些發熱電器自動斷電。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的免費輔助電費,覆蓋式下發,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 。

     

    對接一卡通支付:系統支持中間庫,接口等方式對接學校一卡通,方便學生自助購電 。
    一進三出: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一卡通、學校公眾號進行自助充值。
    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:可對任意一塊電表執行遠程拉閘或保電等一系列遠程控制操作,方便管理。
    5.4系統設備選型

     


    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,需要對一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。目已經在學校大規模使用,經一年多的應用,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控系統設計探討[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的設計與應用.
    [3]安科瑞高校宿舍預付費電控系統2019.11版. 

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