摘要：設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的用電管理系統(tǒng)，主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制柜、售電處與管理軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等。通過在控制柜上安裝RS485接口與電表連接，采集電表數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將電表數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，終上傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)了節(jié)能辦的管理系統(tǒng)通過校園網(wǎng)訪問任意的現(xiàn)場(chǎng)操作站，從而可以對(duì)某塊電表進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，并讀取電表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢宿舍用電量，重點(diǎn)介紹控制柜與網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無線傳輸；用電管理系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)；控制柜節(jié)點(diǎn)

0引言

在目前的高校用電管理工作中，如何建立學(xué)生的主動(dòng)節(jié)能意識(shí)和如何確保學(xué)生的用電安全是2個(gè)不容忽視的問題。

為了減少這種問題發(fā)生的幾率，許多學(xué)校推廣和使用了預(yù)付費(fèi)電表。這種電表是讓學(xué)生的用電量在超出了*范圍之后，對(duì)于超出的部分要自行買單，這在很大程度上提高了學(xué)生的節(jié)能意識(shí)，并且在電表中增加了對(duì)電流和惡性負(fù)載的控制，可以有效地避免由于不安全用電引發(fā)的事故。

但是目前在高校中，并沒有形成一整套完整的用電管理系統(tǒng)?；诖?，本文設(shè)計(jì)了1套基于無線網(wǎng)絡(luò)的用電管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、安全性、易管理性等特點(diǎn)。

1系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。從圖1中可以看出，節(jié)能辦通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)代理從物理上與外網(wǎng)隔離。售電終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密之后通過互聯(lián)網(wǎng)上傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器，以確保數(shù)據(jù)的安全性。節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)的無線網(wǎng)卡接收現(xiàn)場(chǎng)控制柜發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后上傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器[2]。宿舍管理員在網(wǎng)絡(luò)故障的時(shí)候可以通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜完成必需的操作。學(xué)生可以在網(wǎng)上通過瀏覽器查詢本宿舍用電明細(xì)。

1.1現(xiàn)場(chǎng)控制柜

現(xiàn)場(chǎng)控制柜是保證正常供電的核心，因此，現(xiàn)場(chǎng)控制柜的長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的正常工作有著決定性的意義。

本系統(tǒng)中控制柜安裝在宿舍樓。硬件采用ARM7處理器，它體積小、集成度高、實(shí)時(shí)性高?？刂乒駜?nèi)安裝了嵌人式硬件，配有觸摸鍵盤和液晶顯示單元，電表和控制柜之間通過RS485端口傳輸數(shù)據(jù)，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，總線型連接。每個(gè)控制柜可以采集30塊電表的數(shù)據(jù)，傳輸速率設(shè)定為4800bps。同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)連接?？刂乒裼布O(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)的主要工作是在接收到控制柜節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式相同的數(shù)據(jù)包上傳給數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)；在接收到客戶端發(fā)來的命令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的工作。網(wǎng)關(guān)與控制柜節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在圖3中，HTTPClient代表客戶端，可以是學(xué)生在宿舍查詢用電量使用的瀏覽器，也可以是節(jié)能辦人員統(tǒng)計(jì)、修改宿舍電量的客戶端。HTTP/CoAP代表網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)的功能是執(zhí)行協(xié)議間的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)關(guān)與控制柜節(jié)點(diǎn)之間使用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，只存在協(xié)調(diào)器與控制柜節(jié)點(diǎn)之間的通信，控制柜節(jié)點(diǎn)相互之間的通信通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)關(guān)采用ARM7處理器，網(wǎng)關(guān)與Internet的連接通過以太網(wǎng)口，與控制柜的連接通過無線。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2系統(tǒng)軟件組成

該系統(tǒng)的軟件由4部分組成，分別是數(shù)據(jù)管理軟件、售電軟件、現(xiàn)場(chǎng)控制柜軟件和基于IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2.1現(xiàn)場(chǎng)控制柜

本系統(tǒng)使用了嵌入式Linux系統(tǒng)(embeddedLinux),嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制并協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。經(jīng)過內(nèi)核裁剪，將系統(tǒng)移植到開發(fā)板上，不需要硬盤作為存儲(chǔ)介質(zhì)，也不需要鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)。

控制柜節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集和發(fā)送電表數(shù)據(jù)?？刂乒窈碗姳碇g的數(shù)據(jù)傳輸通過RS485接口，數(shù)據(jù)傳輸遵循電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T645—1997645多功能電能表通信規(guī)約》(Multi-functionwatt-hourmetercommunicationprotocol)。與電表交互的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1控制柜和電表交互數(shù)表

控制柜節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸是通過無線?？刂乒窆?jié)點(diǎn)協(xié)議棧的軟件組成如圖5所示。

應(yīng)用層的CoAP協(xié)議是適用于受限設(shè)備的協(xié)議，它可以說是HTTP協(xié)議的1個(gè)子集，CoAP協(xié)議所構(gòu)造的數(shù)據(jù)包小的只有2個(gè)字節(jié)，非常適合低功耗的無線傳輸需求[4];在傳輸層，由于不需要保證數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確性，所以采用了UDP協(xié)議；為了滿足控制柜節(jié)點(diǎn)對(duì)地址的需求，在本設(shè)計(jì)中為每1個(gè)控制柜節(jié)點(diǎn)配備1個(gè)IPv6地址；但是由于802.15.4傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度有限，為了提高傳輸效率，在物理層與IP層之間加入壓縮IPv6數(shù)據(jù)包的6LoWPAN層，在這1層使用LoWPAN_IPHC算法對(duì)IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮[5-]。控制柜的無線接收發(fā)送數(shù)據(jù)包的軟件流程如圖6所示。

控制柜在接收到CoAP請(qǐng)求之后，首先對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行解析，得到數(shù)據(jù)包中的option項(xiàng)內(nèi)容，從而根據(jù)option來查找所請(qǐng)求的資源。如果找到，則構(gòu)造回復(fù)數(shù)據(jù)包，將資源放入payload項(xiàng)，送給UDP/IPv6層。否則發(fā)送錯(cuò)誤信息數(shù)據(jù)包給UDP/IPv6層。在UDP/IPv6層，數(shù)據(jù)包被添加上目的地址等信息送給6LoWPAN層。在6LoWPAN層通過LoWPAN_IPHC算法對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行壓縮，根據(jù)IPv6地址與MAC地址的關(guān)聯(lián)對(duì)地址進(jìn)行壓縮，并有條件的省略掉流控制等多余的項(xiàng)，從而降低數(shù)據(jù)包的大小來達(dá)到提高了傳輸效率的目的[8-10]。

2.2網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行Linux系統(tǒng)，將節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)卡連接到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧的軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

由于客戶端使用HTTP協(xié)議，而控制柜節(jié)點(diǎn)使用CoAP協(xié)議，所以網(wǎng)關(guān)的主要功能是協(xié)議的轉(zhuǎn)換，其軟件流程如圖8所示。

網(wǎng)關(guān)在接收到HTTP客戶端的請(qǐng)求之后，首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，根據(jù)CoAP與HTTP的對(duì)應(yīng)關(guān)系判斷能否轉(zhuǎn)換成CoAP數(shù)據(jù)包。如果不可以，則發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告給客戶端。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包由socket接口傳送給MAC層，然后通過無線發(fā)送，并打開計(jì)時(shí)器。如果在定時(shí)器溢出之內(nèi)收到回復(fù)，則解析回復(fù)數(shù)據(jù)包，并轉(zhuǎn)換成HTTP格式，返回給客戶端。否則回復(fù)“超時(shí)”的數(shù)據(jù)包給客戶端。

3智能水、電表的管理

3.1系統(tǒng)管理平臺(tái)

IOT智能水電表管理系統(tǒng)是通過IOTP(InternetOpenTradingProtocol，網(wǎng)絡(luò)開放貿(mào)易協(xié)議)來讀取水、電表定時(shí)上報(bào)的電量信息，向電表發(fā)送合閘/拉閘的命令，返回其狀態(tài)值。

智能水、電表系統(tǒng)后臺(tái)管理界面如圖3所示。

系統(tǒng)后臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)接入商戶的即時(shí)賬戶余額、合同有效期、費(fèi)率、*，以及各商戶名下的水電表安裝位置、各自用量等信息。為了簡(jiǎn)化結(jié)算流程，本文設(shè)計(jì)將水電表的用量以商戶為單位進(jìn)行匯總統(tǒng)-結(jié)算。

3.2商戶費(fèi)用查詢及繳納

商戶余額查詢：商戶可以登陸web頁面或者通過學(xué)校微信服務(wù)號(hào)綁定其一卡通賬號(hào)，實(shí)現(xiàn)線上自助查詢。一卡通管理平臺(tái)通過調(diào)用用電管理系統(tǒng)的“查詢商戶信息”接口，返回商戶的基礎(chǔ)信息，調(diào)用“電費(fèi)充值”接口返回商戶的卡號(hào)、充值金額、*序列號(hào)等狀態(tài)信息。接口示例如圖4所示。

通過Web管理后臺(tái)，商戶可自行查詢名下所有設(shè)施的用水、電總量單項(xiàng)設(shè)施的即時(shí)用量及狀態(tài)，也可以通過繳費(fèi)清單查詢繳費(fèi)記錄，如圖5所示。

商戶費(fèi)用繳納：商戶在學(xué)校微信服務(wù)號(hào)上，首先綁定為其開設(shè)的校園一卡通賬號(hào)，對(duì)校園卡進(jìn)行充值，然后使用校園卡余額對(duì)水電費(fèi)進(jìn)行自助繳納，充值頁面同步顯示當(dāng)前賬戶余額。充值繳費(fèi)頁面如圖6所示。

4系統(tǒng)測(cè)試和運(yùn)行

為了檢測(cè)系統(tǒng)是否滿足功能需求、商戶管理和使用過程中各環(huán)節(jié)是否運(yùn)行通暢，測(cè)試期建立了測(cè)試商戶來模擬商戶使用，并在試運(yùn)行期間完善了一些細(xì)節(jié)性問題如：商戶線上充值頁面增加“當(dāng)前賬戶余額”展示，方便商戶查詢賬戶即時(shí)信息；將單個(gè)商戶下所有水電表的用量匯總實(shí)行統(tǒng)一結(jié)算，簡(jiǎn)化結(jié)算流程；同時(shí)隨著商家的不斷入駐，在信號(hào)盲區(qū)增加基站進(jìn)行補(bǔ)盲覆蓋。

目前這套IOT智能水電表管理系統(tǒng)已在校內(nèi)具體實(shí)施數(shù)月有余，運(yùn)行良好。從學(xué)校后勤、財(cái)務(wù)等管理部門和使用商戶的反饋來看，此次將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到校園智慧管理的初步嘗試較為成功。

5AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)

5.1平臺(tái)概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對(duì)校園能源統(tǒng)計(jì)、后勤計(jì)費(fèi)管理、校園運(yùn)維管理等提供高校的信息化管理平臺(tái)。從“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”多個(gè)角度解析高校當(dāng)下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)、信息互通”等管理模式。助力學(xué)校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

5.2平臺(tái)組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)采用開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層組成。平臺(tái)融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計(jì)、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預(yù)付費(fèi)等功能，用戶通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)企業(yè)用電進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維，同時(shí)滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。

5.3平臺(tái)架構(gòu)

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構(gòu)拓?fù)?/p>

6高校綜合能效解決方案

6.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

6.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

6.2.1宿舍用電管理

針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；

可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄；

6.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理

6.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。

6.2.4智能照明管理

通過對(duì)高校路燈的全局監(jiān)測(cè)，提供對(duì)路燈靈活智能的管理，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開關(guān)、強(qiáng)制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時(shí)控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

6.3能源管理系統(tǒng)

針對(duì)校園水、電、氣等各類接入能源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包含同比分析、環(huán)比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進(jìn)行采集和統(tǒng)計(jì)的各類建筑耗電數(shù)據(jù)。如辦公類建筑耗電、教學(xué)類建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對(duì)數(shù)據(jù)分門別類的分析，提供領(lǐng)導(dǎo)決策，提高管理效能。

構(gòu)建符合校園節(jié)能監(jiān)管內(nèi)容及要求的數(shù)據(jù)庫(kù)，能自動(dòng)完成能耗數(shù)據(jù)的采集工作，自動(dòng)生成各種形式的報(bào)表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計(jì)報(bào)告，能夠監(jiān)測(cè)能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達(dá)到節(jié)能目的。

6.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測(cè)器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)這些設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識(shí)別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢(shì)分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災(zāi)預(yù)防，到火情報(bào)警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺(tái)內(nèi)運(yùn)行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺(tái)直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設(shè)備和傳感器的運(yùn)行狀況，并能夠在出現(xiàn)細(xì)節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內(nèi)，相關(guān)報(bào)警和事件信息通過手機(jī)短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達(dá)相關(guān)人員。

7結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了控制柜與網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。經(jīng)過調(diào)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)1臺(tái)控制柜的操作，具有實(shí)時(shí)性、易操作性等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于群體的控制以及前端界面的顯示還有待進(jìn)一步研究。

本文對(duì)遠(yuǎn)程控制水表、煤氣表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也具有指導(dǎo)意義。對(duì)本系統(tǒng)稍加改進(jìn)，就可以用于水表、煤氣表等計(jì)量?jī)x表的遠(yuǎn)程操作，具有廣闊的應(yīng)用前途。

【參考文獻(xiàn)】

【1】田擁軍，趙光強(qiáng).基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表.

【2】郭培.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)接人網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué).

【3】張少虎.基于ZigBee的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué).

【4】孫偉，王建平.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層傳輸性能模型研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào).

【5】程杰，薛俏，邵芬紅.基于無線網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生宿舍用電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【6】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【7】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

翟雪玲，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發(fā)展。