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张玲玲
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：为了改善高校学生宿舍安全用电、方便辅导员监测和管理学生作息时间，维护校园安全，设计出了基于高校学生宿舍的水电表管理系统。该系统采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物联网应用开发，通过对水电表数据的采集处理传输到服务器端，服务器采用Ｃ＃语言下的ｗｅｂ开发，*后通过移动端ａｐｐ获取采集的数据以及显示。结果表明：所设计的系统给学生带来全方位方便快捷的服务体检，满足学校监管需求，随时了解学生动态并控制用电风险，同时提高了物业及高校教学管理的质量和效率。
关键词：物联网；用电安全；实时监测；数据采集
0引言
随着社会经济的发展及学生公寓的普及，学生宿舍的用电情况发生了巨大变化。科学、合理地管理学生宿舍的用电情况，成为学校后勤管理部门面临的一个十分重要的问题。同时，与学生生活密切相关的水电费用对于学生来说也一直是个空白。而用电管理对学生可靠、安全、节约用电有十分重要的意义。
为了使学生能够实时查看自己所在宿舍每时段水电表使用情况，形成节约环保意识，也为了学校能够更加方便快捷地监测和管理学生作息时间，维护校园安全，顺应信息技术与教学管理深度融合的发展趋势。设计出一款智能化水电表管理系统，采用信息技术、大数据分析以及物联网技术相结合的方式，可有效地对学生进行管理。满足了学校管理部门及学生对学生宿舍的用电管理需求，同时具备监测学生用电状态、远程付费、远程管理用电安全等功能。它是一套软硬件结合，包含下位机数据的采集、服务器端系统软件开发、移动端客户应用开发等功能的系统。
1系统架构设计
1.1系统架构图
本系统自下而上分成3个层次，*底层是具有采集数据功能的水表与电表、数据采集终端；通过校园内局域网把采集到数据传输到服务器层，服务器对数据进行汇总分类；*上层是用户层端，通过Ｉnｔｅｒｎｅｔ把数据传输给每一位用户，可以是ＰＣ端或移动端。
1.2系统构成
本系统有3部分构成：数据计量采集层，通过嵌入式ＡRM采集终端的ＲS485总线采取轮询的方式实时或按时间间隔采集水电表计数据。服务器层：数据服务器。存储各数据终端送过来的数据，具有数据查询和统计结算功能。客户层：包含ＰＣ端ｗeｂ登录及移动端ａｐｐ。可进行分类分项查询、以图形、报表等方式显示数据，同时具有管理控制功能。
（1）数据计量采集层。包含直读式水表、单相预付费电表、数据采集终端，数据终端通过４８５ＭＯＤＢＵＳ协议采取轮询的方式实时或按时间间隔采集表计数据。
（2）服务器层。服务器层由远程抄表系统及数据服务器构成。主要实现存储各数据终端送过来的数据，具有数据查询和统计结算功能。图形化的界面呈现各宿舍水电表使用情况，提供灵活、易用、高性能的可视化分析能力，让数据说话！
（3）客户层。客户层主要是系统的移动端，客户层分为辅导员及学生ａｐｐ端。可根据需求按时段、按宿舍号、按管理宿舍进行分类分项查询、以图形、报表等方式显示，各大功能实现客户的需求。
2系统功能设计与实现
2.1数据计量采集层的实现
数据计量采集层使用嵌入式ＡＲＭ平台通过ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ协议连接直读式水表与单相电子式预付费电表从而实现数据的收集与分析。
数据采集端采用飞思卡尔的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，运行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统，使用Ｃ语言编写的应用程序通过ＲＳ４８５连接线ＭＯＤＢＵＳ协议采取轮询的方式实时或按时间间隔采集表计数据，一个采集终端可连接多个水电计量表。并通过ｕｄｐ网络把数据送到管理层服务器端。
（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux开发平台的搭建。采集终端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，应用程序的开发针对交叉编译器的选择，本文选择跟内核编译一样的编译器，这样做的目的是为了减少编译后程序运行出现问题。首先在宿主机安装交叉编译器，并添加环境变量到Ｐｒｏｆｉｌｅ，这样做的目的是方便应用程序无论放在哪个目录都可以进行编译。
（2）采集程序的编写。采集终端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ设备，在开发平台搭建好后，我们就可以在宿主机使用交叉编译器对编写的程序进行交叉编译，编译好的程序可以直接在采集终端运行。由于程序的主要功能是对ＲＳ４８５总线上的水电表计量设备进行数据的采集。所以程序的编写，本文主要采取以下方式或流程完成。首先创建两个ＲＳ４８５接口，并进行初始化，分别对应水表和电表，其次通过创建水处理线程和电处理线程。水处理线程轮询所有水表，得到水表数据更新存储到数据库并上传到服务器端；电处理线程轮询所有挂载在４８５总线的电表，并获取到当前电量和剩余电量，更新数据库存储并发送到服务器端存储。
（3）采集程序的运行。编译完成可以通过ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登录到采集终端，并通过ｆｔｐ把相关可执行程序传输到采集终端，再运行相应程序。
2.2服务器层的设计与实现
服务器层主要是实现数据的存储，具有数据查询和统计结算功能。本系统是基于ｘ８６平台的Ｗｅｂ开发，采用Ｃ＃语言，基于Ｂ／Ｓ结构（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，浏览器／服务器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服务器，创建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ数据库。用户在任何一台可以上网的电脑或移动端设备打开浏览器，并在浏览器中输入ＩＰ地址就可以登录本系统搭建的服务器界面。
功能模块分解如下：（1）登录界面的设计与实现。“登录”界面用于系统管理员的登录，需输入登录账号、登录密码。用户角色可选系统管理员和普通管理员。添加登录验证主要用于防止外人进入修改数据。（2）实时水电信息界面的设计与实现。用户登录系统后，住户管理栏下有实时水电信息栏，进入后可根据关键字查询信息，并可以修改或添加。有如下信息：房号、户主姓名、电话、当前电表数、剩余电表数和当前水表数等。（3）用水用电一览表。“用水用电一览表”用于对各个宿舍的水电信息、水电费进行统计并以图表形式显示。（4）水价类别设置与电价类别设置界面的设计与实现。“水价类别设置”与“电价类别设置”界面用于对水价与电价类别的设置与修改。（5）区域设置界面的设计与实现。“区域设置”界面用于对各个区域进行浏览，并可以查询与修改。（6）月抄表及查询界面的设计与实现。“月抄表及查询”界面用于对各个宿舍的水电用量、应交水电费和抄表月份进行浏览，同时可根据关键字进行搜索查询。（7）统计抄表情况界面的设计与实现。“统计抄表情况”界面可对各个月份的抄表次数和收费合计进行浏览。
2.3客户层的设计与实现
客户层主要是系统的移动端，客户层分为辅导员及学生ａｐｐ端，如图４所示。
可根据需求按时段、按宿舍号、按管理宿舍进行分类分项查询、以图形、报表等方式显示，各大功能实现客户的需求。采用ＪＡＶＡ语言开发，ＳＱＬｉｔｅ数据库。在Ａｎｄｒｏｉｄ系统的ａｐｐ客户端，在用户注册账号时要设定个体的身份信息，系统将通过注册的账号识别学生、辅导员、管理员身份，自动适配功能模块。
2.3.1辅导员端ＡＰＰ的设计与实现
辅导员端ＡＰＰ实现的功能将通过首页、水电、我的３个主页切换展示，辅导员端的３个主页通过底部导航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的组合来进行实现。
（1）首页界面的设计。广告轮播：轮番展示校园风景。报警信息：提供跳转入口去查看该宿舍在限定水电用量超额时的告警信息，提供给辅导员远程通断控制，点击后可以远程控制该宿舍开关。闲时用量：提供跳转入口去查看设定的闲时时段该宿舍电的使用情况。电用量：通过网络输入流从服务器获取该宿舍当天的用电量，并且显示出来。水用量：通过网络输入流从服务器获取该宿舍当天的用水量，并且显示出来。
（2）水电界面的设计。水电界面的设计主要是方便辅导员实时查看管理宿舍水电用量信息。点击宿舍编号，可以显示选择宿舍的水电量。水电主页中将其所属宿舍当前的水电使用情况分别通过柱型图的方式直观展示出来。
（3）个人中心主要有如下几个功能：（ａ）我的宿舍。展示辅导员本人所管理宿舍号，同时提供宿舍添加和删除功能。（ｂ）闲时设置。提供跳转入口进入设置预期水电用量低的时间段的页面，比如设置晚上１２点至早６点预期用量低时间段，或根据课表设置闲时时段。（ｃ）预警设置。预警管理功能目的是监控所管理宿舍的水电使用量是否超出预期设定值，一旦水电使用量达到超额限定时系统将记录下超额发生的时间点，功率大小及持续时间。按照管理需求，预警可以设定多个，一般情况设置两种类型的预警情况，一个是闲时时段水电用量预警，能及时发现宿舍设备或其他异常情况出现，另外一种是间隔单位时间内用电量预警，目的是识别或记录下大功率电器的使用情况。
2.3.2学生端ＡＰＰ的设计与实现
学生端ＡＰＰ同样采用３个功能将通过首页、水电、我的３个主页切换展示，学生端的３个主页同样通过底部导航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的组合来进行实现。
其中首页主要记录学生所在宿舍当前月份水电用量信息，水电页面通过柱型图的方式直观展示水电使用情况，查看方式可以设置按月，周，日进行查看。
当选择按月展示时：通过网络输入流从服务器取出该宿舍当月每天的用电用水量，并且通过柱形图来进行展示，即界面将呈现３０个单位柱图展示１个月内３０天水电用量变化情况。
当选择按周展示时：通过网络输入流从服务器取出该宿舍当周每天的用电用水量，并且通过柱形图来进行展示，即界面将呈现７个单位柱图展示１周内７天水电用量变化情况。
当选择按日展示时：通过网络输入流从服务器取出该宿舍每天每小时的用电用水量，并且通过柱形图来进行展示，即界面将呈现２４个单位柱图展示一天内２４小时水电用量变化情况。
我的主页主要有充值缴费和余量提醒两个功能，学生可以通过充值缴费功能进行远程缴费充值，设置余量提醒功能和设置提醒值。
3 AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台
3.1平台概述
AcrelEMS-EDU校园综合能效管理解决方案针对校园能源统计、后勤计费管理、校园运维管理等提供高校的信息化管理平台。从“源、网、荷、储、充”多个角度解析高校当下及未来的用能问题及用能需求，在统一的需求下“实现能源互补、信息互通”等管理模式。助力学校管理智能化、数字化、综合化，实现节能校园、绿色校园、低碳校园。
3.2平台组成
AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台采用开放的分层分布式网络结构，主要由设备层、传输层、数据层、应用层组成。平台融合电力监控、电能统计、电气安全、电能质量分析及治理、智能照明控制、预付费等功能，用户通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对企业用电进行进行集中监控、统一调度、统一运维，同时满足企业用电可靠、安全、节约、高效、有序的要求。
3.3平台架构
图1安科瑞高校综合能效管理方案架构拓扑
4高校综合能效解决方案4.1校园电力监控与运维
集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。
4.2后勤计费管理
采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。
4.2.1宿舍用电管理
针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；
可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录；
4.2.2商铺水电收费
针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理
4.2.3充电桩管理平台
充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。
4.2.4智能照明管理
通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。
4.3能源管理系统
针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。
按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。
构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。
4.4智慧消防系统
智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机****、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。
5平台部署硬件选型
5.2后勤计费管理
5.2.1宿舍/商业预付费平台
应用场景 | 型号 | 图 片 | 保护功能 |
预付费云平台 | AcrelCloud-3200 |
| 系统为B/S架构，主要包括前端管理网站和后台集抄服务，配合公司的预付费电表DDSY1352和DTSY1352系列以及多用户计量箱ADF300L系列，实现电能计量和电费管理等功能。另外可以选配远传阀控水表组成水电一体预付费系统，达到先交费后用水的目的，剩余水量用完自动关阀。 |
智能数据采集 | Anet系列 |
| 8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多中心不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。 |
ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,*多可扩展16路。 | |
ABox5000 |
| 多路RS485接口，能对多种终端设备进行数据采集 支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据提供6路DC12/24V电压输出接口支持4级遥测越限告警，遥信变位告警功能支持断点续传功能，实时检测，防止数据丢失 | |
计量及预付费仪表 | DDSY1352-Z |
| ·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·预付费功能：可设置欠费蔬闸功能，除欠用电功能 ·恶性负数识别，作息时间 ·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约 ·具有CPA证书 |
DTSY1352-Z |
| .全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·不平衡度、2-31次请波测量 .数据冻结功能 ·高精度0.5S级电能计量 ·预付费功能 ·恶性负载识别，作息时间管理 ·RS-485通讯接口，MODBUS或DL／T645规约 ·具有CPA证书、发明专利证书 | |
ADW300 |
| 支持多种通讯方式：支持RS-485，NB-loT、LoRa、WIFI及4G通讯 支持多种规格外置开口式互感器，方便改造项目接线 支持多路DUDO、温度、漏电监测 ·具有电能质量分析和需量统计功能 ·具有CPA证书 | |
DDSY1352-xDM |
| 一进多出，可实现宿舍照明，插座、空调，卫生间等用电分路计量和控制 ·谐波1％（2-42），2％（43-63） ·全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ABox5000数据融合终端 ·预付费功能：基础用电下发 ·支持网口通过ModbusTcp协议采集其它系统或设备转发的数据 多路RS485撞口，能对多种终瑞设备进行数据采集 ·恶性负载识别：阻性负载识别、相位插座识别、夜间小功率载跳闸记录 ·提供6路DC12／24V电压输出接口 ·作息时间管理 | |
ADF40系列 |
| 支持12路三相或36路单相组合计量，可单三相混用，直接接入与互感器接入混用： 全电参量测量：U、1、P、Q、S、PF ·高精度0.5S级电能计量 ·预付费功能 ·恶性负载识别，作息时间管理 | |
LXSY系列 |
| ·预付费功能∶∶先买水后用水，欠费 关闯 远传功能支持总线通讯和物联网 通讯 双显功能电子显示和机械字轮显 示 阀门自动维护、IP68防防护ENC测试达到国家标准、克服环境 电磁干扰影响，稳定性强 | |
中压产品 | AM系列综合保护装置 |
| 具有级强的数据处理，逻辑造算和信息存储能力，可为35kY及以下电压等级的进线，馈线、变压器，高压电动机，高压电容器等对象提供过负荷、低电压、过电压、热过载、非电量等保护功能，防止事故扩大，降低高价值设备损坏的风险。 |
APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压／电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动／闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G,16D0+22D1,通讯 2RS485+1RS232+1GPS,3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口，支持U盘读取数据，支持61850协议。 | |
高端智能仪表及用电安全监控装置 | APM系列 |
| 全电量测量，四象限电能，复费率电能，仪表内部温度测量，总有功、总无功、总视在电能脉冲输出、秒脉冲等可选。三相电流、有功功率、无功功率、视在功率实时需量及*大需量(包含时间戳)。电流、线电压、相电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、电流总谐波、电压总谐波的本月极值和上月极值(包含时间戳)。中文显示，有功电能0.2s级。通讯方式：RS485，Prifibus-DP、以太网 |
AEM系列 |
| 三相电力参数测量、电压和电流的相角、四象限电能计量、复费率、*大需量、历史电能统计、开关量事件记录、历史极值记录、31次分次谐波及总谐波含量分析、分相谐波及基波电参量（电压、电流、功率）、开关量、报警输出 通讯方式：RS485接口，支持Modbus-RTU协议 | |
ARCM系列 |
| ARCM系列电气火灾探测器可对配电回路的剩余电流、导线温度等火灾危险参数实施监控和管理，集成度高，体积小巧，安装方便，防范因泄漏电流而导致的电气火灾. |
6结束语
阐述了高校学生宿舍水电表管理系统的技术理论和实现过程。通过搭建数据采集系统、ＰＣ端数据管理系统以及移动端的数据显示人机交互ＡＰＰ。实现将水电表数据采集到统计和结算以及呈现给移动端ＡＰＰ。系统是基于物联网的远程能源管理，扩展到对学生进行安全管理。该系统在技术层面上可作为物联网远程抄表的案例开发技术，还可实现高校学生生活及学习行为的数据挖掘，提高教学管理质量，具有很高的创新性和应用价值。
【参考文献】
【1】王锋，金晶.高校学生宿舍水电表管理系统设计与实现.海南工商职业学院，海口571100.
【2】展巍.基于物联网的多表合一智能抄表发展研究[Ｄ].北京:邮电大学，2018．
【3】胡江溢，祝恩国，杜新纲，等.用电信息采集系统应用现状及发展趋势[J].电力系统自动化.2014(2).
【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.
【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
作者简介：王晓昭，女，本科，安科瑞电气股份有限公司，工程师， 技术交流：021-69156559
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