摘要：設計了一種基于無線網絡的用電管理系統(tǒng)，主要包括現場控制柜、售電處與管理軟件、數據服務器，網關節(jié)點等。通過在控制柜上安裝RS485接口與電表連接，采集電表數據，然后通過無線網絡將電表數據發(fā)送給網關，終上傳給數據服務器。實現了節(jié)能辦的管理系統(tǒng)通過校園網訪問任意的現場操作站，從而可以對某塊電表進行遠程設置，并讀取電表的實時數據，同時學生可以通過網絡查詢宿舍用電量，重點介紹控制柜與網關的軟硬件設計。

關鍵詞：無線傳輸；用電管理系統(tǒng)；網關；控制柜節(jié)點

0引言

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

為了減少這種問題發(fā)生的幾率，許多學校推廣和使用了預付費電表。這種電表是讓學生的用電量在超出了*范圍之后，對于超出的部分要自行買單，這在很大程度上提高了學生的節(jié)能意識，并且在電表中增加了對電流和惡性負載的控制，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)?；诖耍疚脑O計了1套基于無線網絡的用電管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有實時性、安全性、易管理性等特點。

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)能辦通過內部網絡將數據上傳到數據服務器，通過服務代理從物理上與外網隔離。售電終端對數據進行加密之后通過互聯(lián)網上傳給數據服務器，以確保數據的安全性。節(jié)點作為網關的無線網卡接收現場控制柜發(fā)送來的數據，然后上傳給數據服務器[2]。宿舍管理員在網絡故障的時候可以通過現場控制柜完成必需的操作。學生可以在網上通過瀏覽器查詢本宿舍用電明細。

1.1現場控制柜

現場控制柜是保證正常供電的核心，因此，現場控制柜的長期、穩(wěn)定的運行對系統(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、實時性高?？刂乒駜劝惭b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端口傳輸數據，采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質，總線型連接。每個控制柜可以采集30塊電表的數據，傳輸速率設定為4800bps。同時通過無線網絡和數據連接?？刂乒裼布O計如圖2所示。

1.2網關與節(jié)點

網關與節(jié)點的主要工作是在接收到控制柜節(jié)點發(fā)來的數據時，將數據轉換成與互聯(lián)網數據包格式相同的數據包上傳給數據服務器存儲；在接收到客戶端發(fā)來的命令時，執(zhí)行相應的工作。網關與控制柜節(jié)點之間的結構如圖3所示。

在圖3中，HTTPClient代表客戶端，可以是學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、修改宿舍電量的客戶端。HTTP/CoAP代表網關，網關的功能是執(zhí)行協(xié)議間的轉換。網關與控制柜節(jié)點之間使用星形網絡拓撲結構。將節(jié)點作為協(xié)調器，只存在協(xié)調器與控制柜節(jié)點之間的通信，控制柜節(jié)點相互之間的通信通過協(xié)調器轉發(fā)。

網關采用ARM7處理器，網關與Internet的連接通過以太網口，與控制柜的連接通過無線。硬件結構如圖4所示。

2系統(tǒng)軟件組成

該系統(tǒng)的軟件由4部分組成，分別是數據管理軟件、售電軟件、現場控制柜軟件和基于IEEE802.15.4無線網絡的網絡協(xié)議棧。

2.1現場控制柜

本系統(tǒng)使用了嵌入式Linux系統(tǒng)(embeddedLinux),嵌入式操作系統(tǒng)負責嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度工作，控制并協(xié)調并發(fā)活動，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。經過內核裁剪，將系統(tǒng)移植到開發(fā)板上，不需要硬盤作為存儲介質，也不需要鍵盤、鼠標等外設。

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

表1控制柜和電表交互數表

控制柜節(jié)點與網關的數據傳輸是通過無線?？刂乒窆?jié)點協(xié)議棧的軟件組成如圖5所示。

應用層的CoAP協(xié)議是適用于受限設備的協(xié)議，它可以說是HTTP協(xié)議的1個子集，CoAP協(xié)議所構造的數據包小的只有2個字節(jié)，非常適合低功耗的無線傳輸需求[4];在傳輸層，由于不需要保證數據包的準確性，所以采用了UDP協(xié)議；為了滿足控制柜節(jié)點對地址的需求，在本設計中為每1個控制柜節(jié)點配備1個IPv6地址；但是由于802.15.4傳輸的數據長度有限，為了提高傳輸效率，在物理層與IP層之間加入壓縮IPv6數據包的6LoWPAN層，在這1層使用LoWPAN_IPHC算法對IPv6數據包進行壓縮[5-]?？刂乒竦臒o線接收發(fā)送數據包的軟件流程如圖6所示。

控制柜在接收到CoAP請求之后，首先對請求進行解析，得到數據包中的option項內容，從而根據option來查找所請求的資源。如果找到，則構造回復數據包，將資源放入payload項，送給UDP/IPv6層。否則發(fā)送錯誤信息數據包給UDP/IPv6層。在UDP/IPv6層，數據包被添加上目的地址等信息送給6LoWPAN層。在6LoWPAN層通過LoWPAN_IPHC算法對數據包進行壓縮，根據IPv6地址與MAC地址的關聯(lián)對地址進行壓縮，并有條件的省略掉流控制等多余的項，從而降低數據包的大小來達到提高了傳輸效率的目的[8-10]。

2.2網關

網關上運行Linux系統(tǒng)，將節(jié)點作為無線網卡連接到網關。網關協(xié)議棧的軟件結構如圖7所示。

由于客戶端使用HTTP協(xié)議，而控制柜節(jié)點使用CoAP協(xié)議，所以網關的主要功能是協(xié)議的轉換，其軟件流程如圖8所示。

網關在接收到HTTP客戶端的請求之后，首先對數據包進行解析，根據CoAP與HTTP的對應關系判斷能否轉換成CoAP數據包。如果不可以，則發(fā)送錯誤報告給客戶端。轉換后的數據包由socket接口傳送給MAC層，然后通過無線發(fā)送，并打開計時器。如果在定時器溢出之內收到回復，則解析回復數據包，并轉換成HTTP格式，返回給客戶端。否則回復“超時”的數據包給客戶端。

3智能水、電表的管理

3.1系統(tǒng)管理平臺

IOT智能水電表管理系統(tǒng)是通過IOTP(InternetOpenTradingProtocol，網絡開放貿易協(xié)議)來讀取水、電表定時上報的電量信息，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)后臺管理界面如圖3所示。

系統(tǒng)后臺可以實時監(jiān)測每個接入商戶的即時賬戶余額、合同有效期、費率、*，以及各商戶名下的水電表安裝位置、各自用量等信息。為了簡化結算流程，本文設計將水電表的用量以商戶為單位進行匯總統(tǒng)-結算。

3.2商戶費用查詢及繳納

商戶余額查詢：商戶可以登陸web頁面或者通過學校微信服務號綁定其一卡通賬號，實現線上自助查詢。一卡通管理平臺通過調用用電管理系統(tǒng)的“查詢商戶信息”接口，返回商戶的基礎信息，調用“電費充值”接口返回商戶的卡號、充值金額、*序列號等狀態(tài)信息。接口示例如圖4所示。

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

商戶費用繳納：商戶在學校微信服務號上，首先綁定為其開設的校園一卡通賬號，對校園卡進行充值，然后使用校園卡余額對水電費進行自助繳納，充值頁面同步顯示當前賬戶余額。充值繳費頁面如圖6所示。

4系統(tǒng)測試和運行

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

目前這套IOT智能水電表管理系統(tǒng)已在校內具體實施數月有余，運行良好。從學校后勤、財務等管理部門和使用商戶的反饋來看，此次將物聯(lián)網技術應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

5.1平臺概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統(tǒng)計、后勤計費管理、校園運維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網、荷、儲、充”多個角度解析高校當下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實現能源互補、信息互通”等管理模式。助力學校管理智能化、數字化、綜合化，實現節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

5.2平臺組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網絡結構，主要由設備層、傳輸層、數據層、應用層組成。平臺融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計、電氣安全、電能質量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)用電進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調度、統(tǒng)一運維，同時滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。

5.3平臺架構

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構拓撲

6高校綜合能效解決方案

6.1校園電力監(jiān)控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運行，集中調控，集中監(jiān)控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

6.2后勤計費管理

采用的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統(tǒng)計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識。

6.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發(fā)基礎用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，檢測違規(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

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理

6.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充”信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

6.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監(jiān)測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節(jié)，以及定時控制方案靈活設置，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)

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統(tǒng)計分析，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行采集和統(tǒng)計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節(jié)能監(jiān)管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統(tǒng)性的能耗審計報告，能夠監(jiān)測能耗設備的運行狀態(tài)，設置控制策略，達到節(jié)能目的。

6.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監(jiān)控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態(tài)進行智能化感知、識別、定位，實時動態(tài)采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監(jiān)管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動，在統(tǒng)一的系統(tǒng)大平臺內運行，用戶、安保人員、監(jiān)管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節(jié)隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、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相關人員。

7結束語

本文重點介紹了控制柜與網關的軟硬件設計。經過調試，該系統(tǒng)實現了對1臺控制柜的操作，具有實時性、易操作性等優(yōu)點。而對于群體的控制以及前端界面的顯示還有待進一步研究。

本文對遠程控制水表、煤氣表系統(tǒng)的設計也具有指導意義。對本系統(tǒng)稍加改進，就可以用于水表、煤氣表等計量儀表的遠程操作，具有廣闊的應用前途。

【參考文獻】

【1】田擁軍，趙光強.基于ZigBee的智能用電管理系統(tǒng)設計[J].中國儀器儀表.

【2】郭培.無線傳感器網絡以太網接人網關的研究與實現[D].北京：北京交通大學.

【3】張少虎.基于ZigBee的自動抄表系統(tǒng)的設計[D].西安：西安科技大學.

【4】孫偉，王建平.無線傳感器網絡MAC層傳輸性能模型研究[J].電子測量與儀器學報.

【5】程杰，薛俏，邵芬紅.基于無線網絡的學生宿舍用電管理系統(tǒng)設計

【6】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【7】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

翟雪玲，女，現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。