浅谈高校学生宿舍插座群用电管理系统的设计与应用_物联网_Zigbee

浅谈高校学生宿舍插座群用电管理系统的设计与应用

2020/10/10 16:26:34

虞杨芳
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，使宿舍存在着极大的安全隐患。
       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。