摘要：為了改善高校學(xué)生宿舍安全用電、方便輔導(dǎo)員監(jiān)測和管理學(xué)生作息時間，維護校園安全，設(shè)計出了基于高校學(xué)生宿舍的水電表管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，通過對水電表數(shù)據(jù)的采集處理傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器采用Ｃ＃語言下的ｗｅｂ開發(fā)，*后通過移動端ａｐｐ獲取采集的數(shù)據(jù)以及顯示。結(jié)果表明：所設(shè)計的系統(tǒng)給學(xué)生帶來方便快捷的服務(wù)體檢，滿足學(xué)校監(jiān)管需求，隨時了解學(xué)生動態(tài)并控制用電風(fēng)險，同時提高了物業(yè)及高校教學(xué)管理的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；用電安全；實時監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

0引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展及學(xué)生公寓的普及，學(xué)生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化。科學(xué)、合理地管理學(xué)生宿舍的用電情況，成為學(xué)校后勤管理部門面臨的一個十分重要的問題。同時，與學(xué)生生活密切相關(guān)的水電費用對于學(xué)生來說也一直是個空白。而用電管理對學(xué)生可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。

為了使學(xué)生能夠?qū)崟r查看自己所在宿舍每時段水電表使用情況，形成節(jié)約環(huán)保意識，也為了學(xué)校能夠更加方便快捷地監(jiān)測和管理學(xué)生作息時間，維護校園安全，順應(yīng)信息技術(shù)與教學(xué)管理深度融合的發(fā)展趨勢。設(shè)計出一款智能化水電表管理系統(tǒng)，采用信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，可有效地對學(xué)生進行管理。滿足了學(xué)校管理部門及學(xué)生對學(xué)生宿舍的用電管理需求，同時具備監(jiān)測學(xué)生用電狀態(tài)、遠程付費、遠程管理用電安全等功能。它是一套軟硬件結(jié)合，包含下位機數(shù)據(jù)的采集、服務(wù)器端系統(tǒng)軟件開發(fā)、移動端客戶應(yīng)用開發(fā)等功能的系統(tǒng)。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1系統(tǒng)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)自下而上分成3個層次，*底層是具有采集數(shù)據(jù)功能的水表與電表、數(shù)據(jù)采集終端；通過校園內(nèi)局域網(wǎng)把采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器層，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行匯總分類；*上層是用戶層端，通過Ｉnｔｅｒｎｅｔ把數(shù)據(jù)傳輸給每一位用戶，可以是ＰＣ端或移動端。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)有3部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)計量采集層，通過嵌入式ＡRM采集終端的ＲS485總線采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集水電表計數(shù)據(jù)。服務(wù)器層：數(shù)據(jù)服務(wù)器。存儲各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能?？蛻魧樱喊校枚耍鱡ｂ登錄及移動端ａｐｐ?？蛇M行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示數(shù)據(jù)，同時具有管理控制功能。

（1）數(shù)據(jù)計量采集層。包含直讀式水表、單相預(yù)付費電表、數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)終端通過４８５ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)器層。服務(wù)器層由遠程抄表系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。主要實現(xiàn)存儲各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能。圖形化的界面呈現(xiàn)各宿舍水電表使用情況，提供靈活、易用、高性能的可視化分析能力，讓數(shù)據(jù)說話！　　

（3）客戶層。客戶層主要是系統(tǒng)的移動端，客戶層分為輔導(dǎo)員及學(xué)生ａｐｐ端。可根據(jù)需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現(xiàn)客戶的需求。

2系統(tǒng)功能設(shè)計與實現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)計量采集層的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)計量采集層使用嵌入式ＡＲＭ平臺通過ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議連接直讀式水表與單相電子式預(yù)付費電表從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與分析。

數(shù)據(jù)采集端采用飛思卡爾的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，運行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)，使用Ｃ語言編寫的應(yīng)用程序通過ＲＳ４８５連接線ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數(shù)據(jù)，一個采集終端可連接多個水電計量表。并通過ｕｄｐ網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)送到管理層服務(wù)器端。

（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux開發(fā)平臺的搭建。采集終端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，應(yīng)用程序的開發(fā)針對交叉編譯器的選擇，本文選擇跟內(nèi)核編譯一樣的編譯器，這樣做的目的是為了減少編譯后程序運行出現(xiàn)問題。首先在宿主機安裝交叉編譯器，并添加環(huán)境變量到Ｐｒｏｆｉｌｅ，這樣做的目的是方便應(yīng)用程序無論放在哪個目錄都可以進行編譯。

（2）采集程序的編寫。采集終端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ設(shè)備，在開發(fā)平臺搭建好后，我們就可以在宿主機使用交叉編譯器對編寫的程序進行交叉編譯，編譯好的程序可以直接在采集終端運行。由于程序的主要功能是對ＲＳ４８５總線上的水電表計量設(shè)備進行數(shù)據(jù)的采集。所以程序的編寫，本文主要采取以下方式或流程完成。首先創(chuàng)建兩個ＲＳ４８５接口，并進行初始化，分別對應(yīng)水表和電表，其次通過創(chuàng)建水處理線程和電處理線程。水處理線程輪詢所有水表，得到水表數(shù)據(jù)更新存儲到數(shù)據(jù)庫并上傳到服務(wù)器端；電處理線程輪詢所有掛載在４８５總線的電表，并獲取到當(dāng)前電量和剩余電量，更新數(shù)據(jù)庫存儲并發(fā)送到服務(wù)器端存儲。

（3）采集程序的運行。編譯完成可以通過ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登錄到采集終端，并通過ｆｔｐ把相關(guān)可執(zhí)行程序傳輸?shù)讲杉K端，再運行相應(yīng)程序。

2.2服務(wù)器層的設(shè)計與實現(xiàn)

服務(wù)器層主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結(jié)算功能。本系統(tǒng)是基于ｘ８６平臺的Ｗｅｂ開發(fā)，采用Ｃ＃語言，基于Ｂ／Ｓ結(jié)構(gòu)（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，瀏覽器／服務(wù)器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服務(wù)器，創(chuàng)建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ數(shù)據(jù)庫。用戶在任何一臺可以上網(wǎng)的電腦或移動端設(shè)備打開瀏覽器，并在瀏覽器中輸入ＩＰ地址就可以登錄本系統(tǒng)搭建的服務(wù)器界面。

功能模塊分解如下：（1）登錄界面的設(shè)計與實現(xiàn)。“登錄"界面用于系統(tǒng)管理員的登錄，需輸入登錄賬號、登錄密碼。用戶角色可選系統(tǒng)管理員和普通管理員。添加登錄驗證主要用于防止外人進入修改數(shù)據(jù)。（2）實時水電信息界面的設(shè)計與實現(xiàn)。用戶登錄系統(tǒng)后，住戶管理欄下有實時水電信息欄，進入后可根據(jù)關(guān)鍵字查詢信息，并可以修改或添加。有如下信息：房號、戶主姓名、電話、當(dāng)前電表數(shù)、剩余電表數(shù)和當(dāng)前水表數(shù)等。（3）用水用電一覽表。“用水用電一覽表"用于對各個宿舍的水電信息、水電費進行統(tǒng)計并以圖表形式顯示。（4）水價類別設(shè)置與電價類別設(shè)置界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！八畠r類別設(shè)置"與“電價類別設(shè)置"界面用于對水價與電價類別的設(shè)置與修改。（5）區(qū)域設(shè)置界面的設(shè)計與實現(xiàn)。“區(qū)域設(shè)置"界面用于對各個區(qū)域進行瀏覽，并可以查詢與修改。（6）月抄表及查詢界面的設(shè)計與實現(xiàn)?！霸鲁砑安樵?界面用于對各個宿舍的水電用量、應(yīng)交水電費和抄表月份進行瀏覽，同時可根據(jù)關(guān)鍵字進行搜索查詢。（7）統(tǒng)計抄表情況界面的設(shè)計與實現(xiàn)。“統(tǒng)計抄表情況"界面可對各個月份的抄表次數(shù)和收費合計進行瀏覽。

2.3客戶層的設(shè)計與實現(xiàn)

客戶層主要是系統(tǒng)的移動端，客戶層分為輔導(dǎo)員及學(xué)生ａｐｐ端，如圖４所示。

可根據(jù)需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現(xiàn)客戶的需求。采用ＪＡＶＡ語言開發(fā)，ＳＱＬｉｔｅ數(shù)據(jù)庫。在Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)的ａｐｐ客戶端，在用戶注冊賬號時要設(shè)定個體的身份信息，系統(tǒng)將通過注冊的賬號識別學(xué)生、輔導(dǎo)員、管理員身份，自動適配功能模塊。

2.3.1輔導(dǎo)員端ＡＰＰ的設(shè)計與實現(xiàn)

輔導(dǎo)員端ＡＰＰ實現(xiàn)的功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，輔導(dǎo)員端的３個主頁通過底部導(dǎo)航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現(xiàn)。

（1）首頁界面的設(shè)計。廣告輪播：輪番展示校園風(fēng)景。報警信息：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看該宿舍在限定水電用量超額時的告警信息，提供給輔導(dǎo)員遠程通斷控制，點擊后可以遠程控制該宿舍開關(guān)。閑時用量：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看設(shè)定的閑時時段該宿舍電的使用情況。電用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當(dāng)天的用電量，并且顯示出來。水用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當(dāng)天的用水量，并且顯示出來。

（2）水電界面的設(shè)計。水電界面的設(shè)計主要是方便輔導(dǎo)員實時查看管理宿舍水電用量信息。點擊宿舍編號，可以顯示選擇宿舍的水電量。水電主頁中將其所屬宿舍當(dāng)前的水電使用情況分別通過柱型圖的方式直觀展示出來。

（3）個人中心主要有如下幾個功能：（ａ）我的宿舍。展示輔導(dǎo)員本人所管理宿舍號，同時提供宿舍添加和刪除功能。（ｂ）閑時設(shè)置。提供跳轉(zhuǎn)入口進入設(shè)置預(yù)期水電用量低的時間段的頁面，比如設(shè)置晚上１２點至早６點預(yù)期用量低時間段，或根據(jù)課表設(shè)置閑時時段。（ｃ）預(yù)警設(shè)置。預(yù)警管理功能目的是監(jiān)控所管理宿舍的水電使用量是否超出預(yù)期設(shè)定值，一旦水電使用量達到超額限定時系統(tǒng)將記錄下超額發(fā)生的時間點，功率大小及持續(xù)時間。按照管理需求，預(yù)警可以設(shè)定多個，一般情況設(shè)置兩種類型的預(yù)警情況，一個是閑時時段水電用量預(yù)警，能及時發(fā)現(xiàn)宿舍設(shè)備或其他異常情況出現(xiàn)，另外一種是間隔單位時間內(nèi)用電量預(yù)警，目的是識別或記錄下大功率電器的使用情況。

2.3.2學(xué)生端ＡＰＰ的設(shè)計與實現(xiàn)

學(xué)生端ＡＰＰ同樣采用３個功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，學(xué)生端的３個主頁同樣通過底部導(dǎo)航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現(xiàn)。

其中首頁主要記錄學(xué)生所在宿舍當(dāng)前月份水電用量信息，水電頁面通過柱型圖的方式直觀展示水電使用情況，查看方式可以設(shè)置按月，周，日進行查看。

當(dāng)選擇按月展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當(dāng)月每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)３０個單位柱圖展示１個月內(nèi)３０天水電用量變化情況。

當(dāng)選擇按周展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當(dāng)周每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)７個單位柱圖展示１周內(nèi)７天水電用量變化情況。

當(dāng)選擇按日展示時：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍每天每小時的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現(xiàn)２４個單位柱圖展示一天內(nèi)２４小時水電用量變化情況。

我的主頁主要有充值繳費和余量提醒兩個功能，學(xué)生可以通過充值繳費功能進行遠程充值，設(shè)置余量提醒功能和設(shè)置提醒值。

3 AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺

3.1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(wǎng)、荷、儲、充"多個角度解析高校當(dāng)下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實現(xiàn)能源互補、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，實現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

3.2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(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。平臺融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預(yù)付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，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(diào)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。

3.3平臺架構(gòu)

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構(gòu)拓撲

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運維

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

4.2后勤計費管理

采用先進的網(wǎng)絡(luò)抄表付費管理技術(shù)，實現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計費，實現(xiàn)遠程抄表、費率設(shè)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(shè)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。

4.2.1宿舍用電管理

針對學(xué)生宿舍用電進行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)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；

4.2.2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(yù)付費管理

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結(jié)構(gòu)。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中一部分。

4.2.4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(xiàn)校園內(nèi)任一線路，任一個路燈的定時開關(guān)、強制開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)，以及定時控制方案靈活設(shè)置，確保路燈照明的智能控制和高效節(jié)能。

4.3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(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，能自動完成能耗數(shù)據(jù)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(shè)備的運行狀態(tài)，設(shè)置控制策略，達到節(jié)能目的。

4.4智慧消防系統(tǒng)

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，將分散的火災(zāi)自動報警設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設(shè)備連接形成網(wǎng)絡(luò)，并對這些設(shè)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(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。實現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實現(xiàn)智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統(tǒng)化"需求。從火災(zāi)預(yù)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(nèi)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(shè)備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現(xiàn)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(nèi)，相關(guān)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(guān)人員。

結(jié)束語

闡述了高校學(xué)生宿舍水電表管理系統(tǒng)的技術(shù)理論和實現(xiàn)過程。通過搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、ＰＣ端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及移動端的數(shù)據(jù)顯示人機交互ＡＰＰ。實現(xiàn)將水電表數(shù)據(jù)采集到統(tǒng)計和結(jié)算以及呈現(xiàn)給移動端ＡＰＰ。系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程能源管理，擴展到對學(xué)生進行安全管理。該系統(tǒng)在技術(shù)層面上可作為物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表的案例開發(fā)技術(shù)，還可實現(xiàn)高校學(xué)生生活及學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)挖掘，提高教學(xué)管理質(zhì)量，具有很高的創(chuàng)新性和應(yīng)用價值。

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