摘要：為了改善高校學(xué)生宿舍安全用電、方便輔導員監測和管理學(xué)生作息時(shí)間，維護校園安全，設計出了基于高校學(xué)生宿舍的水電表管理系統。該系統采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)，通過(guò)對水電表數據的采集處理傳輸到服務(wù)器端，服務(wù)器采用Ｃ＃語(yǔ)言下的ｗｅｂ開(kāi)發(fā)，*后通過(guò)移動(dòng)端ａｐｐ獲取采集的數據以及顯示。結果表明：所設計的系統給學(xué)生帶來(lái)方便快捷的服務(wù)體檢，滿(mǎn)足學(xué)校監管需求，隨時(shí)了解學(xué)生動(dòng)態(tài)并控制用電風(fēng)險，同時(shí)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(shí)時(shí)監測；數據采集

0引言

隨著(zhù)社會(huì )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?？茖W(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(mén)面臨的一個(gè)十分重要的問(wèn)題。同時(shí)，與學(xué)生生活密切相關(guān)的水電費用對于學(xué)生來(lái)說(shuō)也一直是個(gè)空白。而用電管理對學(xué)生可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。

為了使學(xué)生能夠實(shí)時(shí)查看自己所在宿舍每時(shí)段水電表使用情況，形成節約環(huán)保意識，也為了學(xué)校能夠更加方便快捷地監測和管理學(xué)生作息時(shí)間，維護校園安全，順應信息技術(shù)與教學(xué)管理深度融合的發(fā)展趨勢。設計出一款智能化水電表管理系統，采用信息技術(shù)、大數據分析以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結合的方式，可有效地對學(xué)生進(jìn)行管理。滿(mǎn)足了學(xué)校管理部門(mén)及學(xué)生對學(xué)生宿舍的用電管理需求，同時(shí)具備監測學(xué)生用電狀態(tài)、遠程付費、遠程管理用電安全等功能。它是一套軟硬件結合，包含下位機數據的采集、服務(wù)器端系統軟件開(kāi)發(fā)、移動(dòng)端客戶(hù)應用開(kāi)發(fā)等功能的系統。

1系統架構設計

1.1系統架構圖

本系統自下而上分成3個(gè)層次，*底層是具有采集數據功能的水表與電表、數據采集終端；通過(guò)校園內局域網(wǎng)把采集到數據傳輸到服務(wù)器層，服務(wù)器對數據進(jìn)行匯總分類(lèi)；*上層是用戶(hù)層端，通過(guò)Ｉnｔｅｒｎｅｔ把數據傳輸給每一位用戶(hù)，可以是ＰＣ端或移動(dòng)端。

1.2系統構成

本系統有3部分構成：數據計量采集層，通過(guò)嵌入式ＡRM采集終端的ＲS485總線(xiàn)采取輪詢(xún)的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集水電表計數據。服務(wù)器層：數據服務(wù)器。存儲各數據終端送過(guò)來(lái)的數據，具有數據查詢(xún)和統計結算功能?？蛻?hù)層：包含ＰＣ端ｗeｂ登錄及移動(dòng)端ａｐｐ?？蛇M(jìn)行分類(lèi)分項查詢(xún)、以圖形、報表等方式顯示數據，同時(shí)具有管理控制功能。

（1）數據計量采集層。包含直讀式水表、單相預付費電表、數據采集終端，數據終端通過(guò)４８５ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢(xún)的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集表計數據。

（2）服務(wù)器層。服務(wù)器層由遠程抄表系統及數據服務(wù)器構成。主要實(shí)現存儲各數據終端送過(guò)來(lái)的數據，具有數據查詢(xún)和統計結算功能。圖形化的界面呈現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，讓數據說(shuō)話(huà)！　　

（3）客戶(hù)層?？蛻?hù)層主要是系統的移動(dòng)端，客戶(hù)層分為輔導員及學(xué)生ａｐｐ端?？筛鶕枨蟀磿r(shí)段、按宿舍號、按管理宿舍進(jìn)行分類(lèi)分項查詢(xún)、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實(shí)現客戶(hù)的需求。

2系統功能設計與實(shí)現

2.1數據計量采集層的實(shí)現

數據計量采集層使用嵌入式ＡＲＭ平臺通過(guò)ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議連接直讀式水表與單相電子式預付費電表從而實(shí)現數據的收集與分析。

數據采集端采用飛思卡爾的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，運行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統，使用Ｃ語(yǔ)言編寫(xiě)的應用程序通過(guò)ＲＳ４８５連接線(xiàn)ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢(xún)的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集表計數據，一個(gè)采集終端可連接多個(gè)水電計量表。并通過(guò)ｕｄｐ網(wǎng)絡(luò )把數據送到管理層服務(wù)器端。

（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺的搭建。采集終端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，應用程序的開(kāi)發(fā)針對交叉編譯器的選擇，本文選擇跟內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問(wèn)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用程序無(wú)論放在哪個(gè)目錄都可以進(jìn)行編譯。

（2）采集程序的編寫(xiě)。采集終端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ設備，在開(kāi)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(xiě)的程序進(jìn)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(xiàn)上的水電表計量設備進(jìn)行數據的采集。所以程序的編寫(xiě)，本文主要采取以下方式或流程完成。首先創(chuàng )建兩個(gè)ＲＳ４８５接口，并進(jìn)行初始化，分別對應水表和電表，其次通過(guò)創(chuàng )建水處理線(xiàn)程和電處理線(xiàn)程。水處理線(xiàn)程輪詢(xún)所有水表，得到水表數據更新存儲到數據庫并上傳到服務(wù)器端；電處理線(xiàn)程輪詢(xún)所有掛載在４８５總線(xiàn)的電表，并獲取到當前電量和剩余電量，更新數據庫存儲并發(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(guò)ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登錄到采集終端，并通過(guò)ｆｔｐ把相關(guān)可執行程序傳輸到采集終端，再運行相應程序。

2.2服務(wù)器層的設計與實(shí)現

服務(wù)器層主要是實(shí)現數據的存儲，具有數據查詢(xún)和統計結算功能。本系統是基于ｘ８６平臺的Ｗｅｂ開(kāi)發(fā)，采用Ｃ＃語(yǔ)言，基于Ｂ／Ｓ結構（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，瀏覽器／服務(wù)器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服務(wù)器，創(chuàng )建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ數據庫。用戶(hù)在任何一臺可以上網(wǎng)的電腦或移動(dòng)端設備打開(kāi)瀏覽器，并在瀏覽器中輸入ＩＰ地址就可以登錄本系統搭建的服務(wù)器界面。

功能模塊分解如下：（1）登錄界面的設計與實(shí)現?！暗卿?界面用于系統管理員的登錄，需輸入登錄賬號、登錄密碼。用戶(hù)角色可選系統管理員和普通管理員。添加登錄驗證主要用于防止外人進(jìn)入修改數據。（2）實(shí)時(shí)水電信息界面的設計與實(shí)現。用戶(hù)登錄系統后，住戶(hù)管理欄下有實(shí)時(shí)水電信息欄，進(jìn)入后可根據關(guān)鍵字查詢(xún)信息，并可以修改或添加。有如下信息：房號、戶(hù)主姓名、電話(huà)、當前電表數、剩余電表數和當前水表數等。（3）用水用電一覽表?！坝盟秒娨挥[表"用于對各個(gè)宿舍的水電信息、水電費進(jìn)行統計并以圖表形式顯示。（4）水價(jià)類(lèi)別設置與電價(jià)類(lèi)別設置界面的設計與實(shí)現?！八畠r(jià)類(lèi)別設置"與“電價(jià)類(lèi)別設置"界面用于對水價(jià)與電價(jià)類(lèi)別的設置與修改。（5）區域設置界面的設計與實(shí)現?！皡^域設置"界面用于對各個(gè)區域進(jìn)行瀏覽，并可以查詢(xún)與修改。（6）月抄表及查詢(xún)界面的設計與實(shí)現?！霸鲁砑安樵?xún)"界面用于對各個(gè)宿舍的水電用量、應交水電費和抄表月份進(jìn)行瀏覽，同時(shí)可根據關(guān)鍵字進(jìn)行搜索查詢(xún)。（7）統計抄表情況界面的設計與實(shí)現?！敖y計抄表情況"界面可對各個(gè)月份的抄表次數和收費合計進(jìn)行瀏覽。

2.3客戶(hù)層的設計與實(shí)現

客戶(hù)層主要是系統的移動(dòng)端，客戶(hù)層分為輔導員及學(xué)生ａｐｐ端，如圖４所示。

可根據需求按時(shí)段、按宿舍號、按管理宿舍進(jìn)行分類(lèi)分項查詢(xún)、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實(shí)現客戶(hù)的需求。采用ＪＡＶＡ語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，ＳＱＬｉｔｅ數據庫。在Ａｎｄｒｏｉｄ系統的ａｐｐ客戶(hù)端，在用戶(hù)注冊賬號時(shí)要設定個(gè)體的身份信息，系統將通過(guò)注冊的賬號識別學(xué)生、輔導員、管理員身份，自動(dòng)適配功能模塊。

2.3.1輔導員端ＡＰＰ的設計與實(shí)現

輔導員端ＡＰＰ實(shí)現的功能將通過(guò)首頁(yè)、水電、我的３個(gè)主頁(yè)切換展示，輔導員端的３個(gè)主頁(yè)通過(guò)底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來(lái)進(jìn)行實(shí)現。

（1）首頁(yè)界面的設計。廣告輪播：輪番展示校園風(fēng)景。報警信息：提供跳轉入口去查看該宿舍在限定水電用量超額時(shí)的告警信息，提供給輔導員遠程通斷控制，點(diǎn)擊后可以遠程控制該宿舍開(kāi)關(guān)。閑時(shí)用量：提供跳轉入口去查看設定的閑時(shí)時(shí)段該宿舍電的使用情況。電用量：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當天的用電量，并且顯示出來(lái)。水用量：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當天的用水量，并且顯示出來(lái)。

（2）水電界面的設計。水電界面的設計主要是方便輔導員實(shí)時(shí)查看管理宿舍水電用量信息。點(diǎn)擊宿舍編號，可以顯示選擇宿舍的水電量。水電主頁(yè)中將其所屬宿舍當前的水電使用情況分別通過(guò)柱型圖的方式直觀(guān)展示出來(lái)。

（3）個(gè)人中心主要有如下幾個(gè)功能：（ａ）我的宿舍。展示輔導員本人所管理宿舍號，同時(shí)提供宿舍添加和刪除功能。（ｂ）閑時(shí)設置。提供跳轉入口進(jìn)入設置預期水電用量低的時(shí)間段的頁(yè)面，比如設置晚上１２點(diǎn)至早６點(diǎn)預期用量低時(shí)間段，或根據課表設置閑時(shí)時(shí)段。（ｃ）預警設置。預警管理功能目的是監控所管理宿舍的水電使用量是否超出預期設定值，一旦水電使用量達到超額限定時(shí)系統將記錄下超額發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，功率大小及持續時(shí)間。按照管理需求，預警可以設定多個(gè)，一般情況設置兩種類(lèi)型的預警情況，一個(gè)是閑時(shí)時(shí)段水電用量預警，能及時(shí)發(fā)現宿舍設備或其他異常情況出現，另外一種是間隔單位時(shí)間內用電量預警，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的設計與實(shí)現

學(xué)生端ＡＰＰ同樣采用３個(gè)功能將通過(guò)首頁(yè)、水電、我的３個(gè)主頁(yè)切換展示，學(xué)生端的３個(gè)主頁(yè)同樣通過(guò)底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來(lái)進(jìn)行實(shí)現。

其中首頁(yè)主要記錄學(xué)生所在宿舍當前月份水電用量信息，水電頁(yè)面通過(guò)柱型圖的方式直觀(guān)展示水電使用情況，查看方式可以設置按月，周，日進(jìn)行查看。

當選擇按月展示時(shí)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當月每天的用電用水量，并且通過(guò)柱形圖來(lái)進(jìn)行展示，即界面將呈現３０個(gè)單位柱圖展示１個(gè)月內３０天水電用量變化情況。

當選擇按周展示時(shí)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當周每天的用電用水量，并且通過(guò)柱形圖來(lái)進(jìn)行展示，即界面將呈現７個(gè)單位柱圖展示１周內７天水電用量變化情況。

當選擇按日展示時(shí)：通過(guò)網(wǎng)絡(luò )輸入流從服務(wù)器取出該宿舍每天每小時(shí)的用電用水量，并且通過(guò)柱形圖來(lái)進(jìn)行展示，即界面將呈現２４個(gè)單位柱圖展示一天內２４小時(shí)水電用量變化情況。

我的主頁(yè)主要有充值繳費和余量提醒兩個(gè)功能，學(xué)生可以通過(guò)充值繳費功能進(jìn)行遠程充值，設置余量提醒功能和設置提醒值。

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(gè)角度解析高校當下及未來(lái)的用能問(wèn)題及用能需求，在統一的需求下“實(shí)現能源互補、信息互通"等管理模式。助力學(xué)校管理智能化、數字化、綜合化，實(shí)現節能校園、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(kāi)放的分層分布式網(wǎng)絡(luò )結構，主要由設備層、傳輸層、數據層、應用層組成。平臺融合電力監控、電能統計、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對企業(yè)用電進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一調度、統一運維，同時(shí)滿(mǎn)足企業(yè)用電可靠、安全、節約、高效、有序的要求。

3.3平臺架構

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構拓撲

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

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，集中監控，數字化巡檢，移動(dòng)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(jìn)的網(wǎng)絡(luò )抄表付費管理技術(shù)，實(shí)現電、水、氣等能源綜合計費，實(shí)現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，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(guò)能源付費管理方式，培養用能群體和部門(mén)的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

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

可進(jìn)行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄；

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(gè)體的水電用能進(jìn)行預付費管理

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲、充"信息能源結構。充電樁應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(guò)對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實(shí)現校園內任一線(xiàn)路，任一個(gè)路燈的定時(shí)開(kāi)關(guān)、強制開(kāi)關(guān)、亮度調節，以及定時(shí)控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

4.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類(lèi)接入能源進(jìn)行統計分析，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(lèi)進(jìn)行采集和統計的各類(lèi)建筑耗電數據。如辦公類(lèi)建筑耗電、教學(xué)類(lèi)建筑耗電、學(xué)生宿舍耗電等，對數據分門(mén)別類(lèi)的分析，提供領(lǐng)導決策，提高管理效能。

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

4.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算等現代信息技術(shù)，將分散的火災自動(dòng)報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網(wǎng)絡(luò )，并對這些設備的狀態(tài)進(jìn)行智能化感知、識別、定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集消防信息，通過(guò)云平臺進(jìn)行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現科學(xué)預警火災、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責任監管等目標。實(shí)現了無(wú)人化值守智慧消防，實(shí)現智慧消防“自動(dòng)化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯(lián)動(dòng)，在統一的系統大平臺內運行，用戶(hù)、安保人員、監管單位都能夠通過(guò)平臺直觀(guān)地看到每一棟建筑物中各類(lèi)消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發(fā)生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時(shí)間內，相關(guān)報警和事件信息通過(guò)手機短信、語(yǔ)音電話(huà)、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。

結束語(yǔ)

闡述了高校學(xué)生宿舍水電表管理系統的技術(shù)理論和實(shí)現過(guò)程。通過(guò)搭建數據采集系統、ＰＣ端數據管理系統以及移動(dòng)端的數據顯示人機交互ＡＰＰ。實(shí)現將水電表數據采集到統計和結算以及呈現給移動(dòng)端ＡＰＰ。系統是基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程能源管理，擴展到對學(xué)生進(jìn)行安全管理。該系統在技術(shù)層面上可作為物聯(lián)網(wǎng)遠程抄表的案例開(kāi)發(fā)技術(shù)，還可實(shí)現高校學(xué)生生活及學(xué)習行為的數據挖掘，提高教學(xué)管理質(zhì)量，具有很高的創(chuàng )新性和應用價(jià)值。

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