基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室智能用電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙培君

(信陽農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室智能用電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙培君

(信陽農(nóng)林學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

摘要：為解決當(dāng)前高校教室用電浪費嚴(yán)重、效率較低的問題，在分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能校園、智能家居中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的教室智能用電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)對教室的照明燈、電風(fēng)扇、投影儀、音響和空調(diào)等進(jìn)行智能控制，當(dāng)教室光線充裕、溫度適宜和無人學(xué)習(xí)等情況下，對教室用電設(shè)備進(jìn)行智能控制，提高用電效率，也符合“節(jié)能、節(jié)電、低碳校園”建設(shè)的要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能校園；智能控制

據(jù)調(diào)查，目前很多高校的教室、實驗室、機房等都是開放式的，全天候為學(xué)生們提供學(xué)習(xí)和實驗的地點，也就是說不管教室、實驗室、機房用多少電，學(xué)校都支付相應(yīng)的用電費用，這樣造成各部門以及個人沒有明確的用電責(zé)任；同時，由于部分老師、學(xué)生節(jié)約用電意識淡薄，長時間不關(guān)電腦、照明燈、電風(fēng)扇、空調(diào)、投影儀和音響等用電設(shè)備已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象，這樣就容易造成一些電能的不必要用浪費。合理用電，節(jié)約用電，以及將一些廢棄能源轉(zhuǎn)化為電能已經(jīng)成為我國“十二五”規(guī)劃綱要提出的“節(jié)能減排”工作中的重中之重[1]。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)全面感知、可靠傳遞以及智能處理的三大功能需要，可以將實現(xiàn)過程分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等三大體系結(jié)構(gòu)[2]。

感知層主要用于識別物體，采集信息。它包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M終端、傳感器網(wǎng)關(guān)等，其功能類似于人體結(jié)構(gòu)中的皮膚和五官。

網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦——用于信息的處理和控制指令的發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)層作為紐帶連接著感知層和應(yīng)用層，它由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成，負(fù)責(zé)將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸?shù)綉?yīng)用層，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行信息的處理。

應(yīng)用層是是物聯(lián)網(wǎng)的接口——用于遠(yuǎn)程識別、讀取和操控。在感知層、網(wǎng)絡(luò)層對信息的大量收集下匯總、互通、共享、分析、決策等物品信息。它是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的窗口，它與行業(yè)需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用[3]。其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框圖圖 2智能用電系統(tǒng)框圖

2系統(tǒng)總體設(shè)計

感知層由若干感知節(jié)點和控制節(jié)點組成，感知節(jié)點用于對教室、實驗室和辦公室等用電地點的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知和采集；控制節(jié)點用于對教室、實驗室和辦公室等的用電設(shè)備電源開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

網(wǎng)絡(luò)層由中心協(xié)調(diào)器、RS485網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、Wifi無線通信網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和控制指令的控制與處理[4]。

應(yīng)用層則由智能用電控制系統(tǒng)上位機、管理服務(wù)器和客戶終端組成，負(fù)責(zé)對用電的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析以及發(fā)出相應(yīng)的控制命令。智能用電系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

感知層節(jié)點由控制節(jié)點和傳感器節(jié)點組成?？刂乒?jié)點包含照明燈控制節(jié)點、風(fēng)扇控制節(jié)點、投影儀控制節(jié)點、音響控制節(jié)點和空調(diào)控制節(jié)點等；傳感器節(jié)點主要包含有熱釋電紅外傳感器KP506B、光敏傳感器HL304HY、溫度傳感器PT100等。

控制節(jié)點主要接收中心協(xié)調(diào)器的控制指令，通過指令對各種用電設(shè)備的的用電情況進(jìn)行控制；傳感器節(jié)點主要采集用電數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)發(fā)送給中心協(xié)調(diào)器。

采用多種組網(wǎng)技術(shù)，將不同類型的節(jié)點用其最適宜的通信方式進(jìn)行控制。光敏傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器等采用ZigBee方式；照明燈控制節(jié)點、風(fēng)扇控制節(jié)點、音響控制節(jié)點采用RS-485串行通信接口方式；空調(diào)控制節(jié)點、投影儀控制節(jié)點等遙控器紅外編碼，采用WiFi方式連接物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)控制[6]。

系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要包括以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模塊、RS-485接口模塊、ZigBee無線通信模塊和WiFi無線通信模塊，其中網(wǎng)絡(luò)模塊負(fù)責(zé)與平臺等的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通信，包括通信通道的建立及通信指令的解析，采用有線網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行接入[6]。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)利用Microsoft SQL Sever 2010建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)層的智能用電管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，匯聚由感知層傳來的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的歸納匯總，最終實現(xiàn)智能的分析處理(見圖3)，滿足數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)安全性、完整性、并發(fā)性控制以及故障發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)等功能，能夠?qū)?shù)據(jù)庫訪問提供高效、靈活的訪問方式[7]。

網(wǎng)站運行過程中需要對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，本系統(tǒng)采用基于ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)站與Microsoft SQL Sever 2010數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。ADO.NET對可擴展標(biāo)記語言提供全面支持，并且提供全新的非連接數(shù)據(jù)緩沖模型，這使得其在構(gòu)建結(jié)構(gòu)松散的、非連接的Web應(yīng)用程序時有著得天獨厚的優(yōu)勢。

圖3軟件設(shè)計流程圖

圖4軟件遠(yuǎn)程控制界面

5系統(tǒng)測試

系統(tǒng)應(yīng)用程序采用Browser/Server結(jié)構(gòu)，使用Microsoft Visual Studio 2013進(jìn)行開發(fā)，采用Microsoft的Web服務(wù)器Internet Information Server (IIS)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Microsoft SQL Sever 2010。對教室、實驗室和辦公室等用電地點各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)實時的用電環(huán)境、用電設(shè)備的狀態(tài)等數(shù)據(jù)收集，通過中心協(xié)調(diào)器對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、處理和存儲。如發(fā)現(xiàn)有傳感器采集的值偏離了正常范圍，則表該傳感器節(jié)點所在的位置沒有用電需求者，即可通過控制節(jié)點將用電設(shè)備關(guān)閉或斷電。

6小 結(jié)

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教室的所有用電設(shè)備進(jìn)行了組網(wǎng)，利用傳感器獲取相應(yīng)的指令信息，進(jìn)行判斷識別，實現(xiàn)對教室、實驗室、機房等的用電設(shè)備進(jìn)行智能控制。下一步將基于物聯(lián)網(wǎng)的智能用電技術(shù)進(jìn)一步推廣，使整個校園的用電設(shè)備都能實現(xiàn)智能的用電，避免不必要的浪費，為促進(jìn) “節(jié)能、節(jié)電、低碳校園”的建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家能源局.國家能源科技“十二五”規(guī)劃(2011-2015)[S].2011.

[2]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社, 2010.

[3]國家電網(wǎng)公司. 智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備(系統(tǒng))研制規(guī)劃[S].2010.

[4]李東東, 崔龍龍，李順富，等.家庭智能用電系統(tǒng)研究及只能控制器開發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013, 41(4) : 123-129.

[5]劉錦, 張巖，張榮輝，等.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2012, 34(9) : 115-119.

[6]劉學(xué)會, 田珍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化, 2012, 34(17) : 38-40.

[7]王珊，薩師煊.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論[M].北京：高等教育出版社, 2003.

(編輯：嚴(yán)佩峰)

收稿日期：2015-10-25

作者簡介：趙培君(1985—)，女，河南信陽人，講師，碩士，研究方向：故障診斷與容錯控制.

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8978(2016)03-0117-03

Design and Implementation of Intelligent Power System in Classroom Based on Internet of Things

ZHAO Pei-jun

(School of Information Engineering，Xinyang Agriculture and Forestry University, Xinyang 464000, China)

Abstract：In order to solve the current electricity waste and low efficiency at college of classroom, on the analysis of the Internet of things technology widely used in intelligent campus and intelligent household, design an intelligent power system based on Internet of things at college of classroom. The system can intelligently control the lighting, electric fan, projectors, audio and air conditioning through the relevant technology of the Internet of things. When the light is abundant, the temperature is suitable and nobody is learning in the classroom, the intelligent control for electrical equipment in the classroom, can improve the efficiency of electricity, and conform to the "energy saving, power saving, low carbon campus" construction requirements.

Keywords：Internet of things technology; intelligent campus; intelligent control