一種宿舍樓用電管理系統(tǒng)

摘 要：現(xiàn)今高等院校宿舍樓用電管理粗獷低效，造成電能浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，這里基于現(xiàn)代智能家居與物聯(lián)網(wǎng)概念，提出一套宿舍樓用電管理系統(tǒng)。這套系統(tǒng)下，每個(gè)用電器可以被精確控制，管理人員可以通過預(yù)先設(shè)定的設(shè)定的程式進(jìn)行節(jié)電管理，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的智能節(jié)電管理。

關(guān)鍵詞：宿舍樓，電能浪費(fèi)，物聯(lián)網(wǎng)，管理系統(tǒng)

1 宿舍用電管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

如今節(jié)能環(huán)保的概念深入人心，我國高等院校的公寓智能用電系統(tǒng)仍然以一種比較傳統(tǒng)的方式運(yùn)行并管理，這不僅造成了學(xué)生日常生活上的不方便，而且間接導(dǎo)致的粗獷式的管理方式造成了大量的能源浪費(fèi)。比如，對于管理嚴(yán)格的公寓，一般會(huì)采取定時(shí)拉總閘限電的措施，但是對于沒有斷電復(fù)位的宿舍照明系統(tǒng)來說，在第二天恢復(fù)供電的話會(huì)造成大量的日光燈和臺燈空亮，造成大量電能浪費(fèi)；對于高校學(xué)生公寓管理一般比較寬松，但是就會(huì)出現(xiàn)不少宿舍因?yàn)榇中膶?dǎo)致人走后日光燈空亮，造成能源浪費(fèi)；對于有空調(diào)的宿舍普遍存在大夏天蓋著被子吹空調(diào)，而且不少晚上吹一夜吹感冒的現(xiàn)象；對于樓層里的公共廁所，好多公寓選擇讓其照明燈徹夜長亮，管理者希望學(xué)生去及時(shí)關(guān)閉這些燈，但是學(xué)生因?yàn)椴环奖慊蛘呤韬?，往往都沒這樣做。于是，現(xiàn)在迫切需要一套新型用電管理體系，來改善這些現(xiàn)狀。

2 智能化的用電管理系統(tǒng)

針對這些電能浪費(fèi)現(xiàn)象，傳統(tǒng)意義上的人工管理是無能為力的，要從本質(zhì)上改變這種現(xiàn)狀就要引入新型的系統(tǒng)化，精確化，自動(dòng)化的用電管理體系，而這正好符合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的概念。為了改變這種浪費(fèi)電能的現(xiàn)狀，并且同時(shí)方便學(xué)生日常生活，這里設(shè)計(jì)了一套宿舍樓智能管理系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)下每個(gè)用電器將被經(jīng)過簡單改造，加裝單片機(jī)MCU、通信模塊和各自的控制器，例如繼電器等。再在樓內(nèi)通過搭建相應(yīng)的無線局域網(wǎng)，讓每個(gè)電器能夠被精確控制。系統(tǒng)面向?qū)W生和管理者兩類用戶群體，他們均能利用自己移動(dòng)終端進(jìn)行不同形式的控制。在這個(gè)構(gòu)架下，科學(xué)人性并且節(jié)能的管理方式變成了可能?；诖艘恍┕⒗l限電的粗暴方式可以變?yōu)檫b控日關(guān)燈、插線板限電，并降低用戶端控制優(yōu)先級，第二天恢復(fù)供電變成重新升高用戶端控制優(yōu)先級；對于粗心忘關(guān)燈同學(xué)，可以在教室發(fā)現(xiàn)并且遠(yuǎn)程關(guān)掉；對于常亮的廁所照明燈，可以變成深夜關(guān)掉，并開放用戶端控制權(quán)限；對于空調(diào)耗電問題，可以變?yōu)樯钜箯?qiáng)制開睡眠模式，節(jié)電同時(shí)保證舒適性。這樣就可以最大程度上改變目前宿舍樓電能浪費(fèi)的現(xiàn)狀。

3 智能系統(tǒng)節(jié)能效果分析

以西北某大學(xué)某宿舍樓為例。宿舍樓內(nèi)里統(tǒng)一安裝的燈是28w，晚上11點(diǎn)30分熄燈，早上6點(diǎn)30分通電，學(xué)生7點(diǎn)30分起床關(guān)燈（有的學(xué)生在前一天晚上忘記關(guān)燈，第二天起床才關(guān)，有的甚至燈亮一整天，因?qū)W生起床時(shí)間不定，這里平均按7點(diǎn)30分），這樣就浪費(fèi)一個(gè)小時(shí)的電能。如果使用此智能管理系統(tǒng)開關(guān)，一個(gè)燈就可以節(jié)約0.028kw，每個(gè)房間里有兩個(gè)燈棒，四個(gè)小房間組成一個(gè)大宿舍，一層有37個(gè)大宿舍，共有六層樓，就可以節(jié)約49.728kw。假設(shè)平均一個(gè)宿舍一個(gè)星期有一天晚上忘記關(guān)燈，一學(xué)期18周，可以節(jié)約電能895.104kw。

每個(gè)大宿舍有兩個(gè)衛(wèi)生間，一個(gè)客廳和一個(gè)洗漱臺，公共區(qū)域共有5個(gè)燈，每個(gè)燈10w。這些燈基本從下午放學(xué)有人回到宿舍亮到第二天早上學(xué)生起床，仍按前述方法取學(xué)生早上起床時(shí)間為7點(diǎn)30分；5點(diǎn)40分放學(xué)，取回到宿舍時(shí)間為6點(diǎn)。中間有13.5小時(shí)，一層樓可以節(jié)約電能24.975kw，一棟樓可以節(jié)約電能149.85kw。一周七天，一學(xué)期18周，一棟樓可以節(jié)約電能18881.1kw。

每層樓樓道有22個(gè)小燈，每個(gè)燈3w，有四個(gè)熱水供應(yīng)區(qū)，一個(gè)供應(yīng)區(qū)有三個(gè)燈，每個(gè)燈10w，這些燈基本24小時(shí)常亮，如果讓這些燈只從下午6點(diǎn)工作到第二天早上7點(diǎn)，一個(gè)燈可以節(jié)約11個(gè)小時(shí)電能，一層樓節(jié)約2.046kw電能，一棟樓一學(xué)期節(jié)約1546.776kw電能。

綜上，使用智能宿舍管理系統(tǒng)后星天苑B座一學(xué)期節(jié)約電能總共至少21322.98kw。由此可見該節(jié)電系統(tǒng)在宿舍樓用電節(jié)能減排方面成效顯著。

4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以ARM嵌入式系統(tǒng)、51單片機(jī)為基礎(chǔ)，利用無線傳感器技術(shù)、信號處理與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的服務(wù)器采用的是ARM構(gòu)架下的樹莓派3B，中繼和改裝設(shè)備選用的MCU是體積小巧功能強(qiáng)大的STC15W408AS，無線通信模塊選擇的是頻率較低，穿墻性好的433M通信模塊。

系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層三部分。系統(tǒng)應(yīng)用層包含學(xué)生用戶端的手機(jī)應(yīng)用程序和樓管管理端的網(wǎng)頁，手機(jī)端可以通過附近的藍(lán)牙轉(zhuǎn)433M模塊在宿舍直接實(shí)現(xiàn)對用電器的控制，通過網(wǎng)頁端可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和設(shè)定后臺自動(dòng)控制，管理員可以管理所有的管理權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)層中，用樹莓派開發(fā)板搭建的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)交換，同時(shí)也運(yùn)行著所有后臺控制程序；用STC15W408AS和433M通信模塊搭建的中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)搭建了樓內(nèi)的433M通信局域網(wǎng)；用藍(lán)牙和和433M通信模塊構(gòu)成的通信節(jié)點(diǎn)使手機(jī)控制端能夠直接嵌入樓內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)。感知層包含各種用STC15W408AS和433M模塊改造的各種設(shè)備，比如，加上繼電器的遙控?zé)?、插線板，溫濕度顯示器，遙控空調(diào)遙控器和其他待開發(fā)的設(shè)備，通過對這些設(shè)備的優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)節(jié)電效果。

5 結(jié)語

如今，各式節(jié)電理念甚至節(jié)電算法層出不窮，但是缺乏一個(gè)真正的實(shí)現(xiàn)平臺，而這套智能節(jié)電管理系統(tǒng)的提出設(shè)計(jì)正是希望能夠去填補(bǔ)這塊空白，為推動(dòng)高校節(jié)能減排盡力。

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作者簡介

杜紫巖（1996-），女，漢族，西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)2014級學(xué)生。