基于STM32的校園能耗網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院電子系 王曉品 廖惜春

0 引言

隨著我國大學(xué)校園數(shù)量和面積的不斷增加，校園內(nèi)公共設(shè)施也不斷完善和擴(kuò)充，大學(xué)校園逐漸成為整個(gè)社會(huì)上高耗能的單位。據(jù)2016年全國耗能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，大型高校公共建筑的單位建筑面積年耗電量為每平方40～100kw·h[1]，是居住建筑的4—10倍，所以在資源問題日益突出的今天，需要有校園能耗檢測與控制系統(tǒng)來減少校園的能耗。

大學(xué)校園耗電一般具有以下特征：（1）多媒體課室：下課學(xué)生走后，管理人員未及時(shí)去關(guān)閉電源，導(dǎo)致課室里的燈、空調(diào)等用電器還是處于耗電的狀態(tài)。（2）實(shí)驗(yàn)室：同學(xué)們做完實(shí)驗(yàn)離開教室時(shí)，未關(guān)閉電腦，導(dǎo)致電腦處于待機(jī)狀態(tài)，直至管理人員去關(guān)閉，從而白白浪費(fèi)了一定的電量。（3）公共區(qū)域：大學(xué)校園里的路燈、教學(xué)樓的樓道燈在過了12點(diǎn)無人走過的時(shí)間段或者在光照良好的白天還繼續(xù)點(diǎn)亮，造成了不必要的電量浪費(fèi)。因此研制出一個(gè)校園能耗檢測與控制系統(tǒng)是迫切需要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了利用原有校園的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)和上位機(jī)兩大部分，下位機(jī)分為室內(nèi)子系統(tǒng)和室外子系統(tǒng)，利用教室的以太網(wǎng)接口或獨(dú)立加裝WIFI模塊將教室和路燈的電量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，上位機(jī)可以隨時(shí)觀測和分析數(shù)據(jù)，并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制教室用電器和路燈的功能[2]，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 校園能耗監(jiān)控總體方案圖

校園能耗監(jiān)測與控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的接收、實(shí)時(shí)顯示每個(gè)教室或者路燈的用電情況以及發(fā)送指令遠(yuǎn)程控制用電器的開關(guān)功能；下位機(jī)則主要利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過分析這些數(shù)據(jù)來完成對用電器工作方式的控制，并通過電能采集模塊采集用電器的用電情況通過以太網(wǎng)或者wifi網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)系統(tǒng)分為教室系統(tǒng)和路燈系統(tǒng)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示，包括STM32處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器控制組和ESP-8266wi fi模塊/W5500以太網(wǎng)模塊四大部分[4][5][6]。

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

圖3 能耗管控主流程圖

2.1 STM32處理器

STM32F103C8主芯片基于ARM cortex-m內(nèi)核，最高72MHZ的主頻率，具有16個(gè)輸入通道，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

RAD20CM紅外傳感器統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)、GY-30光照度檢測模塊采集光照度，光照度范圍為0到65535LUX,內(nèi)置16bit模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以直接數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)；DS18B20溫度模塊采集溫度，T518電能采集模塊采集電信號并計(jì)算出電能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)模塊

以太網(wǎng)接口W5500采用或WIFI模塊ESP8266，通過實(shí)際環(huán)境任意切換有線、無線方式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)用電設(shè)備智能控制策略和上位機(jī)界面設(shè)計(jì)兩部分，總體流程如圖3所示。

3.1 用電設(shè)備智能控制策略

系統(tǒng)智能控制用電是整個(gè)系統(tǒng)智能化的具體表現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和控制策略[3]，其中燈光和風(fēng)扇控制采用相同的流程管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測亮度或溫度參數(shù)，超過設(shè)定值時(shí)判斷教室內(nèi)的人數(shù)，當(dāng)人數(shù)在某個(gè)范圍內(nèi)開啟相對應(yīng)數(shù)量的燈和風(fēng)扇。

圖4 上位機(jī)軟件界面

3.2 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VB自主設(shè)計(jì)一款上位機(jī)軟件，具備自動(dòng)/手動(dòng)模式切換功能、電量測量數(shù)據(jù)的讀取和遠(yuǎn)程開關(guān)用電器功能，可以分別顯示不同教室或者路燈的電流、開關(guān)狀態(tài)、開啟數(shù)量及用電量，發(fā)現(xiàn)用電浪費(fèi)的教室或者路燈，可切換到手動(dòng)模式遠(yuǎn)程關(guān)閉用電設(shè)備，界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

4 結(jié)語

校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了教室用電器、路燈的自動(dòng)開關(guān)，而且可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制用電器。實(shí)驗(yàn)表明，校園能耗監(jiān)控系統(tǒng)提高了電能利用率，實(shí)現(xiàn)了校園的低碳節(jié)能。

[1]周克良,張明麗,劉太鋼.基于STM32F的企業(yè)樓宇節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制：控制技術(shù),2016,24(1)：115-118.

[2]陳章進(jìn),張建峰,李翰超.基于ZigBee與WiFi的無線智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制：設(shè)計(jì)與應(yīng)用,2016,24(2)：228-231.

[3]陳湘萍,劉南平,蔡舉.一種多傳感器數(shù)據(jù)信息的融合算法[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào),2011,1(31)：42-44.

[4]何力,于海,房利國.基于物聯(lián)網(wǎng)的能耗檢測系統(tǒng)解決方案[J].信息安全與通信保密,2012,1.

[5]錢濤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息,2013(35).

[6]譚裴,薛偉.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能耗管理平臺(tái)研究[C].2013年中國通信學(xué)會(huì)信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集.