智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱鳳文

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信工程學(xué)院，遼寧錦州121000)

0 引言

《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》提出：教育信息化將從數(shù)字校園時(shí)代逐步過渡到智慧校園時(shí)代.數(shù)字校園突出的是信息共享，而智慧校園實(shí)現(xiàn)的是物理空間與信息空間銜接，是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，對(duì)集數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧型、協(xié)作型于一體化的教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)實(shí)現(xiàn)全面感知，并能對(duì)教育教學(xué)、教育管理進(jìn)行洞察和預(yù)測的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境[1].在《智慧校園總體框架》國家標(biāo)準(zhǔn)的四層結(jié)構(gòu)中，具備透徹感知功能的基礎(chǔ)設(shè)施層是最底層，即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物與物的感知、人與物的感知、系統(tǒng)與系統(tǒng)的感知.智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)是智慧校園服務(wù)中重要的組成部分.系統(tǒng)中的智能用電監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)測量校園內(nèi)各場所的用電線路，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯聚至云平臺(tái)，分析處理數(shù)據(jù)，以友好的界面在各種終端上顯示信息.隨著技術(shù)的演進(jìn)，數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí)，從有線到無線，從高耗能到低功率.LoRa技術(shù)是一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，它利用公用通訊頻段，不依賴于運(yùn)營商而獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)，因此具有部署簡單、成本低、遠(yuǎn)距離、低延時(shí)等特點(diǎn)[2].與現(xiàn)有的多種無線傳輸技術(shù)相比，基于LoRa技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)無疑是最適合的無線通信方式之一.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LoRa技術(shù)的智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)，由嵌入LoRa模塊的智能電表、LoRa集中器、工業(yè)無線路由器、服務(wù)器(物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái))、手機(jī)終端或電腦等設(shè)備組成.案例校園應(yīng)用范圍南北長約1.5 km，東西長約1 km，共有18棟樓宇，樓層最高為6層.系統(tǒng)選用的LoRa模塊的通訊距離可達(dá)2 km，單個(gè)集中器負(fù)載容量一般為200個(gè)終端，最多可達(dá)500個(gè)終端.

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示(見 90頁).設(shè)備部署方案如下：設(shè)置代表性信息點(diǎn)10個(gè)，其中三個(gè)教學(xué)樓各1個(gè)，兩個(gè)實(shí)訓(xùn)樓各1個(gè)，辦公樓1個(gè)，學(xué)生宿舍3個(gè)，學(xué)生食堂1個(gè).在校園中心建筑的高層設(shè)置一個(gè)LoRa集中器和一個(gè)無線路由器：LoRa集中器通過以太網(wǎng)連接無線路由器，再借助無線技術(shù)與信息點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；無線路由器接到云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.信息點(diǎn)與集中器采用簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，集中器作為中繼，鏈接采集設(shè)備和云平臺(tái)，云平臺(tái)管理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，手機(jī)終端或電腦端訪問云平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看用電信息.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件

LoRa設(shè)備是本系統(tǒng)關(guān)鍵硬件，其工作原理如圖2所示.信息點(diǎn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備為嵌入LoRa模塊的智能電表，它由控制單元、計(jì)量單元和通信單元三部分組成[5].控制單元是智能電表的控制器，接收計(jì)量單元采集到的電量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)累加存儲(chǔ)；控制通信單元射頻模塊將電量數(shù)據(jù)定時(shí)上傳至集中器，實(shí)現(xiàn)無線抄表；接收集中器下傳報(bào)文命令，控制通信模塊上傳數(shù)據(jù).計(jì)量單元采集電路電壓和電流值，得到瞬時(shí)功率，按比例將瞬時(shí)功率轉(zhuǎn)換成脈沖提供給控制單元，控制單元將定時(shí)內(nèi)的脈沖數(shù)與功率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘得到相應(yīng)時(shí)間內(nèi)的用電量.通信單元分成RS485通信模塊和射頻模塊兩個(gè)模塊，其中RS485通信模塊與控制單元、計(jì)量單元組成電量數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，射頻模塊則利用LoRa 擴(kuò)頻技術(shù)上傳采集到的電能數(shù)據(jù)，同時(shí)接收上端的報(bào)文命令.控制單元一般采用嵌入式單片機(jī)，目前采用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32系列主流芯片；計(jì)量單元常用的計(jì)量芯片為ADI 公司的ADE7755系列；通信單元多采用Semtech 公司SX127X系列芯片[3].

LoRa集中器相當(dāng)于系統(tǒng)中的通信中繼設(shè)備，向下通過LoRa技術(shù)會(huì)聚智能電表數(shù)據(jù)，向上可以通過以太網(wǎng)、4G、WiFi等方式與云平臺(tái)通信.

LoRa集中器與LoRa節(jié)點(diǎn)的通信有三種模式[4],其特點(diǎn)見表1.表1 LoRa集中器三種工作模式比較工作模式設(shè)置復(fù)雜度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用場景集中器輪詢喚醒適中節(jié)省流量占用信道資源多遠(yuǎn)程抄表、Modbus采集節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)適中占用信道資源少不能下發(fā)煙感報(bào)警、氣體檢測服務(wù)器主動(dòng)下發(fā)簡單可上報(bào)也可下發(fā)不控制收發(fā)時(shí)序控制設(shè)備

(1)集中器輪詢喚醒模式：節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于被動(dòng)喚醒狀態(tài)，集中器根據(jù)所設(shè)參數(shù)周期性發(fā)送數(shù)據(jù)喚醒節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)回復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)，完成一次數(shù)據(jù)交互后進(jìn)入休眠狀態(tài)，集中器等待下一周期下發(fā)第二條喚醒數(shù)據(jù).當(dāng)所有輪詢數(shù)據(jù)完成、輪詢周期結(jié)束后，會(huì)從數(shù)據(jù)庫中已保存的第一條數(shù)據(jù)開始重新輪詢喚醒.(2)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)模式：節(jié)點(diǎn)設(shè)置上報(bào)時(shí)間，定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)，集中器接收到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后自動(dòng)應(yīng)答，并將有效數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器.(3)服務(wù)器主動(dòng)下發(fā)模式：集中器接收到服務(wù)器的數(shù)據(jù)后才會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)收到計(jì)量單元的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器，集中器上傳至服務(wù)器.

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，本系統(tǒng)適宜采用集中器輪詢喚醒模式，需要預(yù)先設(shè)定集中器和節(jié)點(diǎn)模塊的相關(guān)參數(shù).

3 系統(tǒng)開發(fā)框架

如圖3，本系統(tǒng)開發(fā)框架分為四層，即設(shè)備層、匯聚層、分析層和用戶層，包括底層設(shè)備的配置、云平臺(tái)搭建、后臺(tái)數(shù)據(jù)分析和前端數(shù)據(jù)可視處理等過程.

3.1 LoRa設(shè)備配置

智能電表采集的數(shù)據(jù)通過LoRa集中器與服務(wù)器進(jìn)行透傳，因此設(shè)備層需要正確配置LoRa設(shè)備.

LoRa模塊參數(shù)配置：智能電表接收集中器的輪詢后，將采集的電氣參數(shù)通過RS485串口通信方式傳送至LoRa模塊，再通過無線通信方式傳送至集中器，因此要使用AT指令配置軟件配置LoRa模塊設(shè)備ID、應(yīng)用ID、工作模式、傳輸信道、傳輸速率等參數(shù)，并與集中器通信設(shè)置參數(shù)一致.

LoRa集中器參數(shù)配置：作為集中器輪詢喚醒模式的主控設(shè)備，LoRa集中器一般通過Web網(wǎng)頁配置，要設(shè)置應(yīng)用ID、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、傳輸信道、傳輸速率等參數(shù)，并且所有通信通道設(shè)置為被動(dòng)輪詢模式，進(jìn)一步設(shè)定喚醒周期、輪詢周期、輪詢超時(shí)和輪詢數(shù)據(jù)等輪詢參數(shù).同樣，應(yīng)用ID、傳輸信道、傳輸速率與LoRa終端保持一致.

LoRa集中器連接服務(wù)器設(shè)置：LoRa集中器可以通過有線或無線方式連接至服務(wù)器，支持MQTT、socket兩種連接方式.本系統(tǒng)采用MQTT方式，使用Web網(wǎng)頁配置服務(wù)器相關(guān)項(xiàng)，包括服務(wù)器IP地址/域名、服務(wù)器端口、設(shè)備ID、MQTT發(fā)布和訂閱的主題.

3.2 云平臺(tái)搭建

云平臺(tái)操作系統(tǒng)采用Linux體系中的Ubuntu，整體開發(fā)框架采用J2EE.系統(tǒng)云平臺(tái)按功能分為數(shù)據(jù)匯聚層和數(shù)據(jù)分析層.

匯聚層的任務(wù)是自動(dòng)匯入設(shè)備層數(shù)據(jù)，主要技術(shù)是配置MQTT服務(wù)器，即后臺(tái)運(yùn)行MQTT協(xié)議的消息中間件，通過主題的訂閱和發(fā)布在底層設(shè)備與終端用戶之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳.MQTT有多種消息中間件，本系統(tǒng)選用同時(shí)支持萬級(jí)客戶端的國內(nèi)開源軟件EMQX.

分析層負(fù)責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù).目前，較流行的一種Java Web應(yīng)用程序開源框架是SSH，它是由Struts+Spring+Hibernate集成的一個(gè)框架，其中：Struts負(fù)責(zé)Web層，與網(wǎng)頁中表單交互數(shù)據(jù)；Spring負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)層，提供了管理業(yè)務(wù)對(duì)象的一致方法；Hibernate用來持久化數(shù)據(jù)，提供完全面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫操作.

考慮到讀取物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)要有較高的數(shù)據(jù)并發(fā)能力，而基于內(nèi)存存取的Redis能夠提高查詢存儲(chǔ)效率，所以數(shù)據(jù)庫選用Redis 存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，而用戶信息、短信驗(yàn)證碼等用戶數(shù)據(jù)使用MySQL 進(jìn)行存儲(chǔ)[5].

3.3 可視處理

用戶層負(fù)責(zé)將經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)以直觀可視的方式展示在用戶的終端設(shè)備中，用戶終端呈現(xiàn)方式既有Web網(wǎng)頁，也有手機(jī)APP或微信小程序.本系統(tǒng)Web前端框架采用VUE開發(fā)，移動(dòng)端采用微信小程序開發(fā).

4 用電監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

精準(zhǔn)測量用電量.智能電表最基本的功能是通過云平臺(tái)對(duì)所接線路的用電量進(jìn)行精準(zhǔn)測量，有助于學(xué)校實(shí)時(shí)監(jiān)控.

統(tǒng)計(jì)分析用電數(shù)據(jù).利用該系統(tǒng)可分類統(tǒng)計(jì)各類用電量及總用電量，統(tǒng)計(jì)分析快速、準(zhǔn)確，通過分析能耗數(shù)據(jù)促進(jìn)校園節(jié)能降耗.

掌上巡檢用電線路.用戶通過移動(dòng)端可以隨時(shí)登陸平臺(tái)查看用電量信息，不受時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境的限制，間接了解用電系統(tǒng)的狀態(tài).

具有與校園其他管理系統(tǒng)順暢對(duì)接能力.對(duì)接后，信息無需經(jīng)過二次處理即可實(shí)時(shí)上傳，管理員則可以實(shí)時(shí)記錄、查閱數(shù)據(jù)參數(shù)和日志，實(shí)現(xiàn)校園信息管理智能化、集約化.

5 預(yù)期擴(kuò)展功能

智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)基本功能是實(shí)時(shí)測量和統(tǒng)計(jì)分析用電量，間接監(jiān)測用電線路的狀態(tài).后期在相關(guān)技術(shù)成熟后，系統(tǒng)功能擴(kuò)展非常容易，如在用電線路上增設(shè)LoRa斷路器可實(shí)現(xiàn)智能化限電，在關(guān)鍵場所設(shè)置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警等功能.此外，還可以擴(kuò)展到校園用水監(jiān)測，在校園的水路節(jié)點(diǎn)安裝LoRa智能水表，LoRa集中器將其統(tǒng)一納入云平臺(tái)，在后臺(tái)做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，就可以實(shí)現(xiàn)校園水電能源一體化、智慧化管理.另外，還可共享校園用電監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，利用LoRa火災(zāi)報(bào)警器和LoRa監(jiān)控等終端設(shè)備開發(fā)“智慧消防”和“智慧安?！?，逐漸完善智慧校園基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高智慧校園服務(wù)能力.

6 結(jié)語

本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，利用LoRa無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)一款用電監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)校園用電的計(jì)量與監(jiān)測.系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、布線少和數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點(diǎn)，在低功率、低流量的傳輸方面有其獨(dú)特優(yōu)勢；系統(tǒng)還具有靈活的擴(kuò)展性和遷移性，不僅適用于校園環(huán)境，還可以推廣用于工廠、住宅小區(qū)等水電設(shè)備的集中監(jiān)測，隨著智慧城市建設(shè)的展開將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用場景.