智慧校園能耗分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳強(qiáng)，孫海濤，江遠(yuǎn)航

（三亞學(xué)院，海南三亞，572000）

0 引言

目前，校園供電管理主要以刷卡消費(fèi)為主，每個(gè)宿舍、食堂等出租檔口的用電消費(fèi)采用預(yù)先支付，刷卡取電的方式。這種方式不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電過程中的各種問題，如竊電、不合理耗電等，對能源優(yōu)化管理存在較大管理難度。因而，設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)視、管理學(xué)校供電中每一個(gè)房間內(nèi)的供電情況就非常必要，及早斷掉學(xué)校供電用戶中出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的房間或者設(shè)施供電，并定位在問題節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行檢修，就能夠有效防止停電事故障波及的范圍，同時(shí)可以使用大數(shù)據(jù)把過去幾年內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)上傳到大數(shù)據(jù)庫里加以存儲(chǔ)，從而便于查詢、分析學(xué)校的供電狀況，對節(jié)約能源有較好的促進(jìn)作用[1]。

因此，設(shè)計(jì)一款校園能耗分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)，系統(tǒng)將學(xué)校用電參數(shù)的收集，電力品質(zhì)的監(jiān)測，以及供電的安全分析于一身，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)用電全智能化管理。一方面，隨著數(shù)據(jù)獲取以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，萬物互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展速度急劇提高。另一方面，人們與環(huán)境中各種各樣的數(shù)據(jù)聯(lián)系更加緊密，對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集以及檢測變得更加依賴。用電數(shù)據(jù)自主化處理、反饋是人們更加期盼的。數(shù)據(jù)及時(shí)處理、反饋能夠進(jìn)一步減少工作量，減少不必要的消耗。

1 硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該智慧校園耗能分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)的主要工作是進(jìn)行校園能耗的監(jiān)控、管理與優(yōu)化，通過單片機(jī)搭配外圍檢測模塊進(jìn)行相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)智能化監(jiān)測，通過網(wǎng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示和分析。外圍檢測模塊通過相關(guān)傳感器進(jìn)行用電數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)處理單元，單片機(jī)處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包封裝處理，為系統(tǒng)的其他應(yīng)急處理奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常后，進(jìn)行相關(guān)的邏輯分析處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的智能化工作模式。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

■1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的開發(fā)主要有兩個(gè)方案可供選擇，一種是利用分立元件對各個(gè)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，耗時(shí)、費(fèi)力、容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。另一種方式是直接選擇相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行搭積木式的硬件電路設(shè)計(jì)，需要什么樣的功能選擇什么樣的模塊，開發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注模塊的數(shù)據(jù)和電源的接口要求，在接口滿足要求的情況下進(jìn)行功能組合。當(dāng)然，這種方法帶來的問題就是資源的浪費(fèi)，每個(gè)模塊為了有更好的適用性，往往集成功能要多一些，比如接口資源就要豐富一些，我們沒有使用的接口就是浪費(fèi)[2]。優(yōu)點(diǎn)就是帶來了高效、可靠的硬件電路，開發(fā)人員的主要精力放在程序設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試上，系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

傳統(tǒng)的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)多數(shù)采用的是有線傳送的方法，俗稱遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。成本高昂、布線繁瑣、不易維修等的問題。智慧校園能耗分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)通過無線傳送的方法，取消了布線，終端與中繼直接通過電池供電，降低了維修成本，而且由于其低功耗的特性大大延長了使用壽命。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成，通過WiFi 進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

在該系統(tǒng)中主控單片機(jī)用于系統(tǒng)的外圍電能檢測模塊數(shù)據(jù)的獲取、無線傳輸模塊的控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的邏輯控制，是整個(gè)系統(tǒng)的中心單元。OLED 顯示模塊用于電能數(shù)據(jù)在下位機(jī)監(jiān)控顯示，方便校園宿舍人員觀測自己宿舍的能源消耗。電能獲取模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，用于用戶獲取當(dāng)前用電耗能情況，為下游任務(wù)的抉擇做出數(shù)據(jù)支撐。繼電器模塊用于電器開關(guān)的控制，用于及時(shí)切斷用戶的用電隱患。WiFi 模塊用于用電耗能數(shù)據(jù)的無線傳輸，方便管理人員檢測多地點(diǎn)多設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。硬件實(shí)物如圖3所示。

圖3 硬件實(shí)物圖

■1.3 電路模塊原理與選型

1.3.1 微處理器

目前在高校學(xué)生群體中常用的電子電路處理器有三種，52 單片機(jī)、STM32 單片機(jī)和Arduino 單片機(jī)。52 單片機(jī)是應(yīng)用比較早的單片機(jī)產(chǎn)品，具有簡單易上手的特點(diǎn)。基于內(nèi)核的八個(gè)處理器，該單片機(jī)內(nèi)部提供穩(wěn)定高效的工作頻率，內(nèi)置可反復(fù)擦拭的Flash 以及51 字節(jié)的RAM，該單片機(jī)能夠兼容多種指令集和多個(gè)引腳。STM32 單片機(jī)是前幾年流行的主流單片機(jī)，具有處理速度快、內(nèi)置資源豐富的特點(diǎn)，在教學(xué)中已逐步向這塊單片機(jī)轉(zhuǎn)移。Arduino 單片機(jī)，該處理器單元是當(dāng)前嵌入式最熱門單片機(jī)，該單片機(jī)能夠快速地實(shí)現(xiàn)相關(guān)的運(yùn)算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取工作，該單片機(jī)也能快速地實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的連接，較低的能耗以及較高的性能也是其流行的主要原因。該單片機(jī)在當(dāng)微控制系統(tǒng)中的市場占比比較大，相關(guān)的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)文檔、開發(fā)技術(shù)也比較完善，非常適合檢測相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)，因而本系統(tǒng)選用Arduino 單片機(jī)。

ArduInO 單片機(jī)的數(shù)字I/O 系統(tǒng)被劃分了二個(gè)組成部分，而每組成部分中又包括了六種實(shí)際應(yīng)用的I/O 管腳，即管腳2 到管腳7 和管腳8 到管腳13[3]。在數(shù)字電路中，開關(guān)電源是一種最基本的輸入工作形式，它的主要功用是確保集成電路的連接或是斷開。ArduinO 在數(shù)字I/O 接口上可以讀寫到高電平(5V)或是低電平(0V)，首先考慮到問題便是怎樣將開關(guān)的開/斷狀態(tài)，轉(zhuǎn)變成由Arduino 上可以讀出的高/低電平。

1.3.2 顯示模塊

在智慧校園耗能分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要有三種系統(tǒng)交互模塊可供選擇：LED 數(shù)碼管顯示模塊、液晶顯示模塊和OLED 顯示模塊。LED 數(shù)碼管顯示模塊主要運(yùn)用于數(shù)據(jù)顯示量比較低的系統(tǒng)中，顯示屏刷新的頻率較低，功耗較高。在模塊控制方面，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)控制比較繁瑣，也比較浪費(fèi)IO 管腳。OLED 顯示模塊通過控制驅(qū)動(dòng)電路和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸格式也變得比較通俗易懂。最重要的一點(diǎn)是該顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示編程比較方便，成熟的API 能夠進(jìn)一步減少開發(fā)人員的代碼的兼容性、易控制性。該顯示模塊能夠復(fù)雜字符的顯示，提高了數(shù)據(jù)交互的多樣性。用戶無需對于各個(gè)IO 進(jìn)行編程控制，只需要調(diào)用相關(guān)封裝好的API 進(jìn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選擇OLED 顯示屏模塊。

OLED 顯示模塊主要通過多個(gè)信號(hào)選擇引腳以及數(shù)據(jù)傳輸引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示工作。OLED 顯示模塊通過多個(gè)信號(hào)線組合進(jìn)行不同工作模式的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示主要通過初始化、指令操作、數(shù)據(jù)操作三個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過信號(hào)引腳設(shè)置數(shù)據(jù)讀寫控制信號(hào)、數(shù)據(jù)寫入信號(hào)、命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志信號(hào)。系統(tǒng)首先把準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)源，然后通過DS(RS)引腳設(shè)置命令/數(shù)據(jù)模式(高電平數(shù)據(jù)、低電平命令模式)。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置RD 引腳上拉，把數(shù)據(jù)寫入到8個(gè)數(shù)據(jù)傳輸引腳。當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置WR 引腳上拉，使得數(shù)據(jù)寫入到OLED 內(nèi)嵌的驅(qū)動(dòng)中。

1.3.3 電能采樣模塊

電能采樣模塊是前端能耗數(shù)據(jù)采集的重要節(jié)點(diǎn)，用于將用戶耗能情況以單片機(jī)能處理的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行輸出。系統(tǒng)所選用的IM1281B 單相交流電能測量模塊精度遠(yuǎn)高于國家的一類標(biāo)準(zhǔn)，并能夠檢測45 ～65Hz的交流電壓、電流、功率因數(shù)、功率因素、頻譜特征等電力數(shù)據(jù)，并利用相應(yīng)接口技術(shù)方便地與其他單片機(jī)、ARM 聯(lián)網(wǎng)，完成了智能化數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測的功能。

利用相應(yīng)接口技術(shù)方便地與其他單片機(jī)、ARM 聯(lián)網(wǎng)，完成了智能化數(shù)據(jù)收集和監(jiān)測的功能。取樣得到所有暫態(tài)電壓和電流的信號(hào)量時(shí)，把各對暫態(tài)電壓和電流的信號(hào)相加，求得瞬時(shí)有功電能的取樣值。IM1281B 高度集成測試、數(shù)字通訊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對電力計(jì)算、收集和傳送的單一交流電參數(shù)檢測，也可以精密測定單一交流電壓、流量、功率、功率因數(shù)、頻譜、發(fā)電量等電參數(shù)[4]。提供一路TTL 雙電平連接，體積小，連接方便。

1.3.4 WiFi 模塊

ESP8266 通訊模組是一種無線通信模組，是一種高性能的WiFi 通訊模組，該模組支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802 協(xié)議，內(nèi)置了TCP/IP 協(xié)議，可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多種工作模式的配置，也支持UART/GPIO 數(shù)據(jù)通信接口，能夠通過AT 指令進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)配置以及傳輸數(shù)據(jù)的封裝。WiFi 通信模塊的開發(fā)技術(shù)越來越成熟，對于網(wǎng)絡(luò)通信的配置、數(shù)據(jù)傳輸只需要少量地引腳連接，該模塊方便透明傳輸能夠加快數(shù)據(jù)通信的整個(gè)過程。ESP8266 通過TXD/RXD、VCC、GND 管腳進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸工作。

1.3.5 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊主要有兩種，獨(dú)立按鍵模塊和矩陣按鍵模塊。獨(dú)立按鍵模塊的數(shù)據(jù)傳輸是通過所連接的管腳進(jìn)行，每使用一個(gè)按鈕就會(huì)多犧牲一個(gè)管腳資源，每個(gè)按鍵需要和微處理器進(jìn)行獨(dú)立連接。通過獲取按鍵的高低電平進(jìn)行控制信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，獨(dú)立按鍵模塊設(shè)計(jì)非常方便。系統(tǒng)在較少的控制信號(hào)需求下，獨(dú)立按鍵模塊是非常好的選擇，能夠減少不必要的管腳資源浪費(fèi)。矩陣按鍵模塊，主要用于大量數(shù)據(jù)輸入的情況（輸入密碼、需要0-9 數(shù)字控制等），最大的特點(diǎn)是能夠大量的節(jié)省相關(guān)的IO 管教資源，鑒于系統(tǒng)的復(fù)雜性，選擇矩陣按鍵模塊。

2 能耗分析與優(yōu)化管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

■2.1 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

為了達(dá)到智慧下元能耗分析與優(yōu)化管理平時(shí)靈活、方便的特點(diǎn)，管理平臺(tái)的架構(gòu)采用B/S&C/S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。B/S 結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)原理和實(shí)用性方面靈活、方便，用戶和系統(tǒng)管理員只要在有電腦并且聯(lián)網(wǎng)的情況下就可以隨時(shí)訪問，無需安裝應(yīng)用程序，只要持有合法的賬戶和密碼即可。網(wǎng)站的維護(hù)也十分方便，同時(shí)最大的特點(diǎn)就是擴(kuò)容和升級(jí)改造十分方便。在C/S 結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)可以最大程度地發(fā)揮客戶端計(jì)算機(jī)的分析處理水平，只要主機(jī)服務(wù)器安裝主機(jī)端軟件，就可以為客戶提供注冊、查詢、業(yè)務(wù)辦理等，響應(yīng)速度快[5]。B/S&C/S基于Web的管理信息體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 B/S&C/S 基于Web的管理信息體系結(jié)構(gòu)圖

■2.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

2.2.1 登錄模塊

在打開能耗分析與管理系統(tǒng)首頁時(shí)，首先要注冊賬戶，填寫注冊信息。當(dāng)錄入完畢后，把數(shù)據(jù)提交服務(wù)器，服務(wù)器將確認(rèn)用戶名和秘密是否正常錄入。接下來就是登錄系統(tǒng)，在填入準(zhǔn)確的客戶名和登錄密碼時(shí)，網(wǎng)頁將從主頁完成后切換至操作系統(tǒng)的登錄窗口。如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)登錄界面

2.2.2 其他功能模塊

通過用戶管理系統(tǒng)登錄后就進(jìn)入了管理系統(tǒng)的主界面，完成用戶管理、密碼修改、終端管理、參數(shù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查看、告警查詢等操作[6]，其它功能模塊如圖6所示。通過對應(yīng)頁面的按鍵進(jìn)行信息的更新、刪除、修改、添加等工作。

圖6 系統(tǒng)功能模塊展示

各界面功能模塊的主要作用如下：

用戶管理界面，顯示用戶的基本信息，管理員可以對用戶進(jìn)行查詢等操作。

密碼管理模塊，用于用戶定期進(jìn)行賬戶密碼的修改，以確保賬號(hào)安全，包含舊密碼確認(rèn)與新密碼修改操作。

終端管理模塊，該模塊用于采集用電設(shè)備和具體宿舍的能耗數(shù)據(jù)，通過該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備信息追溯工作，方便后期進(jìn)行精確的耗能信息管理。通過該模塊不但能掌握節(jié)點(diǎn)的能耗信息，還能隨時(shí)掌握節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、故障切除設(shè)備等功能。

參數(shù)管理模塊，該模塊用于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息告警閾值的設(shè)置，方便對系統(tǒng)的耗能實(shí)現(xiàn)智能控制，如異常的耗電警告、長時(shí)間特定功率運(yùn)行等。通過該模塊進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電能、電壓閾值的設(shè)置。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊，該模塊用于系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備電能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，方便對設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。

3 結(jié)語

針對傳統(tǒng)的校園耗能管理系統(tǒng)所存在的問題，提出基于互聯(lián)網(wǎng)的智能校園能耗目標(biāo)分析與優(yōu)化管理系統(tǒng)，解決了能耗數(shù)據(jù)分析不及時(shí)，系統(tǒng)管理難度大，不能進(jìn)行能耗優(yōu)化等問題。無線數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)的布線和維護(hù)帶來了便利，通過JAVA 實(shí)現(xiàn)管理系統(tǒng)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析與優(yōu)化，測試表明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對校園能耗的智能化管理，對于校園能耗管理有重要意義。