基于物聯(lián)網(wǎng)技術的高校學生宿舍預付費用電系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：西安交通大學創(chuàng)新港校區(qū)學生宿舍類型多、數(shù)量大，存在一定管理難度。傳統(tǒng)的電費管理方式面臨著電費繳納不及時、費用核算不準確等問題，已無法滿足管理需求。為了解決這些問題，西安交大基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術，建設集用電遠程監(jiān)控和管理、電費自動核算和實時計算、用能大數(shù)據(jù)分析等功能為一體的學生宿舍預付費用電系統(tǒng)，支持PC、APP等多種方式提供查詢和管理服務，使系統(tǒng)管理更加便捷、可靠、智能。經(jīng)過實踐，該系統(tǒng)在西安交通大學創(chuàng)新港校區(qū)（以下簡稱“創(chuàng)新港”）宿舍用電管理方面取得了顯著的成效，不僅大幅提高了管理的效率和質(zhì)量，同時也增強了學生的用電安全意識，降低了用電事故發(fā)生的概率，為學校能源管理優(yōu)化提升提供了有力的支撐。

關鍵詞：預付費；電費計量；學生宿舍；物聯(lián)網(wǎng)；手機應用；用電系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-04

0 引 言

西安交通大學創(chuàng)新港校區(qū)分布有3個宿舍區(qū)，共計

3 585戶宿舍，其中以五室一廳布局（每套五個單間、一個共享廳）為主。以上三個宿舍區(qū)距離較遠且宿舍類型有別于傳統(tǒng)鋪位方式，使用傳統(tǒng)的人工或刷卡式的宿舍電費管理方式將面臨管理效率低下、電費核算困難、安全隱患突出等問題，已經(jīng)無法滿足學校的管理需求。隨著LoRa、NB-IoT、GSM等物聯(lián)協(xié)議的成熟與普及[1-4]，高校學生宿舍預付費用電系統(tǒng)的建設已經(jīng)具備成熟的技術條件，中央民族大學、山東科技大學、華南理工大學等高校[5]先后建設了智能用電管理系統(tǒng)。

本次建設的創(chuàng)新港學生宿舍預付費用電系統(tǒng)， 通過末端智能遠傳設備完成對每個宿舍用電數(shù)據(jù)的實時采集與管理，利用云計算技術實現(xiàn)電費的實時核算，采用手機端應用等方式方便學生進行電費充值和查詢。相比傳統(tǒng)的宿舍電費管理方式，該系統(tǒng)不僅提高了能源管理的效率和質(zhì)量，也降低了用電隱患和事故發(fā)生的概率，可以為其他高校的后勤信息化建設提供一定的借鑒。

1 需求分析

本系統(tǒng)的建設主要目的是為了解決傳統(tǒng)高校宿舍電費管理的弊端，使電費管理更加科學化、合理化、智能化。通過調(diào)研學校后勤保障部門管理需求及其他院校的用電管理經(jīng)驗、結合學校創(chuàng)新港學生宿舍特點確定本系統(tǒng)的功能需求。

在硬件建設方面，本系統(tǒng)需完成3 585戶宿舍智能遠傳電表的選型及安裝，借助智能遠傳電表的遠程計費、電價設置、自動拉閘和合閘、故障檢測、篡改保護等優(yōu)點[6]，實現(xiàn)創(chuàng)新港校區(qū)五室一廳結構宿舍的分戶精確計量。同時，還需完成物聯(lián)接入網(wǎng)關的選型及安裝，實現(xiàn)智能遠傳電表的接入，并完成智能遠傳電表的協(xié)議的自動解析。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，還需選擇技術成熟的連通方式，實現(xiàn)智能遠傳電表、物聯(lián)接入網(wǎng)關及后臺服務器間的物理連通。

在應用軟件功能建設方面，學生端應用應支持宿舍房間綁定、電費支付、欠費/購電消息推送、用電情況查看等功能，方便學生宿舍電費充值、了解日常用電情況；后勤管理用戶可利用本系統(tǒng)的電量管理功能進行計費與自動斷電、基礎免費電量批量設置、在線售電、退費管理等。此外，還可以通過本系統(tǒng)進行安全用電管理，如接收異常用電情況告警等。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體架構設計

創(chuàng)新港校區(qū)學生宿舍預付費用電系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分為基礎設施層、平臺層、數(shù)據(jù)層、應用層。系統(tǒng)的架構如圖1所示。

如圖1所示，系統(tǒng)的四層分別具有不同的作用和功能。

（1）基礎設施層：該層包括網(wǎng)絡基礎設施、計算資源、存儲資源和智能設備設置。基礎設施層向上層提供網(wǎng)絡接入服務、云計算服務等系統(tǒng)所需的各類資源服務，并實現(xiàn)原始用電數(shù)據(jù)的采集與電表設備狀態(tài)監(jiān)測。

（2）平臺層：該層是在基礎設施層之上的中間層，向上層提供各種支撐服務。其中“物聯(lián)網(wǎng)平臺”作為創(chuàng)新港物聯(lián)設備統(tǒng)一匯聚接入的“中臺”，完成宿舍智能遠傳電表的“南向接入”，同時為上層業(yè)務系統(tǒng)提供標準化的“北向”控制及數(shù)據(jù)API接口，實現(xiàn)上層應用系統(tǒng)功能的快速構建，縮短了應用程序的開發(fā)周期、簡化了應用程序的運行邏輯?！耙豢ㄍㄖЦ镀脚_”則作為學校的統(tǒng)一支付平臺，支撐系統(tǒng)的電費繳費功能。

（3）數(shù)據(jù)層：該層包括各種數(shù)據(jù)存儲、處理及數(shù)據(jù)標準管理功能，主要依托學校已有的數(shù)據(jù)治理平臺。數(shù)據(jù)層的作用是存儲和管理各種數(shù)據(jù)，為應用程序提供數(shù)據(jù)訪問服務。同時為系統(tǒng)提供人員信息、宿舍信息及選宿信息等基礎數(shù)據(jù)服務。

（4）應用層：該層是系統(tǒng)的最上層，是用戶和系統(tǒng)直接交互的入口，分為針對學生用戶的手機客戶端和針對管理人員的PC管理端。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計

常見物聯(lián)連通方式包括有線RS 485、低壓載波、藍牙、ZigBee、LoRa、NB-IoT[7]等。依據(jù)學校常委會審議通過的《中國西部科技創(chuàng)新港智慧學鎮(zhèn)信息化建設實施方案綜合網(wǎng)絡分冊》與《中國西部科技創(chuàng)新港智慧學鎮(zhèn)信息化建設實施方案后勤分冊》相關要求，為了保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本系統(tǒng)接入部分設計采用有線RS 485進行組網(wǎng)，多個RS 485終端通過“手拉手”方式連接到物聯(lián)接入網(wǎng)關，物聯(lián)接入網(wǎng)關作為主設備，多個智能遠傳電表作為從設備，由物聯(lián)接入主動發(fā)起請求，對多個智能遠傳電表進行輪詢訪問。物聯(lián)接入網(wǎng)關與服務器之間通過園區(qū)已有的有線網(wǎng)絡連通，實現(xiàn)集中管控。系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構設計如圖2所示。

整個系統(tǒng)的物理拓撲設計如圖2所示，具體描述如下：

（1）同一單元內(nèi)的多塊預付費智能遠傳電表通過有線RS 485串聯(lián)后接入物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關通過創(chuàng)新港“四網(wǎng)融合”提供的虛擬物聯(lián)專網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心服務器連通。

（3）為保障安全，后臺管理端需在校園網(wǎng)環(huán)境下訪問，在校園網(wǎng)之外需連接學校VPN。

（4）為方便使用，手機端應用可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問。

（5）其他校內(nèi)管理應用可通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口訪問用電數(shù)據(jù)，用以實現(xiàn)學生行為分析等。

2.3 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)學生及后勤部門的使用需求，將本系統(tǒng)分為手機客戶端與后臺管理系統(tǒng)，如圖3所示。

如圖3所示，本系統(tǒng)手機客戶端面向?qū)W生用戶提供的功能包括房間綁定、用電查詢、購電、購電/欠費信息推送，為了方便操作，此部分設計為手機應用；后臺管理系統(tǒng)面向后勤管理人員提供的管理功能包括運行情況監(jiān)控、電表參數(shù)設定及預付費賬戶管理等，為了方便詳細數(shù)據(jù)的展示與管理，此部分設計為PC端網(wǎng)頁。

2.4 系統(tǒng)工作流程設計

本系統(tǒng)中智能電表、后臺管理端、手機客戶端的協(xié)作工作流程示意如圖4所示。

電表在通電啟動后自動連接管理后臺進行參數(shù)設置，設置完成后進行電壓電流采集并將采集結果定時傳送至后臺管理端，若檢測到賬戶欠費則自動拉閘，充值后自動合閘；管理員登錄后臺管理系統(tǒng)后設置電表參數(shù)并下發(fā)至所有電表，同時持續(xù)接收電表傳送的計量數(shù)據(jù)，還可以進行運行情況監(jiān)控、報表查看、遠程拉閘合閘等操作。除此之外，后臺管理系統(tǒng)還需考慮當電表由于故障而需要更換時，表內(nèi)的用電數(shù)據(jù)和設置的參數(shù)如何傳遞到新表中，或當學生調(diào)換宿舍后賬戶的余額如何下發(fā)到新的電表中[8]。針對以上問題，本系統(tǒng)在流程設計時也對換表時表內(nèi)數(shù)據(jù)的處理問題進行了考慮；學生用戶進入手機客戶端綁定宿舍房間后可進行在線繳費，通過判定是否為本人宿舍而決定是否展示詳細用電數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)物聯(lián)協(xié)議設計

針對物聯(lián)網(wǎng)接入部分，通過市場調(diào)研，結合上文的物理拓撲設計，最終選定的物聯(lián)協(xié)議為Modbus。Modbus是一種工業(yè)通信領域中使用最為廣泛的串行通信協(xié)議，支持多種不同的物理層，如RS 485、RS 232、TCP/IP等。Modbus協(xié)議具備簡單易用、靈活性強、成本低廉等優(yōu)點，適合用于工業(yè)自動化領域中需要進行簡單、可靠的設備間通信的場景。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 物理硬件建設

（1）智能遠傳電表選型及安裝

創(chuàng)新港校區(qū)宿舍布局為每個單元一梯兩戶，每戶為五室一廳布局，根據(jù)宿舍位置、宿舍內(nèi)房間分布特征及系統(tǒng)協(xié)議設計，同時參照業(yè)界規(guī)范標準，本次建設選定的智能遠傳電表品牌型號為“科德KD107AK-6D”，此型號電表可獨立計量6路電路，具有一路RS 485通信接口，支持Modbus傳輸協(xié)議。每一層左右兩個宿舍內(nèi)電表分別安裝于共享廳內(nèi)的強電箱內(nèi)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關選型及安裝

為了遵循創(chuàng)新港“四網(wǎng)融合”綜合網(wǎng)絡的物理融合、統(tǒng)一納管原則，依據(jù)“四網(wǎng)融合”管理系統(tǒng)接入要求，本次建設采用的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關品牌型號為“華為AR502”，此型號物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關具備一路RS 485通信接口、兩路以太網(wǎng)通信接口，支持動態(tài)網(wǎng)關軟件嵌入，從而可支持包括Modbus在內(nèi)的多種常見物聯(lián)協(xié)議的自適配接入。根據(jù)校區(qū)整體網(wǎng)絡建設情況，將本次接入的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關統(tǒng)一安裝在宿舍區(qū)地下一層弱電間機柜內(nèi)。

（3）智能遠傳電表與物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關之間的連通

為保證通信質(zhì)量，根據(jù)宿舍分布特征及線纜距離，本次建設的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關原則上每臺接入不超過28個智能遠傳電表。利用智能遠傳電表RS 485串口，通過485線將同一棟樓不同宿舍內(nèi)的電表串聯(lián)后接入到地下一層弱電間的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關，通過Modbus完成協(xié)議適配。

3.2 應用軟件建設

（1）手機客戶端開發(fā)實現(xiàn)

手機客戶端主要為學生用戶提供繳費及電費查詢服務，為了方便學生用戶使用，盡量避免“應用碎片化”，此部分功能嵌入學校已有手機統(tǒng)一門戶“移動交通大學APP”中，功能實現(xiàn)效果如圖5所示。

學生用戶通過靜默登錄方式進入“移動交通大學APP”。點擊進入“創(chuàng)新港預付費充值”應用模塊，首次進入需進行房間綁定，綁定后可為此房間進行電費充值，充值功能對接調(diào)用學校一卡通支付平臺實現(xiàn)。該系統(tǒng)與學校宿管系統(tǒng)打通，若綁定的宿舍為此賬號身份對應的宿舍，則還可查詢該房間的詳細用電信息；為保障用戶隱私，若綁定的宿舍非此賬號身份對應的宿舍則無法查詢此房間信息。

（2）后臺管理系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)

后臺管理系統(tǒng)主要功能模塊有13項，限于文章篇幅，此處僅介紹系統(tǒng)運行情況監(jiān)控功能的實現(xiàn)情況，實現(xiàn)效果如圖6所示。

系統(tǒng)運行情況監(jiān)控包括對創(chuàng)新港園區(qū)3個宿舍區(qū)的整體運行情況進行實時分析展示，分析維度包括購電/退電/核銷/配合、各宿舍樓宇用電、累計購電金額/人次/累計用電量、實時運行負載、異常用電分析等。

以往學生宿舍的用電安全管理主要是采取限電、定時間斷送電的用電管理模式，已無法滿足高校學生的學習生活需求[9]。而學生宿舍異常用電的自動分析邏輯較為復雜，識別的方法大致可分為時域法和頻域法兩類[10]。本系統(tǒng)通過對全局用電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算當前時間段正常電量功率與累計用電量的分布范圍，對超出正常范圍的用電行為進行標注與告警，可以有效識別違規(guī)使用大功率用電器、漏電等存在安全隱患的事件，同時也實現(xiàn)了對宿舍私搭服務器挖礦行為的輔助判斷，有效消除了傳統(tǒng)學生宿舍用電管理中人工巡檢帶來的巡檢不及時、不到位、無法準確掌握異常信息等弊端。

4 結 語

創(chuàng)新港校區(qū)學生宿舍預付費用電系統(tǒng)的建成上線不僅為學生提供了便利，同時也提升了學校的后勤管理水平和服務質(zhì)量。通過實際情況檢驗，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，管理成本顯著降低，管理效率和質(zhì)量大幅提升。同時，通過本系統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)分析功能也能為學校能源管理提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考，為學校節(jié)能減排和綠色環(huán)保做出貢獻。未來，學校將進一步推進智能化建設，加大數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術在后勤管理中的應用力度，不斷提升學生生活服務質(zhì)量和校園環(huán)境品質(zhì)，打造更加智慧節(jié)能、人性化和綠色環(huán)保的校園。

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