摘要：為了改善高校學(xué)生宿舍安全用電、方便輔導(dǎo)員監(jiān)測(cè)和管理學(xué)生作息時(shí)間，維護(hù)校園安全，設(shè)計(jì)出了基于高校學(xué)生宿舍的水電表管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，通過對(duì)水電表數(shù)據(jù)的采集處理傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器采用Ｃ＃語言下的ｗｅｂ開發(fā)，*后通過移動(dòng)端ａｐｐ獲取采集的數(shù)據(jù)以及顯示。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)給學(xué)生帶來方便快捷的服務(wù)體檢，滿足學(xué)校監(jiān)管需求，隨時(shí)了解學(xué)生動(dòng)態(tài)并控制用電風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了物業(yè)及高校教學(xué)管理的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；用電安全；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)采集

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及學(xué)生公寓的普及，學(xué)生宿舍的用電情況發(fā)生了巨大變化?？茖W(xué)、合理地管理學(xué)生宿舍的用電情況，成為學(xué)校后勤管理部門面臨的一個(gè)十分重要的問題。同時(shí)，與學(xué)生生活密切相關(guān)的水電費(fèi)用對(duì)于學(xué)生來說也一直是個(gè)空白。而用電管理對(duì)學(xué)生可靠、安全、節(jié)約用電有十分重要的意義。

為了使學(xué)生能夠?qū)崟r(shí)查看自己所在宿舍每時(shí)段水電表使用情況，形成節(jié)約環(huán)保意識(shí)，也為了學(xué)校能夠更加方便快捷地監(jiān)測(cè)和管理學(xué)生作息時(shí)間，維護(hù)校園安全，順應(yīng)信息技術(shù)與教學(xué)管理深度融合的發(fā)展趨勢(shì)。設(shè)計(jì)出一款智能化水電表管理系統(tǒng)，采用信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的方式，可有效地對(duì)學(xué)生進(jìn)行管理。滿足了學(xué)校管理部門及學(xué)生對(duì)學(xué)生宿舍的用電管理需求，同時(shí)具備監(jiān)測(cè)學(xué)生用電狀態(tài)、遠(yuǎn)程付費(fèi)、遠(yuǎn)程管理用電安全等功能。它是一套軟硬件結(jié)合，包含下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集、服務(wù)器端系統(tǒng)軟件開發(fā)、移動(dòng)端客戶應(yīng)用開發(fā)等功能的系統(tǒng)。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)自下而上分成3個(gè)層次，*底層是具有采集數(shù)據(jù)功能的水表與電表、數(shù)據(jù)采集終端；通過校園內(nèi)局域網(wǎng)把采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器層，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分類；*上層是用戶層端，通過Ｉnｔｅｒｎｅｔ把數(shù)據(jù)傳輸給每一位用戶，可以是ＰＣ端或移動(dòng)端。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)有3部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)計(jì)量采集層，通過嵌入式ＡRM采集終端的ＲS485總線采取輪詢的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集水電表計(jì)數(shù)據(jù)。服務(wù)器層：數(shù)據(jù)服務(wù)器。存儲(chǔ)各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)結(jié)算功能?？蛻魧樱喊校枚耍鱡ｂ登錄及移動(dòng)端ａｐｐ?？蛇M(jìn)行分類分項(xiàng)查詢、以圖形、報(bào)表等方式顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)具有管理控制功能。

（1）數(shù)據(jù)計(jì)量采集層。包含直讀式水表、單相預(yù)付費(fèi)電表、數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)終端通過４８５ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集表計(jì)數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)器層。服務(wù)器層由遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。主要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)結(jié)算功能。圖形化的界面呈現(xiàn)各宿舍水電表使用情況，提供靈活、易用、高性能的可視化分析能力，讓數(shù)據(jù)說話！　　

（3）客戶層?？蛻魧又饕窍到y(tǒng)的移動(dòng)端，客戶層分為輔導(dǎo)員及學(xué)生ａｐｐ端。可根據(jù)需求按時(shí)段、按宿舍號(hào)、按管理宿舍進(jìn)行分類分項(xiàng)查詢、以圖形、報(bào)表等方式顯示，各大功能實(shí)現(xiàn)客戶的需求。

2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1數(shù)據(jù)計(jì)量采集層的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)計(jì)量采集層使用嵌入式ＡＲＭ平臺(tái)通過ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議連接直讀式水表與單相電子式預(yù)付費(fèi)電表從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集與分析。

數(shù)據(jù)采集端采用飛思卡爾的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，運(yùn)行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)，使用Ｃ語言編寫的應(yīng)用程序通過ＲＳ４８５連接線ＭＯＤＢＵＳ協(xié)議采取輪詢的方式實(shí)時(shí)或按時(shí)間間隔采集表計(jì)數(shù)據(jù)，一個(gè)采集終端可連接多個(gè)水電計(jì)量表。并通過ｕｄｐ網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)送到管理層服務(wù)器端。

（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)的搭建。采集終端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，應(yīng)用程序的開發(fā)針對(duì)交叉編譯器的選擇，本文選擇跟內(nèi)核編譯一樣的編譯器，這樣做的目的是為了減少編譯后程序運(yùn)行出現(xiàn)問題。首先在宿主機(jī)安裝交叉編譯器，并添加環(huán)境變量到Ｐｒｏｆｉｌｅ，這樣做的目的是方便應(yīng)用程序無論放在哪個(gè)目錄都可以進(jìn)行編譯。

（2）采集程序的編寫。采集終端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ設(shè)備，在開發(fā)平臺(tái)搭建好后，我們就可以在宿主機(jī)使用交叉編譯器對(duì)編寫的程序進(jìn)行交叉編譯，編譯好的程序可以直接在采集終端運(yùn)行。由于程序的主要功能是對(duì)ＲＳ４８５總線上的水電表計(jì)量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。所以程序的編寫，本文主要采取以下方式或流程完成。首先創(chuàng)建兩個(gè)ＲＳ４８５接口，并進(jìn)行初始化，分別對(duì)應(yīng)水表和電表，其次通過創(chuàng)建水處理線程和電處理線程。水處理線程輪詢所有水表，得到水表數(shù)據(jù)更新存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫并上傳到服務(wù)器端；電處理線程輪詢所有掛載在４８５總線的電表，并獲取到當(dāng)前電量和剩余電量，更新數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)并發(fā)送到服務(wù)器端存儲(chǔ)。

（3）采集程序的運(yùn)行。編譯完成可以通過ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登錄到采集終端，并通過ｆｔｐ把相關(guān)可執(zhí)行程序傳輸?shù)讲杉K端，再運(yùn)行相應(yīng)程序。

2.2服務(wù)器層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器層主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)結(jié)算功能。本系統(tǒng)是基于ｘ８６平臺(tái)的Ｗｅｂ開發(fā)，采用Ｃ＃語言，基于Ｂ／Ｓ結(jié)構(gòu)（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，瀏覽器／服務(wù)器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服務(wù)器，創(chuàng)建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ數(shù)據(jù)庫。用戶在任何一臺(tái)可以上網(wǎng)的電腦或移動(dòng)端設(shè)備打開瀏覽器，并在瀏覽器中輸入ＩＰ地址就可以登錄本系統(tǒng)搭建的服務(wù)器界面。

功能模塊分解如下：（1）登錄界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“登錄”界面用于系統(tǒng)管理員的登錄，需輸入登錄賬號(hào)、登錄密碼。用戶角色可選系統(tǒng)管理員和普通管理員。添加登錄驗(yàn)證主要用于防止外人進(jìn)入修改數(shù)據(jù)。（2）實(shí)時(shí)水電信息界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。用戶登錄系統(tǒng)后，住戶管理欄下有實(shí)時(shí)水電信息欄，進(jìn)入后可根據(jù)關(guān)鍵字查詢信息，并可以修改或添加。有如下信息：房號(hào)、戶主姓名、電話、當(dāng)前電表數(shù)、剩余電表數(shù)和當(dāng)前水表數(shù)等。（3）用水用電一覽表。“用水用電一覽表”用于對(duì)各個(gè)宿舍的水電信息、水電費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并以圖表形式顯示。（4）水價(jià)類別設(shè)置與電價(jià)類別設(shè)置界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“水價(jià)類別設(shè)置”與“電價(jià)類別設(shè)置”界面用于對(duì)水價(jià)與電價(jià)類別的設(shè)置與修改。（5）區(qū)域設(shè)置界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“區(qū)域設(shè)置”界面用于對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行瀏覽，并可以查詢與修改。（6）月抄表及查詢界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“月抄表及查詢”界面用于對(duì)各個(gè)宿舍的水電用量、應(yīng)交水電費(fèi)和抄表月份進(jìn)行瀏覽，同時(shí)可根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行搜索查詢。（7）統(tǒng)計(jì)抄表情況界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。“統(tǒng)計(jì)抄表情況”界面可對(duì)各個(gè)月份的抄表次數(shù)和收費(fèi)合計(jì)進(jìn)行瀏覽。

2.3客戶層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

客戶層主要是系統(tǒng)的移動(dòng)端，客戶層分為輔導(dǎo)員及學(xué)生ａｐｐ端，如圖４所示。

可根據(jù)需求按時(shí)段、按宿舍號(hào)、按管理宿舍進(jìn)行分類分項(xiàng)查詢、以圖形、報(bào)表等方式顯示，各大功能實(shí)現(xiàn)客戶的需求。采用ＪＡＶＡ語言開發(fā)，ＳＱＬｉｔｅ數(shù)據(jù)庫。在Ａｎｄｒｏｉｄ系統(tǒng)的ａｐｐ客戶端，在用戶注冊(cè)賬號(hào)時(shí)要設(shè)定個(gè)體的身份信息，系統(tǒng)將通過注冊(cè)的賬號(hào)識(shí)別學(xué)生、輔導(dǎo)員、管理員身份，自動(dòng)適配功能模塊。

2.3.1輔導(dǎo)員端ＡＰＰ的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

輔導(dǎo)員端ＡＰＰ實(shí)現(xiàn)的功能將通過首頁、水電、我的３個(gè)主頁切換展示，輔導(dǎo)員端的３個(gè)主頁通過底部導(dǎo)航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

（1）首頁界面的設(shè)計(jì)。廣告輪播：輪番展示校園風(fēng)景。報(bào)警信息：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看該宿舍在限定水電用量超額時(shí)的告警信息，提供給輔導(dǎo)員遠(yuǎn)程通斷控制，點(diǎn)擊后可以遠(yuǎn)程控制該宿舍開關(guān)。閑時(shí)用量：提供跳轉(zhuǎn)入口去查看設(shè)定的閑時(shí)時(shí)段該宿舍電的使用情況。電用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當(dāng)天的用電量，并且顯示出來。水用量：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器獲取該宿舍當(dāng)天的用水量，并且顯示出來。

（2）水電界面的設(shè)計(jì)。水電界面的設(shè)計(jì)主要是方便輔導(dǎo)員實(shí)時(shí)查看管理宿舍水電用量信息。點(diǎn)擊宿舍編號(hào)，可以顯示選擇宿舍的水電量。水電主頁中將其所屬宿舍當(dāng)前的水電使用情況分別通過柱型圖的方式直觀展示出來。

（3）個(gè)人中心主要有如下幾個(gè)功能：（ａ）我的宿舍。展示輔導(dǎo)員本人所管理宿舍號(hào)，同時(shí)提供宿舍添加和刪除功能。（ｂ）閑時(shí)設(shè)置。提供跳轉(zhuǎn)入口進(jìn)入設(shè)置預(yù)期水電用量低的時(shí)間段的頁面，比如設(shè)置晚上１２點(diǎn)至早６點(diǎn)預(yù)期用量低時(shí)間段，或根據(jù)課表設(shè)置閑時(shí)時(shí)段。（ｃ）預(yù)警設(shè)置。預(yù)警管理功能目的是監(jiān)控所管理宿舍的水電使用量是否超出預(yù)期設(shè)定值，一旦水電使用量達(dá)到超額限定時(shí)系統(tǒng)將記錄下超額發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，功率大小及持續(xù)時(shí)間。按照管理需求，預(yù)警可以設(shè)定多個(gè)，一般情況設(shè)置兩種類型的預(yù)警情況，一個(gè)是閑時(shí)時(shí)段水電用量預(yù)警，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)宿舍設(shè)備或其他異常情況出現(xiàn)，另外一種是間隔單位時(shí)間內(nèi)用電量預(yù)警，目的是識(shí)別或記錄下大功率電器的使用情況。

2.3.2學(xué)生端ＡＰＰ的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

學(xué)生端ＡＰＰ同樣采用３個(gè)功能將通過首頁、水電、我的３個(gè)主頁切換展示，學(xué)生端的３個(gè)主頁同樣通過底部導(dǎo)航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

其中首頁主要記錄學(xué)生所在宿舍當(dāng)前月份水電用量信息，水電頁面通過柱型圖的方式直觀展示水電使用情況，查看方式可以設(shè)置按月，周，日進(jìn)行查看。

當(dāng)選擇按月展示時(shí)：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當(dāng)月每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進(jìn)行展示，即界面將呈現(xiàn)３０個(gè)單位柱圖展示１個(gè)月內(nèi)３０天水電用量變化情況。

當(dāng)選擇按周展示時(shí)：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍當(dāng)周每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進(jìn)行展示，即界面將呈現(xiàn)７個(gè)單位柱圖展示１周內(nèi)７天水電用量變化情況。

當(dāng)選擇按日展示時(shí)：通過網(wǎng)絡(luò)輸入流從服務(wù)器取出該宿舍每天每小時(shí)的用電用水量，并且通過柱形圖來進(jìn)行展示，即界面將呈現(xiàn)２４個(gè)單位柱圖展示內(nèi)２４小時(shí)水電用量變化情況。

我的主頁主要有充值繳費(fèi)和余量提醒兩個(gè)功能，學(xué)生可以通過充值繳費(fèi)功能進(jìn)行遠(yuǎn)程，設(shè)置余量提醒功能和設(shè)置提醒值。

3 AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)

3.1平臺(tái)概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對(duì)校園能源統(tǒng)計(jì)、后勤計(jì)費(fèi)管理、校園運(yùn)維管理等提供高校的信息化管理平臺(tái)。從“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”多個(gè)角度解析高校當(dāng)下及未來的用能問題及用能需求，在統(tǒng)一的需求下“實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)、信息互通”等管理模式。助力學(xué)校管理智能化、數(shù)字化、綜合化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能校園、綠色校園、低碳校園。

3.2平臺(tái)組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺(tái)采用開放的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層組成。平臺(tái)融合電力監(jiān)控、電能統(tǒng)計(jì)、電氣安全、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、預(yù)付費(fèi)等功能，用戶通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)企業(yè)用電進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運(yùn)維，同時(shí)滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、高效、有序的要求。

3.3平臺(tái)架構(gòu)

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監(jiān)控與運(yùn)維

集成設(shè)備所有數(shù)據(jù)，綜合分析、協(xié)同控制、優(yōu)化運(yùn)行，集中調(diào)控，集中監(jiān)控，數(shù)字化巡檢，移動(dòng)運(yùn)維，班組重新優(yōu)化整合，減少人力配置。

4.2后勤計(jì)費(fèi)管理

采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)抄表付費(fèi)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電、水、氣等能源綜合計(jì)費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、費(fèi)率設(shè)置、賬單統(tǒng)計(jì)匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設(shè)置補(bǔ)貼方案。通過能源付費(fèi)管理方式，培養(yǎng)用能群體和部門的節(jié)能意識(shí)。

4.2.1宿舍用電管理

針對(duì)學(xué)生宿舍用電進(jìn)行管理控制：可批量下發(fā)基礎(chǔ)用電額度和定時(shí)通斷功能；

可進(jìn)行惡性負(fù)載識(shí)別，檢測(cè)違規(guī)電氣，并可獲取違規(guī)用電跳閘記錄；

4.2.2商鋪水電收費(fèi)

針對(duì)校園超市、商鋪、食堂及其他針對(duì)個(gè)體的水電用能進(jìn)行預(yù)付費(fèi)管理

4.2.3充電樁管理平臺(tái)

充電樁在“源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充”信息能源結(jié)構(gòu)中是必*。充電樁應(yīng)用管理同樣是校園生活服務(wù)中必*一部分。