學校智能用電管理系統研發

李嘉鴻

【摘 要】以低碳照明、節能減排、智能用電管理為目標，研發智能插座、用電采集器、互動終端、智能用電管理平臺，以計算機網絡為基礎通信，實現對學校公共照明和宿舍用電的實時監控、用電信息的集中采集、分析和管理，提高學校用電管理水平和節約電能水平。

【關鍵詞】互動終端；RS485；G24

0 引言

按照國家電網的發展規劃，2009年、2010年為智能電網的“規劃試點階段”，主要工作是制定規劃和相關標準。2011年至2015年，則是智能電網計劃的“全面建設階段”，這一階段的投資金額接近2萬億元。

國家電網公司計劃在2015年前，智能電表覆蓋率達到80%，2020年全面覆蓋。智能電表的推廣應用將催生智能用電服務等產業的發展。

學校智能用電管理系統將在提高學校用電節能和安全用電管理水平發揮重要作用。

1 研發目的和意義及創新和突破點

1.1 利用計算機網絡通信，降低項目建設、運維成本

目前學校的計算機網絡有線RJ45或無線WI-FI連接基本實現全覆蓋。利用計算機網絡通信，具有現有物理鏈路、易維護、易推廣、易使用、低成本等優點。

1.2 低碳照明，實現節能減排

學校的公共場所公共照明用電都是開放式的，沒有明確的用電責任造成用電的極大浪費，不符合國家正積極倡導的創建節約型校園的政策。

采用光監控和推廣LED等節能、綠色的新材料、新產品對節能減排和延長燈具壽命起著積極作用。但光監控的整體響應限制節能水平，智能用電管理平臺的集中監控和移動監控，可以對公共照明用電進行實時、針對性的監控，降低勞動強度和維護成本、提高工作效率和照明質量。

1.3 提高基礎設施的復用度，實現用電信息的集中采集

智能電網以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節。智能電表是由測量、數據處理、通信等單元組成，具有電能量計量、信息存儲及處理、實時監控、自動控制、信息互動等功能的電能表。智能電表作為智能電網的重要組成部分，為實時采集用戶用電信息提供基礎數據。充分利用智能電表功能，在不增加成本的情況下，能從智能電表采集到用電設備的實時用電量。取代傳統的人工抄表，節省了人力、財力，大大提高了用電管理的自動化程度，同時通過對用電數據進行分析、診斷，幫助學校了解用電設備的能耗情況和異常用電分析，提高用戶的節能減排水平，同時消除學校用電安全隱患。

1.4 系統創新及突破點

①項目通信協議支持嵌入指令，提高受控設備接入的方便性，降低系統通信網絡流量；

②采用手機通信，實現移動控制，使項目更具先進性、實用性；

③實現具有自主知識產權的應用系統；

④項目嵌入指令的設計，提高數據傳輸的經濟性和可靠性。

2 主要研發內容及擬解決的關鍵技術

本項目以電力線載波通信技術為核心，以“低碳照明、節能減排、智能用電管理”為目標，研發通信協議、智能插座、用電采集器、互動終端、智能用電管理平臺于一體的學校智能用電管理系統。系統設計框架圖如下（圖1）：

2.1 主要研發內容

其核心研發內容主要集中下面三個方面：

2.1.1 研制項目設備

（1）根據面向對象“抽象、封裝”設計原則，研制WI-FI通信模塊、無線G24、通信模塊、電源模塊、軟開關控制模塊、硬開關控制模塊等系統設備的通用模塊。

（2）研制集WI-FI通信模塊、通過RS485通信采集電表用電信息的采集器。

（3）研制集WI-FI通信模塊、無線G24通信模塊的互動終端。

（4） 研制集無線G24通信模塊或WI-FI通信模塊、軟開關控制模塊、紅外線控制的智能插座。

（5）研制集無線G24通信模塊或WI-FI通信模塊、硬開關控制模塊的智能插座。

2.1.2 研究系統組網技術方案

（1）設計系統通信協議，提高系統數據傳輸的經濟性和安全性，降低對計算機網絡的影響程度；支持各種型號的空調、投影儀、電表的控制指令的透明嵌入，提高系統應用的適應性。

（2）開發智能手機操作軟件，實現移動互動、控制和報警信息的短信通知，提高故障響應能力、系統運行質量和實用性，降低系統運維成本。

（3）通過計算機網絡把系統設備、智能手機、管理平臺連接起來，形成一個無需重新布線的系統通信網絡。

2.1.3 開發用電管理平臺

構建智能用電管理平臺，實現對學校用電信息采集、用電安全、用電設備進行集中管理和控制。

2.2 擬解決關鍵技術

2.2.1 不同電表的用電采集指令不同，目前大部分指令為DL/T 645和MODBUS RTU廠家協議指令，不同型號電表的數據存儲地址各不相同，如何把不同指令嵌入到項目通信協議，是解決項目設備適應性的關鍵技術。

2.2.2 不同型號的空調、投影儀的控制指令各不相同，如何把不同指令通過項目設備傳遞到對應設備，是項目需解決的另一個關鍵技術。

3 采用的研究方法、技術路線以及工藝流程

3.1 系統采用的研究方法

本系統將采用多專業、多學科人員相結合、學?？蒲袉挝慌c生產企業相結合的方式，以市場需要為基礎，以學校需求為導向，依據最新政策、法律、法規、條例和規范進行研發。

從“學校低碳照明、節能減排、智能用電管理”的項目建設目標出發，應用可擴展到其它信息服務、智能控制所需求的行業，如：水表、煤氣表集中抄表、城市道路照明智能管理、智能家居等應用領域。

3.2 技術路線

本系統在借鑒和研究國內外現有產品的基礎上，利用已有的研究基礎，根據市場需求，開發樣品。經過測試，試運行，市場拓展，從而實現產業化。系統研發過程以嵌入指令、學習指令為技術重點，對項目設備電路設計以“實驗、測試樣品、電路優化、樣品制作、模具設計，先通用后專用”的流程進行；軟件按“需求分析、總體設計、詳細設計、程序開發、測試、試運行”的開發步驟進行。

系統通信協議設計技術方案：

系統通信協議為半雙工問答式連接。請求方發送包含地址的指令，應答方識別請求方發來的指令，決定產生何種行動。如需回應，應答方將生成反饋信息并用系統通信協議發出。

數據幀是傳送信息的基本單元，每幀由開始標識，目標地址、源地址、數據幀序號、數據幀識別碼、指令識別碼、數據長度、地址域長度、數據域【前導數據域】+地址域+【后續數據域】、校驗碼CS和結束標識組成。幀格式如表1所示：

①開始標識（1字節）：標識一幀信息的開始，其值為68H=01101000B=104D。

②目標地址（1字節）：表示需要接收數據幀的目標節點地址。

③源地址（1字節）：表示發送數據幀的節點地址。

④數據幀序號（1字節）：發送方從01H～FFH自行循環編號，應答方不能修改該編碼，保證數據幀的完整和指令不被重復執行。

⑤數據幀識別碼（1字節）（表2）：

數據幀識別碼高4位為完整數據幀數量，表示構成完整幀的數量，數據幀識別碼高4位D7 D6 D5 D4 = 1111表示完整數據幀必須由16個數據幀合成；數據幀識別碼高4位D7 D6 D5 D4 = 0001，表示為單幀。數據幀識別碼低4位 D3 D2 D1 D0為數據幀內序號，作用于完整數據幀的拆分和合成。

⑥指令識別碼（1字節）（表3）：

指令識別碼D7為保留，暫未定義；標識1 D6 = 0表示數據幀為本地指令，D6 = 1表示數據幀為嵌入指令；標識2 D5 = 0表示數據幀為請求指令，D5 = 1表示數據幀為應答結果；標識3 D4 = 0表示指令必須反饋，D4 = 1表示指令不需反饋；指令識別碼低4位D3D2D1D0 為指令碼。

應用實例1：如本項目約定指令碼=1000，表示保存第一條操作指令在本節點，該操作指令的實際作用是開啟某型號的空調，指令碼=1100，表示讀取存儲在本節點的第一條操作指令。本系統約定節點最多可以保存8條操作指令，如指令碼=1011，表示保存第8條操作指令在節點，該操作指令可能是關閉某型號的投影儀，指令碼=1111，表示讀取存儲在節點的第8條操作指令。存取操作指令在節點，其目的在于初始化時，在節點保存操作指令，實現嵌入式指令保存在節點，運行時直接從節點讀取操作指令，降低數據幀的傳輸長度，提高項目操作指令傳輸的經濟性和可靠性。其它指令碼約定由開發人員根據系統功能需求進行詳細約定。

⑦數據長度（1字節）：數據長度的高4位D7 D6 D5 D4 表示數據域的前導數據域的數據長度L1，數據長度的低4位D3 D2 D1 D0表示數據域的后續數據域的數據長度L3。

⑧地址域長度（1字節）：表示數據域的地址域的數據長度L2。

⑨數據域（可變長）：長度= L=L1+L2+L3。數據域作用于傳輸結果和操作指令，因為地址編碼存在于操作指令的任意位置，把數據域分為【前導數據域】+地址域+【后續數據域】三部分，使同一型號的相同操作可以共享同一操作指令，降低項目操作指令數量。

數據幀為本地指令時，地址域為全零時表示執行指令的節點為本地節點；不為零時表示執行指令的為本地節點所管理的下級節點或子控制單元。數據（L-1字節），為有效數據或實際操作指令。

數據幀為嵌入指令時，目標地址節點向節點的分支總線（如用電采集器與電表連接的RS485總線）轉發數據域（【前導數據域】+地址域+【后續數據域】）的完整數據。

應用實例2：指令"10916202803032391608907856341200010243"是采集電表號為"3032391608"昨天的用電量，要完成這項功能有兩條途徑：

途徑1：請求方編制指令識別碼為"00001001"=09H，表示保存第二條操作指令在目標節點；數據長度"01011001"=59H，表示數據域的前導數據長度為L1=5字節，后續數據長度L3=9字節；地址域長度 "00000101"=05H，表示數據域的地址域長度L3=5字節；數據域的前導數據、地址域、后續數據分別為"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目標節點接收到該數據幀后，把前導數據和后續數據保存在節點的永久存儲空間。該操作指令成功執行過一次后，請求方編制指令識別碼為"01011101"=5DH，地址域數據可以是 "3032391608"或其它有效電表編號，不需前導數據和后續數據，節點接收到該數據幀后，讀取存儲在本節點的第二條操作指令，合成前導數據+地址域+后續數據的完整操作指令后，向分支總線發送指令，讀取總線反饋數據后，編制反饋操作結果給請求方。

途徑2：請求方編制指令識別碼為"01010001"=51H（0001假設為讀取電表數據指令碼）；數據長度"01011001"=59H，表示數據域的前導數據長度為L1=5字節，后續數據長度L3=9字節；地址域長度 "00000101"=05H，表示數據域的地址域長度L3=5字節；數據域的前導數據、地址域、后續數據分別為"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目標節點接收到該數據幀后，合成前導數據+地址域+后續數據的完整操作指令后，向分支總線發送指令，讀取總線反饋數據后，編制反饋操作結果給請求方。

與途徑2比較，途徑1使同一型號的相同操作可以共享同一操作指令，降低項目數據幀的總長度，提高操作指令傳輸的經濟性和可靠性。

⑩校驗碼CS（1字節）：累加從數據幀的開始標識到校驗碼的各字節，求累加值除以256 的余數，余數就是效驗碼。即各字節二進制算術和，不計超過256 的溢出值。

{11}結束標識（1字節）：標識一幀信息的結束，其值為16H=00010110B=22D

利用系統通信協議的數據幀識別碼，保證數據幀的完整和嵌入指令的可識別，實現不同指令的規范化嵌入系統通信協議。提高系統的適應性和實施方便性，降低系統維護成本和工作量。

3.3 研制系統設備

系統設備以電路模塊化設計、部件拼接方式進行研制，降低系統投資成本，增強項目的可擴展性和可維護性。通用模塊部件包括WI-FI通信模塊、無線G24通信模塊、電源模塊、軟開關控制模塊、硬開關控制模塊等，其中電源模塊可以應用到系統設備智能插座、用電采集器、互動終端。

3.3.1 互動終端設計

必要模塊包括WI-FI通信模塊和電源模塊，WI-FI通信模塊作用于通過計算機網絡，實現系統設備接入系統網絡?；咏K端必須設計有存儲操作指令的永久存儲控制。

如果互動終端管轄的智能插座數量較少，可以把軟開關控制模塊、硬開關控制模塊集成到互動終端中，減去互動終端與智能插座之間的無線G24通信模塊。

如果互動終端管轄的智能插座數量較多，必須集成無線G24通信模塊，便于智能插座的安裝。

3.3.2 用電采集器設計

必要模塊包括WI-FI通信模塊和電源模塊，通過RS485通信采集電表用電信息的采集器，存儲操作指令的永久存儲控制。

為提高用電安全水平，可以增加硬開關控制模塊，作用于對電表輸出電源的控制。

3.3.3 智能插座設計

必要模塊包括無線G24通信模塊和電源模塊，G24通信模塊作用于與互動終端通信。智能插座解釋互動終端下達的指令，直接通過硬開關控制模塊控制電源或上報設備用電狀態；通過軟開關控制模塊向用電設備發送開啟或關閉設備，如指令為開啟指令，模塊必須檢測設備處于通道狀態，所以可以集成硬開關控制模塊，先通過指令控制設備通電，再向用電設備發送開啟指令。為了保護用電設備如投影儀，關閉時先向用電設備發送關閉指令，再通過指令控制設備斷電。

3.3.4 操作指令采集器設計

操作指令采集器具有學習、采集不同設備、不同型號控制指令的功能。對實際應用中的設備控制指令進行采集，通過RS232、藍牙、或WI-FI通信模塊與管理平臺通信，為系統提供操作指令基礎數據。電表采集指令可以直接通過電腦錄入系統。

3.4 配套手機軟件

開發用電管理APP軟件，通過智能手機實現移動控制和遠程監控。

建立管理平臺，是為了能夠更方便、簡潔地控制設備、降低網絡流量，平臺軟件必須具有指令編輯功能。

系統軟件體系結構采用三層C/S結構。系統軟件結構圖如圖2。

平臺軟件和手機操作軟件為表示層，通過功能層與數據層進行數據交換。平臺軟件負責完成本系統軟件功能、保證本系統正常運行，操作員必須進行的業務操作和會話的功能軟件。平臺軟件采用B/S結構開發，方便手機APP軟件的開發，提高系統的可維護性和擴展性。

4 結束語

本系統關聯度大，涉及現代生產性服務業、智能電網、節能減排、信息化與工業化融合等諸多領域，發展前景廣闊。對學校節省開支，提高工作效率有積極意義。

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[責任編輯：湯靜]