基于物聯網技術的教室智能用電系統設計與實現

趙培君

(信陽農林學院 信息工程學院，河南 信陽 464000)

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基于物聯網技術的教室智能用電系統設計與實現

趙培君

(信陽農林學院 信息工程學院，河南 信陽 464000)

摘要：為解決當前高校教室用電浪費嚴重、效率較低的問題，在分析了物聯網技術在智能校園、智能家居中廣泛應用的基礎上，設計了基于物聯網的教室智能用電系統。該系統通過物聯網的相關技術對教室的照明燈、電風扇、投影儀、音響和空調等進行智能控制，當教室光線充裕、溫度適宜和無人學習等情況下，對教室用電設備進行智能控制，提高用電效率，也符合“節能、節電、低碳校園”建設的要求。

關鍵詞：物聯網技術；智能校園；智能控制

據調查，目前很多高校的教室、實驗室、機房等都是開放式的，全天候為學生們提供學習和實驗的地點，也就是說不管教室、實驗室、機房用多少電，學校都支付相應的用電費用，這樣造成各部門以及個人沒有明確的用電責任；同時，由于部分老師、學生節約用電意識淡薄，長時間不關電腦、照明燈、電風扇、空調、投影儀和音響等用電設備已經成為普遍現象，這樣就容易造成一些電能的不必要用浪費。合理用電，節約用電，以及將一些廢棄能源轉化為電能已經成為我國“十二五”規劃綱要提出的“節能減排”工作中的重中之重[1]。

1物聯網技術

物聯網根據全面感知、可靠傳遞以及智能處理的三大功能需要，可以將實現過程分為感知層、網絡層、應用層等三大體系結構[2]。

感知層主要用于識別物體，采集信息。它包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器、M2M終端、傳感器網關等，其功能類似于人體結構中的皮膚和五官。

網絡層是物聯網的神經中樞和大腦——用于信息的處理和控制指令的發出。網絡層作為紐帶連接著感知層和應用層，它由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成，負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸到應用層，然后根據不同的應用需求進行信息的處理。

應用層是是物聯網的接口——用于遠程識別、讀取和操控。在感知層、網絡層對信息的大量收集下匯總、互通、共享、分析、決策等物品信息。它是物聯網和用戶的窗口，它與行業需求相結合，實現物聯網的智能應用[3]。其結構圖見圖1。

圖1物聯網系統框圖圖 2智能用電系統框圖

2系統總體設計

感知層由若干感知節點和控制節點組成，感知節點用于對教室、實驗室和辦公室等用電地點的環境參數進行數據感知和采集；控制節點用于對教室、實驗室和辦公室等的用電設備電源開關狀態進行控制。

網絡層由中心協調器、RS485網絡、ZigBee無線通信網絡、Wifi無線通信網絡和以太網組成，負責采集數據和控制指令的控制與處理[4]。

應用層則由智能用電控制系統上位機、管理服務器和客戶終端組成，負責對用電的數據進行收集、分析以及發出相應的控制命令。智能用電系統框圖如圖2所示。

3系統硬件設計

感知層節點由控制節點和傳感器節點組成。控制節點包含照明燈控制節點、風扇控制節點、投影儀控制節點、音響控制節點和空調控制節點等；傳感器節點主要包含有熱釋電紅外傳感器KP506B、光敏傳感器HL304HY、溫度傳感器PT100等。

控制節點主要接收中心協調器的控制指令，通過指令對各種用電設備的的用電情況進行控制；傳感器節點主要采集用電數據并將該數據發送給中心協調器。

采用多種組網技術，將不同類型的節點用其最適宜的通信方式進行控制。光敏傳感器、紅外傳感器、溫度傳感器等采用ZigBee方式；照明燈控制節點、風扇控制節點、音響控制節點采用RS-485串行通信接口方式；空調控制節點、投影儀控制節點等遙控器紅外編碼，采用WiFi方式連接物聯網網關，實現控制[6]。

系統網關主要包括以太網網絡模塊、RS-485接口模塊、ZigBee無線通信模塊和WiFi無線通信模塊，其中網絡模塊負責與平臺等的數字網絡通信，包括通信通道的建立及通信指令的解析，采用有線網絡的方式進行接入[6]。

4系統軟件設計

本系統利用Microsoft SQL Sever 2010建立數據庫管理系統，通過網絡層的智能用電管理系統數據庫服務器，匯聚由感知層傳來的傳感器節點的數據信息，將大量數據進行有效的歸納匯總，最終實現智能的分析處理(見圖3)，滿足數據庫管理系統具有數據安全性、完整性、并發性控制以及故障發現和恢復等功能，能夠對數據庫訪問提供高效、靈活的訪問方式[7]。

網站運行過程中需要對數據管理系統進行數據訪問，本系統采用基于ADO.NET的數據訪問技術，實現網站與Microsoft SQL Sever 2010數據庫管理系統之間的數據交互。ADO.NET對可擴展標記語言提供全面支持，并且提供全新的非連接數據緩沖模型，這使得其在構建結構松散的、非連接的Web應用程序時有著得天獨厚的優勢。

圖3軟件設計流程圖

圖4軟件遠程控制界面

5系統測試

系統應用程序采用Browser/Server結構，使用Microsoft Visual Studio 2013進行開發，采用Microsoft的Web服務器Internet Information Server (IIS)，數據庫服務器采用Microsoft SQL Sever 2010。對教室、實驗室和辦公室等用電地點各傳感器進行數據實時的用電環境、用電設備的狀態等數據收集，通過中心協調器對這些數據進行智能分析、處理和存儲。如發現有傳感器采集的值偏離了正常范圍，則表該傳感器節點所在的位置沒有用電需求者，即可通過控制節點將用電設備關閉或斷電。

6小 結

本文通過物聯網技術對教室的所有用電設備進行了組網，利用傳感器獲取相應的指令信息，進行判斷識別，實現對教室、實驗室、機房等的用電設備進行智能控制。下一步將基于物聯網的智能用電技術進一步推廣，使整個校園的用電設備都能實現智能的用電，避免不必要的浪費，為促進 “節能、節電、低碳校園”的建設做出貢獻。

參考文獻：

[1]國家能源局.國家能源科技“十二五”規劃(2011-2015)[S].2011.

[2]劉云浩.物聯網導論[M].北京：科學出版社, 2010.

[3]國家電網公司. 智能電網關鍵設備(系統)研制規劃[S].2010.

[4]李東東, 崔龍龍，李順富，等.家庭智能用電系統研究及只能控制器開發[J].電力系統保護與控制，2013, 41(4) : 123-129.

[5]劉錦, 張巖，張榮輝，等.基于物聯網架構的溫室環境監測系統[J].河北農業大學學報, 2012, 34(9) : 115-119.

[6]劉學會, 田珍.基于物聯網的智能家居安防監控系統設計與實現[J].制造業自動化, 2012, 34(17) : 38-40.

[7]王珊，薩師煊.數據庫系統概論[M].北京：高等教育出版社, 2003.

(編輯：嚴佩峰)

收稿日期：2015-10-25

作者簡介：趙培君(1985—)，女，河南信陽人，講師，碩士，研究方向：故障診斷與容錯控制.

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8978(2016)03-0117-03

Design and Implementation of Intelligent Power System in Classroom Based on Internet of Things

ZHAO Pei-jun

(School of Information Engineering，Xinyang Agriculture and Forestry University, Xinyang 464000, China)

Abstract：In order to solve the current electricity waste and low efficiency at college of classroom, on the analysis of the Internet of things technology widely used in intelligent campus and intelligent household, design an intelligent power system based on Internet of things at college of classroom. The system can intelligently control the lighting, electric fan, projectors, audio and air conditioning through the relevant technology of the Internet of things. When the light is abundant, the temperature is suitable and nobody is learning in the classroom, the intelligent control for electrical equipment in the classroom, can improve the efficiency of electricity, and conform to the "energy saving, power saving, low carbon campus" construction requirements.

Keywords：Internet of things technology; intelligent campus; intelligent control