宿舍樓大功率電器監(jiān)控與智能管理系統(tǒng)設(shè)計

彭團結(jié) 孫旭東 任澤斌 張軼虓

摘? 要：針對學(xué)校宿舍的用電安全和管理存在的眾多問題[1]，文章設(shè)計并實現(xiàn)一種遠(yuǎn)程監(jiān)控宿舍用電的監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)分為監(jiān)控中心（上位機）、手機APP和下位機3部分。上位機用于監(jiān)控用電信息、火災(zāi)報警并做好相應(yīng)記錄。下位機由STM32單片機進行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸;系統(tǒng)采用差值功率算法通過瞬增功率識別大功率用電器，滿足電器管理需求;手機可以遠(yuǎn)程查看宿舍的用電器、火災(zāi)、電燈、空調(diào)信息并進行控制，手機遠(yuǎn)程查看與控制宿舍設(shè)備更加方便快捷。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);大功率識別;監(jiān)控中心;遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TM921.5? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0092-02

Abstract： Aiming at many problems existing in the safety and management of electricity in dormitory[1]， this paper designs and realizes a remote monitoring and management system of electricity in dormitory. The system is divided into three parts： monitoring center （upper computer）， mobile APP and lower computer. The upper computer is used to monitor the electric parameter， fire alarm and record it. The STM32 MCU is used to collect， process and transmit the data， and the differential power algorithm is used to identify the high power appliances by the instantaneous power to meet the needs of the electric appliance management.

Keywords： Internet of things technology; high-power identification; monitoring center; remote management

引言

面對宿舍用電事故的頻頻發(fā)生，雖然高校對宿舍使用大功率電器管理力度很大，但由于管理手段不足，學(xué)生經(jīng)常偷偷使用大功率電器而引發(fā)火災(zāi)。因此，無法從根本上解決學(xué)生使用大功率電器問題。本文設(shè)計了監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)宿舍使用大功率電器時，單片機控制斷電，監(jiān)測中心進行報警并進行記錄;用戶使用手機遠(yuǎn)程查看宿舍用電設(shè)備進行控制。系統(tǒng)加強了宿舍安全管理，減少人力成本。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由設(shè)備終端、中繼設(shè)備、監(jiān)控中心和用戶APP

4部分構(gòu)成[2]，如圖1 所示。設(shè)備終端負(fù)責(zé)信號采集，將采集的數(shù)據(jù)通過無線串口上傳到中繼設(shè)備;中繼設(shè)備負(fù)責(zé)信號的上傳下發(fā);監(jiān)控中心負(fù)責(zé)報警以及數(shù)據(jù)的記錄管理;用戶可以進行遠(yuǎn)程查看宿舍信息進行控制。

終端設(shè)備采用STM32單片機作為控制模塊，外圍電路由繼電器、電能計量、空調(diào)、WiFi、NRF無線串口、煙霧、火焰、報警器模塊組成，如圖2所示。其中，控制器完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、報警功能;電能計量模塊采集宿舍供電回路功率、電流信息;系統(tǒng)通過繼電器控制回路的通斷;無線串口負(fù)責(zé)將控制器數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼設(shè)備;WiFi模塊負(fù)責(zé)和控制器通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到機智云服務(wù)器;控制器采集煙霧、火焰信息，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時通過報警器進行報警，通過紅外解碼模塊拷貝空調(diào)遙控器，控制器將數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送至機智云服務(wù)器從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)功率監(jiān)控算法設(shè)計

宿舍樓大功率用電器的設(shè)別：系統(tǒng)定時循環(huán)采集宿舍的總功率，將采集到的功率值前后求差記為ΔS[5];如某時刻ΔS大于運行瞬增功率，并且滿足后面采集到功率值大于ΔS，則判斷該宿舍使用了大功率電器，控制器驅(qū)動繼電器斷開電源，避免尖峰脈沖引起誤判。識別線路老化過流：線路老化會加大損耗，則線路電流會增大，此時電流會超過額定電流，監(jiān)測設(shè)備同上處理。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 功率監(jiān)測電路設(shè)計

功率計量由電能計量模塊和繼電器組成，如圖3所示，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至控制器，再由控制器通過無線串口模塊發(fā)送至中繼設(shè)備。當(dāng)控制器識別到大功率電器時控制繼電器斷開，進而達到斷電的目的。

3.2 數(shù)據(jù)通信設(shè)計

3.2.1 Wifi模塊

Wifi采用ESP8266模塊，通過TXD、RXD與控制器連接，將控制器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)發(fā)至機智云服務(wù)器，如圖4所示。學(xué)生使用機智云手機APP查看宿舍用電設(shè)備[3]，同時通過服務(wù)器下發(fā)控制命令給控制器從而達到控制用電設(shè)備的目的。

3.2.2 NRF無線串口模塊

控制器與上位機通信用NRF無線串口模塊;控制器與NRF模塊基于SPI通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。NRF模塊將數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)街欣^設(shè)備，中繼設(shè)備再將數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到上位機，如圖5所示。

4 上位機與APP設(shè)計

上位機采用C++builder編程，通過NRF模塊與下位機建立通信[4]，上位機負(fù)責(zé)接收中繼設(shè)備發(fā)來的功率、火災(zāi)等數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備用電數(shù)據(jù)超過設(shè)定值時，控制器進行斷電同時上位機進行報警，記錄報警次數(shù)、時間信息遠(yuǎn)程開啟供電，如圖6所示。手機APP是基于機智云設(shè)計，控制器通過Wifi將數(shù)據(jù)發(fā)至機智云服務(wù)器，用戶手機通過服務(wù)器進行查看和控制宿舍用電設(shè)備。

5 結(jié)束語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究了大功率監(jiān)控與智能管理對原有的功率識別進行了改進，系統(tǒng)實現(xiàn)對整個宿舍樓的每間宿舍進行監(jiān)測。作者將繼續(xù)研究擬采用攝像頭進行宿舍衛(wèi)生、用電管理。拍攝宿舍照片進行算法處理，劃分出“優(yōu)、良、中、差”的評分等級來遠(yuǎn)程檢查宿舍衛(wèi)生。當(dāng)使用大功率電器、發(fā)生火災(zāi)報警時，攝像頭也可拍照并將照片發(fā)至監(jiān)控中心。因此，本系統(tǒng)在宿舍用電安全管理方面具有很大的應(yīng)用市場。

參考文獻：

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