高校宿舍水電表管理系統設計研究

張 昊

（南昌大學，江西 南昌 330027）

在高校學生宿舍活動過程中，水電使用屬于日常管控要點之一。若相關管理系統存在設計問題，便會導致水電收費處理出現混亂情況，進而降低學生日常生活質量，不利于高校集中管控概念的落實。因此，需要結合相關系統設計內容進行探究，明確其設計目標、基礎系統架構、保障處理措施，確保其能夠針對高校學生宿舍水電應用進行科學管控，提高整體系統穩定性，為未來進一步發展打下堅實基礎。

1 系統設計目標

所有系統在設計規劃處理的過程中，都需要針對應用目標進行明確。若目標清晰程度不足，便會導致系統設計出現混亂問題，不利于相關功能標準的進一步落實。功能主要由應用場合所決定，其容易受到多種因素影響，包括基礎任務、服務對象群體等。因此，在配置系統設計目標的過程中，需要首先結合相關功能需求進行規劃，明確需要選擇的應用設備，并了解技術實施方向，為后續進一步開展設計工作提供基礎條件。由于技術資源與設備資源在高校環境中相對有限，因此設計水電表管理系統時需要平衡資源應用，避免出現過剩浪費或需求處理不足等問題。

根據高校學生宿舍環境條件，常用水電表管理系統應當具備四種基礎特性：第一，水電表管理系統需要具備可靠性與實用性，確保其能夠針對學生宿舍日常應用進行統計，避免出現計算混亂或偏差等負面問題，保障水電應用管理處于正常狀態；第二，系統需要具備唯一性與一致性。水電表數據內容相對較為復雜，二次核對難度極高。若管理系統記錄數據出現偏差問題，便會導致運營成本嚴重上升，不利于高校宿舍進一步管理。因此，需要保證數據統計具有唯一性與實際一致性，避免出現偏差情況；第三，系統需要具備先進性。隨著高校不斷進行擴招，宿舍學生數量開始出現顯著提升趨勢。在這種背景下，宿舍水電統計管理形勢逐漸嚴峻，若硬件設備先進程度不足，便會導致后續無法滿足相關需求，不利于進一步開展管理工作；第四，系統需要具備易擴展性。在高校宿舍管理過程中，經常會出現差異需求標準。若系統擴展性不足，改動相關設置與硬件便會大幅增加成本。因此，應當注重系統的可擴展性，使其能夠為未來改動預留接口區域，降低升級所需成本級別。[1]

2 系統總體設計思路

本次系統設計主要分為三層基礎架構，即基礎、管理、應用。基礎層架構需要利用具備通信接口的水電表裝置進行架設，管理層架構同樣需要采用對應裝置，并結合轉接口工控設備與雙絞線進行處理，使其能夠組成基礎總線網絡。水電表與工控裝置可以經由定制化協議完成信息傳遞操作，同時可以接收來自應用層的命令參數，實現相關管控功能。應用層架構需要采用數據庫與處理、操作服務平臺進行架設，其內部存在工控裝置組成的通信網絡，協議類型為TCP/IP。應用端可以通過局域網指令對工控裝置發出相關信號，使其能夠將信息傳遞至管理層，進而達到操作處理目標。采用此類架構設計方式具有顯著應用優勢，例如分層設計能夠為后續差異研究工作提供模塊化開發條件，有利于定位故障情況，使調試與維護工作成本得到有效縮減。同時，三層架構設計方案具備靈活拓展特性，相關數據內容均存儲在數據庫應用服務器內。后勤管理端可以通過軟件平臺對工控機與水電表設備進行統一控制，學生應用端則可通過互聯網連接對水電表系統平臺進行操作，了解當前水電應用情況并完成充值繳費。[2]

3 系統設計與實施

3.1 基礎層架構設計

3.1.1 電表設備選擇

在基礎架構系統設計階段，應當針對電表設備進行合理選擇，確保其能夠滿足應用需求，降低出現負面問題的概率。當前，市場內常見電表類型主要包括三種，即IC 卡處理型、光感應遠程傳遞耗能型、單片機遠程傳遞耗能型。IC 卡類型主要利用單片機裝置完成基礎操作，其需要在傳統電表上增加紅外發射管，使其能夠對表盤顯示數字進行計算，并交由單片機完成用電量分析、控制活動。單片機裝置配合IC 卡，即可將用電數據進行幣量轉換，并完成信息傳遞流程。光感應類型需要在傳統電表上增加光感應檢測頭，其能夠對電表裝置旋轉狀態進行監測。每完成一圈記錄，便產生一個脈沖信號，使其能夠有效記錄用電情況。單片機遠傳類型需要將相關裝置與軟件脈沖處理方案相結合，對電表用量進行精確計算，并利用單片機完成遠程抄表與監控操作。經過對比分析能夠發現，單片機遠程傳遞耗能型具有顯著應用優勢，因此需要在基礎層架構設計階段應用此類裝置進行部署。[3]

3.1.2 水表裝置設計

在基礎層架構設計階段，需要針對水表裝置進行科學部署。為實現理想管控目標，水表裝置應當符合我國ISO4046B 標準，采用單流旋翼類型進行處理。其計算數量結構需要與測量結構實現磁耦合效果，并利用干簧管對水源流量進行計算，約每10L 產生一次計算脈沖。水表內部應當安裝磁性保護設備，避免其受到外部磁力干擾導致計算出現偏差。水量計算階段，水表需要利用內部電容與電阻構成的防抖處理電路，將相關脈沖輸入單片機裝置，使其能夠在存儲器內完成水量減法流程，實現管控目標。水表控制器在設計過程中，需要包含自動流量計算、通信接口、管控閥門等基礎功能模塊。在規劃階段內，可采用單片機裝置、流量計算裝置、閥門檢測電路、電壓檢測電路進行設計，使控制閥門能夠在電控裝置管理下對水源通道進行操作。每達到單一計量單位，即10L，計算電路便需要發送脈沖序列，使其能夠被電控模塊所接收。若電控模塊判定該序列合法，則從已購買水量內減去一單位。若已購買水量已耗盡，則控制閥門會自動進入關閉狀態。[4]

3.2 管理層架構設計

在管理層架構設計過程中，需要針對通訊方式進行合理規劃，確保其能夠達到理想應用目標。由于管理系統需要架設在高校學生宿舍內，因此各方間水電管理應當與工控裝置相連接，實現集中化統一管理目標。值班區域工控裝置應當承擔上位機應用任務，按照應用層架構設定標準執行相關動作，并將動作時間、間隔時間等信息存儲至數據庫內，為后續查詢提供基礎條件。水電表裝置在管理層架構內需要作為下位機，執行智能管理模塊接收的命令，同時上報目前工作狀態與詳細數據，為遠程管理操作提供基礎條件。在這一過程中，數據傳遞與整合屬于有待解決的問題。為達到理想設計目標，需要保證通訊方案具備抗干擾能力，避免產生誤碼現象。同時，還需要保證通信質量符合基礎需求，盡可能擴大數據傳輸范圍。工控裝置與水電表裝置應當保持電氣隔離，防范意外情況損害整體系統穩定性。通訊方式需要采用高傳輸速率協議，盡可能提高動作執行可靠性，降低維護成本。在管理層通訊設計階段，應當保證工控裝置與水電表裝置之間信息交換符合基礎標準。通信鏈路建立流程與解除流程需要通過核心站點產生的信息幀進行操作，各幀應當包含起始符號、地址域信息、控制碼數據等多個部分。各部分基礎長度為8 位二進制碼，在傳輸階段應當附加起始位、偶校驗位、停止位，確保通訊流程能夠達到理想效果，避免產生意外問題。

3.3 應用層架構設計

在應用層架構進行設計的過程中，需要明確相關組成部分。系統結構內應用層需要包含與局域網相連接的數據服務平臺、個人管理平臺、交換裝置、工控機設備，應用層軟件體系可以采用CS、BS 結合架構，使數據庫利用效率得到顯著提升。軟件發布也可部署于數據庫層面，使個人計算機終端可以連接局域網絡，獲得操作權限并發送包含IP 地址的應用信息。在學生端應用過程中，相關架構需要借助網絡訪問軟件平臺，使對應功能得到實現，提高整體應用效果。

應用層架構設計過程中，需要重視軟件功能模塊的規劃，確保其能夠得到有效部署。在高校學生宿舍水電管理階段，相關軟件層面需要設置系統權限控制模塊，使操作平臺能夠得到權限分配，避免產生異常操作問題。通常情況下，權限組規劃可分為超級管理員、常規管理員、學生三組。超級管理員具備添加、刪除、更改管理權限的應用功能，其處于系統架構的最頂層，可以對設置進行管控并調整參數計算邏輯。例如，超級管理員可設定水電應用價格、允許透支極限金額數據、損耗比率等關鍵內容。常規管理員相對于超級管理員權限數量較少，能夠根據其設定的項目進行管控，包括添加、修改學生客戶端信息等。除權限模塊外，水電表操作模塊也需要進行科學設計。通常情況下，此類操作模塊可以針對水電表管理裝置進行控制，執行多種關鍵功能，如數據清零、斷電斷水、充值轉移等。除此之外，在應用層軟件設計階段還需要針對數據管理模塊進行規劃。此模塊可以對學生應用數據進行批量導入處理，同時能夠執行數據備份、恢復操作，允許批量生成房間工作信息，對整體管控流程具有重要影響作用。

4 系統運行保障性設計

4.1 可靠性設計方式

由于高校學生宿舍水電管理系統可能會出現穩定性問題，容易導致統計偏差、計費不精確等現象產生。因此，需要采取有效保障設計措施，使系統可靠性得到顯著提升，進一步強化應用效果。實踐設計階段，需要選擇符合標準的水電計量表。計量表質量若存在異常問題，便會導致計算精度下降，不利于計費準確性提升。因此，需要選擇市場內聲譽較為良好的供應商作為水電表供貨源，確保其能夠正常工作，降低出現問題的可能性。同時，還需要針對抄表裝置采取防干擾、防降額處理措施。在設計階段，可采用光電隔離應用方法，使整體干擾因素無法對內部裝置造成影響，提高基礎穩定性，為后續正常應用打下堅實基礎。除此之外，還需要利用UPS 與穩壓裝置對系統供電模塊進行支持，確保在斷電情況下，整體應用效果仍然維持穩定狀態。備用電源可采用鉛酸電池作為基礎材料，使其能夠在斷電情況下實現無縫連接效果，供應計算設備時間長度應大于72 小時。設計階段，可采用UPS 接口對供電狀態進行實時監測，及時發現異常情況，為后續穩定工作打下堅實基礎。

4.2 抗干擾設計方式

抗干擾設計除水電表模塊外，還需要采取多種有效措施進行規劃，盡可能提高系統運行保障性，避免受到意外因素干擾。在底層傳輸設計層面，需要利用雙屏蔽總線結構，通過差分信號方式進行傳輸，使抗干擾效果能夠達到最佳標準。上層傳輸結構需要利用超五類UTP 雙絞線連接，使串擾產生概率能夠降至最低，提高系統穩定性。硬件接口與總線需要利用光隔離轉換裝置連接，防范意外干擾因素出現。由于系統內部包含大量地線結構，各地線與其它地線之間存在緊密聯系。因此，為避免干擾影響系統穩定性，需要采取嚴格分離處理措施，使模擬地線、數字地線能夠得到有效隔離，最終匯集在系統地線區域，使其能夠與設備外殼實現連接效果。部分情況下，水電表管理裝置所處位置可能存在強電應用設備，此類設備內部磁力、電力線會對整體系統產生嚴重干擾。因此，為避免相關干擾問題出現，需要采取屏蔽措施，將計量表安裝在專用盒體內。盒體外殼應當采用鐵皮進行制作，杜絕強電干擾因素產生。除此之外，工控裝置同樣需要進行強電隔離。通過將其部署在標準化網絡機柜內，能夠有效隔絕強電干擾條件，實現穩定運行的目標。采取此類措施可以降低干擾傳入概率，使應用系統處于友好電磁環境內。但是，除硬件設備外，軟件平臺也可能受到意外干擾，導致系統穩定性下降。因此，需要針對軟件平臺設計采取冗余解決方案。此類方案能夠對關鍵應用程序進行多次采集或重發編制處理，包括數據計算、信號收發等。通過應用三次以上重發處理機制，可以有效規避單次采集失敗造成的負面問題，有利于提高系統抗干擾級別。

5 結語

綜上所述，我國高校學生宿舍日常活動中，水電表管理屬于較為關鍵的任務之一。通過對相關應用系統進行深入研究，能夠明確設計與實施方法，有利于展開自動化管理工作，對未來進一步開展水電管控具有正面影響意義。[5]