智慧校園用電監測系統的設計

朱鳳文

(遼寧鐵道職業技術學院 通信工程學院，遼寧錦州121000)

0 引言

《教育信息化2.0行動計劃》提出：教育信息化將從數字校園時代逐步過渡到智慧校園時代.數字校園突出的是信息共享，而智慧校園實現的是物理空間與信息空間銜接，是以物聯網為基礎，對集數據化、網絡化、智慧型、協作型于一體化的教學、科研、管理和生活服務實現全面感知，并能對教育教學、教育管理進行洞察和預測的智慧學習環境[1].在《智慧校園總體框架》國家標準的四層結構中，具備透徹感知功能的基礎設施層是最底層，即通過物聯網技術實現物與物的感知、人與物的感知、系統與系統的感知.智慧校園用電監測系統是智慧校園服務中重要的組成部分.系統中的智能用電監測設備實時測量校園內各場所的用電線路，并通過網絡將數據匯聚至云平臺，分析處理數據，以友好的界面在各種終端上顯示信息.隨著技術的演進，數據傳送網絡不斷升級，從有線到無線，從高耗能到低功率.LoRa技術是一種低功耗廣域網技術，基于擴頻調制技術，它利用公用通訊頻段，不依賴于運營商而獨立聯網，因此具有部署簡單、成本低、遠距離、低延時等特點[2].與現有的多種無線傳輸技術相比，基于LoRa技術構建的網絡無疑是最適合的無線通信方式之一.

1 系統總體設計

基于LoRa技術的智慧校園用電監測系統，由嵌入LoRa模塊的智能電表、LoRa集中器、工業無線路由器、服務器(物聯網云平臺)、手機終端或電腦等設備組成.案例校園應用范圍南北長約1.5 km，東西長約1 km，共有18棟樓宇，樓層最高為6層.系統選用的LoRa模塊的通訊距離可達2 km，單個集中器負載容量一般為200個終端，最多可達500個終端.

系統架構如圖1所示(見 90頁).設備部署方案如下：設置代表性信息點10個，其中三個教學樓各1個，兩個實訓樓各1個，辦公樓1個，學生宿舍3個，學生食堂1個.在校園中心建筑的高層設置一個LoRa集中器和一個無線路由器：LoRa集中器通過以太網連接無線路由器，再借助無線技術與信息點進行數據傳送；無線路由器接到云平臺進行數據傳輸.信息點與集中器采用簡單的星型拓撲結構.在這個結構中，集中器作為中繼，鏈接采集設備和云平臺，云平臺管理及存儲數據，手機終端或電腦端訪問云平臺，實時查看用電信息.

2 系統關鍵硬件

LoRa設備是本系統關鍵硬件，其工作原理如圖2所示.信息點數據采集設備為嵌入LoRa模塊的智能電表，它由控制單元、計量單元和通信單元三部分組成[5].控制單元是智能電表的控制器，接收計量單元采集到的電量數據，實時累加存儲；控制通信單元射頻模塊將電量數據定時上傳至集中器，實現無線抄表；接收集中器下傳報文命令，控制通信模塊上傳數據.計量單元采集電路電壓和電流值，得到瞬時功率，按比例將瞬時功率轉換成脈沖提供給控制單元，控制單元將定時內的脈沖數與功率轉換參數相乘得到相應時間內的用電量.通信單元分成RS485通信模塊和射頻模塊兩個模塊，其中RS485通信模塊與控制單元、計量單元組成電量數據采集網，射頻模塊則利用LoRa 擴頻技術上傳采集到的電能數據，同時接收上端的報文命令.控制單元一般采用嵌入式單片機，目前采用的是意法半導體公司的STM32系列主流芯片；計量單元常用的計量芯片為ADI 公司的ADE7755系列；通信單元多采用Semtech 公司SX127X系列芯片[3].

LoRa集中器相當于系統中的通信中繼設備，向下通過LoRa技術會聚智能電表數據，向上可以通過以太網、4G、WiFi等方式與云平臺通信.

LoRa集中器與LoRa節點的通信有三種模式[4],其特點見表1.表1 LoRa集中器三種工作模式比較工作模式設置復雜度優點缺點適用場景集中器輪詢喚醒適中節省流量占用信道資源多遠程抄表、Modbus采集節點主動上報適中占用信道資源少不能下發煙感報警、氣體檢測服務器主動下發簡單可上報也可下發不控制收發時序控制設備

(1)集中器輪詢喚醒模式：節點平時處于被動喚醒狀態，集中器根據所設參數周期性發送數據喚醒節點，節點回復相關數據，完成一次數據交互后進入休眠狀態，集中器等待下一周期下發第二條喚醒數據.當所有輪詢數據完成、輪詢周期結束后，會從數據庫中已保存的第一條數據開始重新輪詢喚醒.(2)節點主動上報模式：節點設置上報時間，定時上報數據，集中器接收到節點數據后自動應答，并將有效數據上傳服務器.(3)服務器主動下發模式：集中器接收到服務器的數據后才會將數據發送給節點；節點收到計量單元的數據后將數據發送給集中器，集中器上傳至服務器.

根據實際應用需要，本系統適宜采用集中器輪詢喚醒模式，需要預先設定集中器和節點模塊的相關參數.

3 系統開發框架

如圖3，本系統開發框架分為四層，即設備層、匯聚層、分析層和用戶層，包括底層設備的配置、云平臺搭建、后臺數據分析和前端數據可視處理等過程.

3.1 LoRa設備配置

智能電表采集的數據通過LoRa集中器與服務器進行透傳，因此設備層需要正確配置LoRa設備.

LoRa模塊參數配置：智能電表接收集中器的輪詢后，將采集的電氣參數通過RS485串口通信方式傳送至LoRa模塊，再通過無線通信方式傳送至集中器，因此要使用AT指令配置軟件配置LoRa模塊設備ID、應用ID、工作模式、傳輸信道、傳輸速率等參數，并與集中器通信設置參數一致.

LoRa集中器參數配置：作為集中器輪詢喚醒模式的主控設備，LoRa集中器一般通過Web網頁配置，要設置應用ID、節點數量、傳輸信道、傳輸速率等參數，并且所有通信通道設置為被動輪詢模式，進一步設定喚醒周期、輪詢周期、輪詢超時和輪詢數據等輪詢參數.同樣，應用ID、傳輸信道、傳輸速率與LoRa終端保持一致.

LoRa集中器連接服務器設置：LoRa集中器可以通過有線或無線方式連接至服務器，支持MQTT、socket兩種連接方式.本系統采用MQTT方式，使用Web網頁配置服務器相關項，包括服務器IP地址/域名、服務器端口、設備ID、MQTT發布和訂閱的主題.

3.2 云平臺搭建

云平臺操作系統采用Linux體系中的Ubuntu，整體開發框架采用J2EE.系統云平臺按功能分為數據匯聚層和數據分析層.

匯聚層的任務是自動匯入設備層數據，主要技術是配置MQTT服務器，即后臺運行MQTT協議的消息中間件，通過主題的訂閱和發布在底層設備與終端用戶之間實現數據透傳.MQTT有多種消息中間件，本系統選用同時支持萬級客戶端的國內開源軟件EMQX.

分析層負責處理物聯網設備產生的大數據.目前，較流行的一種Java Web應用程序開源框架是SSH，它是由Struts+Spring+Hibernate集成的一個框架，其中：Struts負責Web層，與網頁中表單交互數據；Spring負責業務層，提供了管理業務對象的一致方法；Hibernate用來持久化數據，提供完全面向對象的數據庫操作.

考慮到讀取物聯網海量數據要有較高的數據并發能力，而基于內存存取的Redis能夠提高查詢存儲效率，所以數據庫選用Redis 存儲物聯網設備數據，而用戶信息、短信驗證碼等用戶數據使用MySQL 進行存儲[5].

3.3 可視處理

用戶層負責將經過分析處理的數據以直觀可視的方式展示在用戶的終端設備中，用戶終端呈現方式既有Web網頁，也有手機APP或微信小程序.本系統Web前端框架采用VUE開發，移動端采用微信小程序開發.

4 用電監測系統實現功能

精準測量用電量.智能電表最基本的功能是通過云平臺對所接線路的用電量進行精準測量，有助于學校實時監控.

統計分析用電數據.利用該系統可分類統計各類用電量及總用電量，統計分析快速、準確，通過分析能耗數據促進校園節能降耗.

掌上巡檢用電線路.用戶通過移動端可以隨時登陸平臺查看用電量信息，不受時間、地點和環境的限制，間接了解用電系統的狀態.

具有與校園其他管理系統順暢對接能力.對接后，信息無需經過二次處理即可實時上傳，管理員則可以實時記錄、查閱數據參數和日志，實現校園信息管理智能化、集約化.

5 預期擴展功能

智慧校園用電監測系統基本功能是實時測量和統計分析用電量，間接監測用電線路的狀態.后期在相關技術成熟后，系統功能擴展非常容易，如在用電線路上增設LoRa斷路器可實現智能化限電，在關鍵場所設置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器實現火災自動預警等功能.此外，還可以擴展到校園用水監測，在校園的水路節點安裝LoRa智能水表，LoRa集中器將其統一納入云平臺，在后臺做相應的數據處理，就可以實現校園水電能源一體化、智慧化管理.另外，還可共享校園用電監測系統物聯網云平臺，利用LoRa火災報警器和LoRa監控等終端設備開發“智慧消防”和“智慧安保”，逐漸完善智慧校園基礎設施建設，提高智慧校園服務能力.

6 結語

本文從實際應用出發，利用LoRa無線通信技術設計一款用電監測系統，實現校園用電的計量與監測.系統具有結構簡單、布線少和數據傳輸可靠等特點，在低功率、低流量的傳輸方面有其獨特優勢；系統還具有靈活的擴展性和遷移性，不僅適用于校園環境，還可以推廣用于工廠、住宅小區等水電設備的集中監測，隨著智慧城市建設的展開將會有更廣泛的應用場景.