高校宿舍水電表管理系統(tǒng)設(shè)計研究

張昊

摘 要 目前，我國經(jīng)濟發(fā)展速度逐漸加快，高校開始進(jìn)入擴招狀態(tài)，學(xué)生宿舍人員密度不斷提升。在這種背景條件下，為針對水電使用進(jìn)行科學(xué)管理，高校管理層需要正確部署管理系統(tǒng)，使其設(shè)計能夠與實際情況相貼合，進(jìn)一步提高整體控制效果，避免出現(xiàn)意外情況。本文主要針對高校學(xué)生宿舍水電表管理系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行深入研究，以供參考。

關(guān)鍵詞 高校宿舍 水電表管理 系統(tǒng)設(shè)計 IC卡

中圖分類號：G647;TP393.07 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）08-0056-03

在高校學(xué)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(guān)管理系統(tǒng)存在設(shè)計問題，便會導(dǎo)致水電收費處理出現(xiàn)混亂情況，進(jìn)而降低學(xué)生日常生活質(zhì)量，不利于高校集中管控概念的落實。因此，需要結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行探究，明確其設(shè)計目標(biāo)、基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)、保障處理措施，確保其能夠針對高校學(xué)生宿舍水電應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)管控，提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性，為未來進(jìn)一步發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

所有系統(tǒng)在設(shè)計規(guī)劃處理的過程中，都需要針對應(yīng)用目標(biāo)進(jìn)行明確。若目標(biāo)清晰程度不足，便會導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計出現(xiàn)混亂問題，不利于相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步落實。功能主要由應(yīng)用場合所決定，其容易受到多種因素影響，包括基礎(chǔ)任務(wù)、服務(wù)對象群體等。因此，在配置系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)的過程中，需要首先結(jié)合相關(guān)功能需求進(jìn)行規(guī)劃，明確需要選擇的應(yīng)用設(shè)備，并了解技術(shù)實施方向，為后續(xù)進(jìn)一步開展設(shè)計工作提供基礎(chǔ)條件。由于技術(shù)資源與設(shè)備資源在高校環(huán)境中相對有限，因此設(shè)計水電表管理系統(tǒng)時需要平衡資源應(yīng)用，避免出現(xiàn)過剩浪費或需求處理不足等問題。

根據(jù)高校學(xué)生宿舍環(huán)境條件，常用水電表管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備四種基礎(chǔ)特性：第一，水電表管理系統(tǒng)需要具備可靠性與實用性，確保其能夠針對學(xué)生宿舍日常應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)計，避免出現(xiàn)計算混亂或偏差等負(fù)面問題，保障水電應(yīng)用管理處于正常狀態(tài);第二，系統(tǒng)需要具備唯一性與一致性。水電表數(shù)據(jù)內(nèi)容相對較為復(fù)雜，二次核對難度極高。若管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差問題，便會導(dǎo)致運營成本嚴(yán)重上升，不利于高校宿舍進(jìn)一步管理。因此，需要保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計具有唯一性與實際一致性，避免出現(xiàn)偏差情況;第三，系統(tǒng)需要具備先進(jìn)性。隨著高校不斷進(jìn)行擴招，宿舍學(xué)生數(shù)量開始出現(xiàn)顯著提升趨勢。在這種背景下，宿舍水電統(tǒng)計管理形勢逐漸嚴(yán)峻，若硬件設(shè)備先進(jìn)程度不足，便會導(dǎo)致后續(xù)無法滿足相關(guān)需求，不利于進(jìn)一步開展管理工作;第四，系統(tǒng)需要具備易擴展性。在高校宿舍管理過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)差異需求標(biāo)準(zhǔn)。若系統(tǒng)擴展性不足，改動相關(guān)設(shè)置與硬件便會大幅增加成本。因此，應(yīng)當(dāng)注重系統(tǒng)的可擴展性，使其能夠為未來改動預(yù)留接口區(qū)域，降低升級所需成本級別。[1]

2 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本次系統(tǒng)設(shè)計主要分為三層基礎(chǔ)架構(gòu)，即基礎(chǔ)、管理、應(yīng)用。基礎(chǔ)層架構(gòu)需要利用具備通信接口的水電表裝置進(jìn)行架設(shè)，管理層架構(gòu)同樣需要采用對應(yīng)裝置，并結(jié)合轉(zhuǎn)接口工控設(shè)備與雙絞線進(jìn)行處理，使其能夠組成基礎(chǔ)總線網(wǎng)絡(luò)。水電表與工控裝置可以經(jīng)由定制化協(xié)議完成信息傳遞操作，同時可以接收來自應(yīng)用層的命令參數(shù)，實現(xiàn)相關(guān)管控功能。應(yīng)用層架構(gòu)需要采用數(shù)據(jù)庫與處理、操作服務(wù)平臺進(jìn)行架設(shè)，其內(nèi)部存在工控裝置組成的通信網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議類型為TCP/IP。應(yīng)用端可以通過局域網(wǎng)指令對工控裝置發(fā)出相關(guān)信號，使其能夠?qū)⑿畔鬟f至管理層，進(jìn)而達(dá)到操作處理目標(biāo)。采用此類架構(gòu)設(shè)計方式具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢，例如分層設(shè)計能夠為后續(xù)差異研究工作提供模塊化開發(fā)條件，有利于定位故障情況，使調(diào)試與維護(hù)工作成本得到有效縮減。同時，三層架構(gòu)設(shè)計方案具備靈活拓展特性，相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容均存儲在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)。后勤管理端可以通過軟件平臺對工控機與水電表設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制，學(xué)生應(yīng)用端則可通過互聯(lián)網(wǎng)連接對水電表系統(tǒng)平臺進(jìn)行操作，了解當(dāng)前水電應(yīng)用情況并完成充值繳費。[2]

3 系統(tǒng)設(shè)計與實施

3.1 基礎(chǔ)層架構(gòu)設(shè)計

3.1.1 電表設(shè)備選擇

在基礎(chǔ)架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計階段，應(yīng)當(dāng)針對電表設(shè)備進(jìn)行合理選擇，確保其能夠滿足應(yīng)用需求，降低出現(xiàn)負(fù)面問題的概率。當(dāng)前，市場內(nèi)常見電表類型主要包括三種，即IC卡處理型、光感應(yīng)遠(yuǎn)程傳遞耗能型、單片機遠(yuǎn)程傳遞耗能型。IC卡類型主要利用單片機裝置完成基礎(chǔ)操作，其需要在傳統(tǒng)電表上增加紅外發(fā)射管，使其能夠?qū)Ρ肀P顯示數(shù)字進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行幣量轉(zhuǎn)換，并完成信息傳遞流程。光感應(yīng)類型需要在傳統(tǒng)電表上增加光感應(yīng)檢測頭，其能夠?qū)﹄姳硌b置旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。每完成一圈記錄，便產(chǎn)生一個脈沖信號，使其能夠有效記錄用電情況。單片機遠(yuǎn)傳類型需要將相關(guān)裝置與軟件脈沖處理方案相結(jié)合，對電表用量進(jìn)行精確計算，并利用單片機完成遠(yuǎn)程抄表與監(jiān)控操作。經(jīng)過對比分析能夠發(fā)現(xiàn)，單片機遠(yuǎn)程傳遞耗能型具有顯著應(yīng)用優(yōu)勢，因此需要在基礎(chǔ)層架構(gòu)設(shè)計階段應(yīng)用此類裝置進(jìn)行部署。[3]

3.1.2 水表裝置設(shè)計

在基礎(chǔ)層架構(gòu)設(shè)計階段，需要針對水表裝置進(jìn)行科學(xué)部署。為實現(xiàn)理想管控目標(biāo)，水表裝置應(yīng)當(dāng)符合我國ISO4046B標(biāo)準(zhǔn)，采用單流旋翼類型進(jìn)行處理。其計算數(shù)量結(jié)構(gòu)需要與測量結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁耦合效果，并利用干簧管對水源流量進(jìn)行計算，約每10L產(chǎn)生一次計算脈沖。水表內(nèi)部應(yīng)當(dāng)安裝磁性保護(hù)設(shè)備，避免其受到外部磁力干擾導(dǎo)致計算出現(xiàn)偏差。水量計算階段，水表需要利用內(nèi)部電容與電阻構(gòu)成的防抖處理電路，將相關(guān)脈沖輸入單片機裝置，使其能夠在存儲器內(nèi)完成水量減法流程，實現(xiàn)管控目標(biāo)。水表控制器在設(shè)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(chǔ)功能模塊。在規(guī)劃階段內(nèi)，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(jìn)行設(shè)計，使控制閥門能夠在電控裝置管理下對水源通道進(jìn)行操作。每達(dá)到單一計量單位，即10L，計算電路便需要發(fā)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(nèi)減去一單位。若已購買水量已耗盡，則控制閥門會自動進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。[4]

3.2 管理層架構(gòu)設(shè)計

在管理層架構(gòu)設(shè)計過程中，需要針對通訊方式進(jìn)行合理規(guī)劃，確保其能夠達(dá)到理想應(yīng)用目標(biāo)。由于管理系統(tǒng)需要架設(shè)在高校學(xué)生宿舍內(nèi)，因此各方間水電管理應(yīng)當(dāng)與工控裝置相連接，實現(xiàn)集中化統(tǒng)一管理目標(biāo)。值班區(qū)域工控裝置應(yīng)當(dāng)承擔(dān)上位機應(yīng)用任務(wù)，按照應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行相關(guān)動作，并將動作時間、間隔時間等信息存儲至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為后續(xù)查詢提供基礎(chǔ)條件。水電表裝置在管理層架構(gòu)內(nèi)需要作為下位機，執(zhí)行智能管理模塊接收的命令，同時上報目前工作狀態(tài)與詳細(xì)數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程管理操作提供基礎(chǔ)條件。在這一過程中，數(shù)據(jù)傳遞與整合屬于有待解決的問題。為達(dá)到理想設(shè)計目標(biāo)，需要保證通訊方案具備抗干擾能力，避免產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象。同時，還需要保證通信質(zhì)量符合基礎(chǔ)需求，盡可能擴大數(shù)據(jù)傳輸范圍。工控裝置與水電表裝置應(yīng)當(dāng)保持電氣隔離，防范意外情況損害整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。通訊方式需要采用高傳輸速率協(xié)議，盡可能提高動作執(zhí)行可靠性，降低維護(hù)成本。在管理層通訊設(shè)計階段，應(yīng)當(dāng)保證工控裝置與水電表裝置之間信息交換符合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。通信鏈路建立流程與解除流程需要通過核心站點產(chǎn)生的信息幀進(jìn)行操作，各幀應(yīng)當(dāng)包含起始符號、地址域信息、控制碼數(shù)據(jù)等多個部分。各部分基礎(chǔ)長度為8位二進(jìn)制碼，在傳輸階段應(yīng)當(dāng)附加起始位、偶校驗位、停止位，確保通訊流程能夠達(dá)到理想效果，避免產(chǎn)生意外問題。

3.3 應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計

在應(yīng)用層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，需要明確相關(guān)組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)用層需要包含與局域網(wǎng)相連接的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺、個人管理平臺、交換裝置、工控機設(shè)備，應(yīng)用層軟件體系可以采用CS、BS結(jié)合架構(gòu)，使數(shù)據(jù)庫利用效率得到顯著提升。軟件發(fā)布也可部署于數(shù)據(jù)庫層面，使個人計算機終端可以連接局域網(wǎng)絡(luò)，獲得操作權(quán)限并發(fā)送包含IP地址的應(yīng)用信息。在學(xué)生端應(yīng)用過程中，相關(guān)架構(gòu)需要借助網(wǎng)絡(luò)訪問軟件平臺，使對應(yīng)功能得到實現(xiàn)，提高整體應(yīng)用效果。

應(yīng)用層架構(gòu)設(shè)計過程中，需要重視軟件功能模塊的規(guī)劃，確保其能夠得到有效部署。在高校學(xué)生宿舍水電管理階段，相關(guān)軟件層面需要設(shè)置系統(tǒng)權(quán)限控制模塊，使操作平臺能夠得到權(quán)限分配，避免產(chǎn)生異常操作問題。通常情況下，權(quán)限組規(guī)劃可分為超級管理員、常規(guī)管理員、學(xué)生三組。超級管理員具備添加、刪除、更改管理權(quán)限的應(yīng)用功能，其處于系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，可以對設(shè)置進(jìn)行管控并調(diào)整參數(shù)計算邏輯。例如，超級管理員可設(shè)定水電應(yīng)用價格、允許透支極限金額數(shù)據(jù)、損耗比率等關(guān)鍵內(nèi)容。常規(guī)管理員相對于超級管理員權(quán)限數(shù)量較少，能夠根據(jù)其設(shè)定的項目進(jìn)行管控，包括添加、修改學(xué)生客戶端信息等。除權(quán)限模塊外，水電表操作模塊也需要進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。通常情況下，此類操作模塊可以針對水電表管理裝置進(jìn)行控制，執(zhí)行多種關(guān)鍵功能，如數(shù)據(jù)清零、斷電斷水、充值轉(zhuǎn)移等。除此之外，在應(yīng)用層軟件設(shè)計階段還需要針對數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行規(guī)劃。此模塊可以對學(xué)生應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行批量導(dǎo)入處理，同時能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)備份、恢復(fù)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(tǒng)運行保障性設(shè)計

4.1 可靠性設(shè)計方式

由于高校學(xué)生宿舍水電管理系統(tǒng)可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，容易導(dǎo)致統(tǒng)計偏差、計費不精確等現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，需要采取有效保障設(shè)計措施，使系統(tǒng)可靠性得到顯著提升，進(jìn)一步強化應(yīng)用效果。實踐設(shè)計階段，需要選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的水電計量表。計量表質(zhì)量若存在異常問題，便會導(dǎo)致計算精度下降，不利于計費準(zhǔn)確性提升。因此，需要選擇市場內(nèi)聲譽較為良好的供應(yīng)商作為水電表供貨源，確保其能夠正常工作，降低出現(xiàn)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(shè)計階段，可采用光電隔離應(yīng)用方法，使整體干擾因素?zé)o法對內(nèi)部裝置造成影響，提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性，為后續(xù)正常應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。除此之外，還需要利用UPS與穩(wěn)壓裝置對系統(tǒng)供電模塊進(jìn)行支持，確保在斷電情況下，整體應(yīng)用效果仍然維持穩(wěn)定狀態(tài)。備用電源可采用鉛酸電池作為基礎(chǔ)材料，使其能夠在斷電情況下實現(xiàn)無縫連接效果，供應(yīng)計算設(shè)備時間長度應(yīng)大于72小時。設(shè)計階段，可采用UPS接口對供電狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，為后續(xù)穩(wěn)定工作打下堅實基礎(chǔ)。

4.2 抗干擾設(shè)計方式

抗干擾設(shè)計除水電表模塊外，還需要采取多種有效措施進(jìn)行規(guī)劃，盡可能提高系統(tǒng)運行保障性，避免受到意外因素干擾。在底層傳輸設(shè)計層面，需要利用雙屏蔽總線結(jié)構(gòu)，通過差分信號方式進(jìn)行傳輸，使抗干擾效果能夠達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)。上層傳輸結(jié)構(gòu)需要利用超五類UTP雙絞線連接，使串?dāng)_產(chǎn)生概率能夠降至最低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。硬件接口與總線需要利用光隔離轉(zhuǎn)換裝置連接，防范意外干擾因素出現(xiàn)。由于系統(tǒng)內(nèi)部包含大量地線結(jié)構(gòu)，各地線與其它地線之間存在緊密聯(lián)系。因此，為避免干擾影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要采取嚴(yán)格分離處理措施，使模擬地線、數(shù)字地線能夠得到有效隔離，最終匯集在系統(tǒng)地線區(qū)域，使其能夠與設(shè)備外殼實現(xiàn)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(yīng)用設(shè)備，此類設(shè)備內(nèi)部磁力、電力線會對整體系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。因此，為避免相關(guān)干擾問題出現(xiàn)，需要采取屏蔽措施，將計量表安裝在專用盒體內(nèi)。盒體外殼應(yīng)當(dāng)采用鐵皮進(jìn)行制作，杜絕強電干擾因素產(chǎn)生。除此之外，工控裝置同樣需要進(jìn)行強電隔離。通過將其部署在標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)機柜內(nèi)，能夠有效隔絕強電干擾條件，實現(xiàn)穩(wěn)定運行的目標(biāo)。采取此類措施可以降低干擾傳入概率，使應(yīng)用系統(tǒng)處于友好電磁環(huán)境內(nèi)。但是，除硬件設(shè)備外，軟件平臺也可能受到意外干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。因此，需要針對軟件平臺設(shè)計采取冗余解決方案。此類方案能夠?qū)﹃P(guān)鍵應(yīng)用程序進(jìn)行多次采集或重發(fā)編制處理，包括數(shù)據(jù)計算、信號收發(fā)等。通過應(yīng)用三次以上重發(fā)處理機制，可以有效規(guī)避單次采集失敗造成的負(fù)面問題，有利于提高系統(tǒng)抗干擾級別。

5 結(jié)語

綜上所述，我國高校學(xué)生宿舍日常活動中，水電表管理屬于較為關(guān)鍵的任務(wù)之一。通過對相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，能夠明確設(shè)計與實施方法，有利于展開自動化管理工作，對未來進(jìn)一步開展水電管控具有正面影響意義。[5]

參考文獻(xiàn)：

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