智慧校園用電監測系統-教育系統智慧安全用電監管服務(wù)系統

　　智慧校園用電監測系統

　　"教育信息化2.0行動(dòng)計劃"提出：教育信息化將從數字校園時(shí)代逐步過(guò)渡到智慧校園時(shí)代.數字校園的重點(diǎn)在于信息共享，而智慧校園實(shí)現的是物理空間與信息空間的空間連接，是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎，對集數據化、網(wǎng)絡(luò )化、智慧型、協(xié)作型于一體的教學(xué)、科研、管理和生活服務(wù)實(shí)現全面感知，并能對教育教學(xué)、教育管理進(jìn)行洞察和預測的智慧學(xué)習環(huán)境.在"智慧校園總框架"國家標準的四個(gè)層次中，一個(gè)具有透徹感知功能的基礎設施層是最底層，即通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現物、物、系統之間的感知、人、物之間的感知.智慧校園用電監測系統是智慧校園服務(wù)的重要組成部分.該系統采用公共通信頻率調制技術(shù)，實(shí)時(shí)測量校園內各地點(diǎn)的用電線(xiàn)路，并通過(guò)LoRa技術(shù)構建的網(wǎng)絡(luò )，與現有的多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相比較，該系統具有部署簡(jiǎn)單、成本低、遠距離、低延時(shí)等特點(diǎn).隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，數據傳輸網(wǎng)絡(luò )不斷升級，與現有的多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相比較，LoRa技術(shù)具有更強的適應性。

　　整體系統設計

　　以L(fǎng)oRa技術(shù)為基礎的智慧校園用電監控系統，由內嵌LoRa模塊的智慧電表、LoRa集線(xiàn)器、工業(yè)無(wú)線(xiàn)路由器、服務(wù)器(物聯(lián)網(wǎng)云平臺)、移動(dòng)終端或計算機等設備組成.案例校園內各設備的應用范圍南北長(cháng)約1.5km，東西長(cháng)約1km，共有18棟大樓，樓面最高6層.系統選擇LoRa模塊，其通信距離可達2km，單個(gè)集線(xiàn)器負荷容量一般為200臺，最多500臺.

　　如圖所示.系統架構如下：設備部署方案為：三個(gè)教學(xué)樓各1個(gè)，兩個(gè)實(shí)訓樓各1個(gè)，辦公樓1個(gè)，學(xué)生宿舍樓3個(gè)，學(xué)生食堂1個(gè).LoRa集中器位于校園中心建筑的高層;LoRa集中器位于LoRa集中器和無(wú)線(xiàn)路由器之間：LoRa集中器通過(guò)以太網(wǎng)連接到無(wú)線(xiàn)路由器，再借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)與信息點(diǎn)進(jìn)行數據傳輸;無(wú)線(xiàn)路由器接接到云平臺進(jìn)行數據傳輸.信息點(diǎn)與集中器采用簡(jiǎn)單的星型拓撲結構.在該結構中，集中器作為中繼，連接到采集設備和云平臺，云平臺管理和存儲數據，手機終端或電腦端訪(fǎng)問(wèn)云平臺，實(shí)時(shí)查看用電信息。

　　核心硬件

　　該系統的關(guān)鍵硬件是LoRa設備，其工作原理如圖2所示.信息點(diǎn)數據采集裝置為L(cháng)oRa模塊中嵌入LoRa模塊的智慧電表，由控制單元、計量單元和通信單元三部分組成.控制單元是智慧電表的控制器，接收計量單元采集到的電量數據，實(shí)時(shí)累加存儲;控制單元通過(guò)將控制單元的脈沖數與功率轉換參數相乘來(lái)獲取相應時(shí)間內的用電量;通信單元一般采用RS485通信模塊和射頻模塊兩個(gè)模塊，其中RS485通信模塊和RS485通信模塊組成電量數據采集網(wǎng)，射頻模塊使用LoRa擴頻技術(shù)上傳送的電能數據，同時(shí)接收上端的電能轉換命令。

　　構建云平臺

　　云計算平臺操作系統采用Linux系統Ubuntu，整個(gè)開(kāi)發(fā)框架采用J2EE.系統云計算平臺按照功能分為數據匯聚層和數據分析層。

　　匯聚層的任務(wù)是自動(dòng)導入設備層數據，其主要技術(shù)是配置MQTT服務(wù)器，也就是在后臺運行MQTT協(xié)議的消息中間件，通過(guò)主題訂閱和發(fā)布在底層設備和終端用戶(hù)之間實(shí)現數據傳輸.MQTT具有多種消息中間件，本系統選擇EMQX作為國內開(kāi)源軟件，同時(shí)支持萬(wàn)級客戶(hù)端。

　　分析層負責處理物聯(lián)網(wǎng)設備產(chǎn)生的大數據。目前，最流行的JavaWeb應用程序開(kāi)源框架是SSH,SSH是由Struts+Spring+Hibernate集成在一起的，其中Struts負責Web層，與Web表單進(jìn)行交互數據;Spring負責業(yè)務(wù)層，提供統一的方法來(lái)管理業(yè)務(wù)對象;Hibernate用于持久性數據，提供完全面向對象的數據庫操作。

　　鑒于物聯(lián)網(wǎng)數據量大，讀取數據要具有很高的并發(fā)能力，而內存訪(fǎng)問(wèn)Redis可以提高查詢(xún)存儲效率，因此數據庫選擇Redis來(lái)存儲物聯(lián)網(wǎng)設備數據，而用戶(hù)數據，如用戶(hù)信息、短信驗證碼等則是用MySQL存儲的。

　　可視化處理

　　該系統的Web前端框架采用VUE開(kāi)發(fā)技術(shù)，用戶(hù)層負責將經(jīng)過(guò)分析處理的數據直觀(guān)、直觀(guān)地顯示在用戶(hù)的終端設備上，以網(wǎng)頁(yè)和手機APP或微信小程序的形式呈現給用戶(hù)。

　　實(shí)現了用電監測系統的功能

　　電力消耗的精確測量。智慧電表最基本的功能是通過(guò)云平臺精確測量接線(xiàn)的電力消耗，幫助學(xué)校進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

　　利用本系統可以對各種用電量和總用電量進(jìn)行分類(lèi)統計和統計分析，統計分析快捷準確，通過(guò)能耗數據的分析促進(jìn)校園節能降耗。

　　手持電力巡線(xiàn).用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)端隨時(shí)登陸平臺查看用電量信息，不受時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境等因素的限制，間接了解電力使用情況。

　　具備與其他校園管理系統順利對接的能力.對接后，信息無(wú)需進(jìn)行二次處理即可實(shí)時(shí)上傳，管理員可實(shí)時(shí)記錄、查詢(xún)數據參數和日志，實(shí)現校園信息管理的智慧化、集約化。

　　期望的擴展功能

　　智慧校園用電監測系統的基本功能是實(shí)時(shí)測量和統計分析用電，間接監測用電線(xiàn)路的狀況，后期在相關(guān)技術(shù)成熟后，系統功能進(jìn)行擴展，如在用電線(xiàn)路上增設LoRa斷路器，可實(shí)現智慧限電，在關(guān)鍵地點(diǎn)設置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器，實(shí)現自動(dòng)火災預警等功能.此外，還可擴展到校園用水監測，在校園水路節點(diǎn)安裝LoRa智慧水表，LoRa集中器將LoRa集中器統一納入云平臺，在后臺進(jìn)行相應的數據處理，實(shí)現校園水電能源的一體化和智慧化管理.逐步完善智慧校園基礎設施建設，并利用LoRa火災報警器和LoRa監控等終端設備，逐步提高智慧校園服務(wù)能力。

　　系統以實(shí)際應用為出發(fā)點(diǎn)，利用LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)設計了一套校園用電監控系統，實(shí)現了對校園用電的測量和監控.該系統具有結構簡(jiǎn)單、布線(xiàn)少、數據傳輸可靠等特點(diǎn)，在低功耗、低流量傳輸方面有其獨特的優(yōu)勢;該系統還具有靈活的擴展性和移動(dòng)性，不僅適用于校園環(huán)境，而且可擴展到工廠(chǎng)、住宅小區等水電設備的集中監控，隨著(zhù)智慧城市建設的開(kāi)展，應用場(chǎng)景將更加廣闊。