淺析高校學生宿舍水電表管理系統設計與實現的研究應用

黃琴

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了改善高校學生宿舍安全用電、方便輔導員監測和管理學生作息時間，維護校園安全，設計出了基于高校學生宿舍的水電表管理系統。該系統采用基于ＦｒｅｅｓｃａｌｅｉＭＸ６芯片下的嵌入式物聯網應用開發，通過對水電表數據的采集處理傳輸到服務器端，服務器采用Ｃ＃語言下的ｗｅｂ開發，*后通過移動端ａｐｐ獲取采集的數據以及顯示。結果表明：所設計的系統給學生帶來全面方便快捷的服務體檢，滿足學校監管需求，隨時了解學生動態并控制用電風險，同時提高了物業及高校教學管理的質量和效率。

關鍵詞：物聯網；用電安全；實時監測；數據采集

0引言

隨著社會經濟的發展及學生公寓的普及，學生宿舍的用電情況發生了巨大變化。科學、合理地管理學生宿舍的用電情況，成為學校后勤管理部門面臨的一個十分重要的問題。同時，與學生生活密切相關的水電費用對于學生來說也一直是個空白。而用電管理對學生可靠、安全、節約用電有十分重要的意義。

為了使學生能夠實時查看自己所在宿舍每時段水電表使用情況，形成節約環保意識，也為了學校能夠更加方便快捷地監測和管理學生作息時間，維護校園安全，順應信息技術與教學管理深度融合的發展趨勢。設計出一款智能化水電表管理系統，采用信息技術、大數據分析以及物聯網技術相結合的方式，可有效地對學生進行管理。滿足了學校管理部門及學生對學生宿舍的用電管理需求，同時具備監測學生用電狀態、遠程付費、遠程管理用電安全等功能。它是一套軟硬件結合，包含下位機數據的采集、服務器端系統軟件開發、移動端客戶應用開發等功能的系統。

1系統架構設計

1.1系統架構圖

本系統自下而上分成3個層次，*底層是具有采集數據功能的水表與電表、數據采集終端；通過校園內局域網把采集到數據傳輸到服務器層，服務器對數據進行匯總分類；*上層是用戶層端，通過Ｉnｔｅｒｎｅｔ把數據傳輸給每一位用戶，可以是ＰＣ端或移動端。

1.2系統構成

本系統有3部分構成：數據計量采集層，通過嵌入式ＡRM采集終端的ＲS485總線采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集水電表計數據。服務器層：數據服務器。存儲各數據終端送過來的數據，具有數據查詢和統計結算功能。客戶層：包含ＰＣ端ｗeｂ登錄及移動端ａｐｐ。可進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示數據，同時具有管理控制功能。

（1）數據計量采集層。包含直讀式水表、單相預付費電表、數據采集終端，數據終端通過４８５ＭＯＤＢＵＳ協議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數據。

（2）服務器層。服務器層由遠程抄表系統及數據服務器構成。主要實現存儲各數據終端送過來的數據，具有數據查詢和統計結算功能。圖形化的界面呈現各宿舍水電表使用情況，提供靈活、易用、高性能的可視化分析能力，讓數據說話！　　

（3）客戶層。客戶層主要是系統的移動端，客戶層分為輔導員及學生ａｐｐ端。可根據需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現客戶的需求。

2系統功能設計與實現

2.1數據計量采集層的實現

數據計量采集層使用嵌入式ＡＲＭ平臺通過ＲＳ４８５、ＭＯＤＢＵＳ協議連接直讀式水表與單相電子式預付費電表從而實現數據的收集與分析。

數據采集端采用飛思卡爾的ＡＲＭ芯片ｉＭＸ６，運行嵌入式Ｌｉｎｕｘ系統，使用Ｃ語言編寫的應用程序通過ＲＳ４８５連接線ＭＯＤＢＵＳ協議采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集表計數據，一個采集終端可連接多個水電計量表。并通過ｕｄｐ網絡把數據送到管理層服務器端。

（1）Freescalei.MX6Quad嵌入式Linux開發平臺的搭建。采集終端是基于ｉ．ＭＸ６的ＡＲＭ芯片，應用程序的開發針對交叉編譯器的選擇，本文選擇跟內核編譯一樣的編譯器，這樣做的目的是為了減少編譯后程序運行出現問題。首先在宿主機安裝交叉編譯器，并添加環境變量到Ｐｒｏｆｉｌｅ，這樣做的目的是方便應用程序無論放在哪個目錄都可以進行編譯。

（2）采集程序的編寫。采集終端是基于ＡＲＭ芯片的嵌入式Ｌｉｎｕｘ設備，在開發平臺搭建好后，我們就可以在宿主機使用交叉編譯器對編寫的程序進行交叉編譯，編譯好的程序可以直接在采集終端運行。由于程序的主要功能是對ＲＳ４８５總線上的水電表計量設備進行數據的采集。所以程序的編寫，本文主要采取以下方式或流程完成。首先創建兩個ＲＳ４８５接口，并進行初始化，分別對應水表和電表，其次通過創建水處理線程和電處理線程。水處理線程輪詢所有水表，得到水表數據更新存儲到數據庫并上傳到服務器端；電處理線程輪詢所有掛載在４８５總線的電表，并獲取到當前電量和剩余電量，更新數據庫存儲并發送到服務器端存儲。

（3）采集程序的運行。編譯完成可以通過ｔｅｌｎｅｔ或者ｓｓｈ登錄到采集終端，并通過ｆｔｐ把相關可執行程序傳輸到采集終端，再運行相應程序。

2.2服務器層的設計與實現

服務器層主要是實現數據的存儲，具有數據查詢和統計結算功能。本系統是基于ｘ８６平臺的Ｗｅｂ開發，采用Ｃ＃語言，基于Ｂ／Ｓ結構（Ｂｒｏｗｓｅｒ／Ｓｅｒｖｅｒ，瀏覽器／服務器模式），ＩＩＳ搭建ＷＥＢ服務器，創建ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ數據庫。用戶在任何一臺可以上網的電腦或移動端設備打開瀏覽器，并在瀏覽器中輸入ＩＰ地址就可以登錄本系統搭建的服務器界面。

功能模塊分解如下：（1）登錄界面的設計與實現。“登錄"界面用于系統管理員的登錄，需輸入登錄賬號、登錄密碼。用戶角色可選系統管理員和普通管理員。添加登錄驗證主要用于防止外人進入修改數據。（2）實時水電信息界面的設計與實現。用戶登錄系統后，住戶管理欄下有實時水電信息欄，進入后可根據關鍵字查詢信息，并可以修改或添加。有如下信息：房號、戶主姓名、電話、當前電表數、剩余電表數和當前水表數等。（3）用水用電一覽表。“用水用電一覽表"用于對各個宿舍的水電信息、水電費進行統計并以圖表形式顯示。（4）水價類別設置與電價類別設置界面的設計與實現。“水價類別設置"與“電價類別設置"界面用于對水價與電價類別的設置與修改。（5）區域設置界面的設計與實現。“區域設置"界面用于對各個區域進行瀏覽，并可以查詢與修改。（6）月抄表及查詢界面的設計與實現。“月抄表及查詢"界面用于對各個宿舍的水電用量、應交水電費和抄表月份進行瀏覽，同時可根據關鍵字進行搜索查詢。（7）統計抄表情況界面的設計與實現。“統計抄表情況"界面可對各個月份的抄表次數和收費合計進行瀏覽。

2.3客戶層的設計與實現

客戶層主要是系統的移動端，客戶層分為輔導員及學生ａｐｐ端，如圖４所示。

可根據需求按時段、按宿舍號、按管理宿舍進行分類分項查詢、以圖形、報表等方式顯示，各大功能實現客戶的需求。采用ＪＡＶＡ語言開發，ＳＱＬｉｔｅ數據庫。在Ａｎｄｒｏｉｄ系統的ａｐｐ客戶端，在用戶注冊賬號時要設定個體的身份信息，系統將通過注冊的賬號識別學生、輔導員、管理員身份，自動適配功能模塊。

2.3.1輔導員端ＡＰＰ的設計與實現

輔導員端ＡＰＰ實現的功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，輔導員端的３個主頁通過底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現。

（1）首頁界面的設計。廣告輪播：輪番展示校園風景。報警信息：提供跳轉入口去查看該宿舍在限定水電用量超額時的告警信息，提供給輔導員遠程通斷控制，點擊后可以遠程控制該宿舍開關。閑時用量：提供跳轉入口去查看設定的閑時時段該宿舍電的使用情況。電用量：通過網絡輸入流從服務器獲取該宿舍當天的用電量，并且顯示出來。水用量：通過網絡輸入流從服務器獲取該宿舍當天的用水量，并且顯示出來。

（2）水電界面的設計。水電界面的設計主要是方便輔導員實時查看管理宿舍水電用量信息。點擊宿舍編號，可以顯示選擇宿舍的水電量。水電主頁中將其所屬宿舍當前的水電使用情況分別通過柱型圖的方式直觀展示出來。

（3）個人中心主要有如下幾個功能：（ａ）我的宿舍。展示輔導員本人所管理宿舍號，同時提供宿舍添加和刪除功能。（ｂ）閑時設置。提供跳轉入口進入設置預期水電用量低的時間段的頁面，比如設置晚上１２點至早６點預期用量低時間段，或根據課表設置閑時時段。（ｃ）預警設置。預警管理功能目的是監控所管理宿舍的水電使用量是否超出預期設定值，一旦水電使用量達到超額限定時系統將記錄下超額發生的時間點，功率大小及持續時間。按照管理需求，預警可以設定多個，一般情況設置兩種類型的預警情況，一個是閑時時段水電用量預警，能及時發現宿舍設備或其他異常情況出現，另外一種是間隔單位時間內用電量預警，目的是識別或記錄下大功率電器的使用情況。

2.3.2學生端ＡＰＰ的設計與實現

學生端ＡＰＰ同樣采用３個功能將通過首頁、水電、我的３個主頁切換展示，學生端的３個主頁同樣通過底部導航＋ＶｉｅｗＰａｇｅｒ＋Ｆｒａｇｍｅｎｔ的組合來進行實現。

其中首頁主要記錄學生所在宿舍當前月份水電用量信息，水電頁面通過柱型圖的方式直觀展示水電使用情況，查看方式可以設置按月，周，日進行查看。

當選擇按月展示時：通過網絡輸入流從服務器取出該宿舍當月每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現３０個單位柱圖展示１個月內３０天水電用量變化情況。

當選擇按周展示時：通過網絡輸入流從服務器取出該宿舍當周每天的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現７個單位柱圖展示１周內７天水電用量變化情況。

當選擇按日展示時：通過網絡輸入流從服務器取出該宿舍每天每小時的用電用水量，并且通過柱形圖來進行展示，即界面將呈現２４個單位柱圖展示一天內２４小時水電用量變化情況。

我的主頁主要有充值繳費和余量提醒兩個功能，學生可以通過充值繳費功能進行遠程充值，設置余量提醒功能和設置提醒值。

3 AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統計、后勤計費管理、校園運維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網、荷、儲、充"多個角度解析高校當下及未來的用能問題及用能需求，在統一的需求下“實現能源互補、信息互通"等管理模式。助力學校管理智能化、數字化、綜合化，實現節能校園、綠色校園、低碳校園。

3.2平臺組成

AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網絡結構，主要由設備層、傳輸層、數據層、應用層組成。平臺融合電力監控、電能統計、電氣安全、電能質量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對企業用電進行進行集中監控、統一調度、統一運維，同時滿足企業用電可靠、安全、節約、高效、有序的要求。

3.3平臺架構

圖1安科瑞高校綜合能效管理方案架構拓撲

4高校綜合能效解決方案

4.1校園電力監控與運維

集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。

4.2后勤計費管理

采用先進的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。

4.2.1宿舍用電管理

針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；

可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄；

4.2.2商鋪水電收費

針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理

4.2.3充電樁管理平臺

充電樁在“源、網、荷、儲、充"信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。

4.2.4智能照明管理

通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。

4.3能源管理系統

針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。

按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。

構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。

4.4智慧消防系統

智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。

5平臺部署硬件選型

5.1電力監控與運維平臺

5.2后勤計費管理

5.2.1宿舍/商業預付費平臺

5.2.2充電樁管理平臺

5.2.3智能照明管理

5.3能源管理系統

5.4智慧消防系統

5.4.1電氣火災監控系統

5.4.2消防設備電源監控系統

5.4.3防火門監控系統

5.4.4消防應急照明和疏散指示系統

6結束語

闡述了高校學生宿舍水電表管理系統的技術理論和實現過程。通過搭建數據采集系統、ＰＣ端數據管理系統以及移動端的數據顯示人機交互ＡＰＰ。實現將水電表數據采集到統計和結算以及呈現給移動端ＡＰＰ。系統是基于物聯網的遠程能源管理，擴展到對學生進行安全管理。該系統在技術層面上可作為物聯網遠程抄表的案例開發技術，還可實現高校學生生活及學習行為的數據挖掘，提高教學管理質量，具有很高的創新性和應用價值。

【參考文獻】

【1】王鋒，金晶.高校學生宿舍水電表管理系統設計與實現.海南工商職業學院，海口571100.

【2】展巍.基于物聯網的多表合一智能抄表發展研究[Ｄ].北京:郵電大學，2018．

【3】胡江溢，祝恩國，杜新綱，等.用電信息采集系統應用現狀及發展趨勢[J].電力系統自動化.2014(2).

【4】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

黃琴，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事宿舍安全用電研究發展。