智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)

　　"教育信息化2.0行動計劃"提出：教育信息化將從數(shù)字校園時代逐步過渡到智慧校園時代.數(shù)字校園的重點在于信息共享，而智慧校園實現(xiàn)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(chǔ)，對集數(shù)據(jù)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)實現(xiàn)全面感知，并能對教育教學(xué)、教育管理進(jìn)行洞察和預(yù)測的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境.在"智慧校園總框架"國家標(biāo)準(zhǔn)的四個層次中，一個具有透徹感知功能的基礎(chǔ)設(shè)施層是最底層，即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)物、物、系統(tǒng)之間的感知、人、物之間的感知.智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)是智慧校園服務(wù)的重要組成部分.該系統(tǒng)采用公共通信頻率調(diào)制技術(shù)，實時測量校園內(nèi)各地點的用電線路，并通過LoRa技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有的多種無線傳輸技術(shù)相比較，該系統(tǒng)具有部署簡單、成本低、遠(yuǎn)距離、低延時等特點.隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不斷升級，與現(xiàn)有的多種無線傳輸技術(shù)相比較，LoRa技術(shù)具有更強的適應(yīng)性。

　　整體系統(tǒng)設(shè)計

　　以LoRa技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧校園用電監(jiān)控系統(tǒng)，由內(nèi)嵌LoRa模塊的智慧電表、LoRa集線器、工業(yè)無線路由器、服務(wù)器(物聯(lián)網(wǎng)云平臺)、移動終端或計算機等設(shè)備組成.案例校園內(nèi)各設(shè)備的應(yīng)用范圍南北長約1.5km，東西長約1km，共有18棟大樓，樓面最高6層.系統(tǒng)選擇LoRa模塊，其通信距離可達(dá)2km，單個集線器負(fù)荷容量一般為200臺，最多500臺.

　　如圖所示.系統(tǒng)架構(gòu)如下：設(shè)備部署方案為：三個教學(xué)樓各1個，兩個實訓(xùn)樓各1個，辦公樓1個，學(xué)生宿舍樓3個，學(xué)生食堂1個.LoRa集中器位于校園中心建筑的高層;LoRa集中器位于LoRa集中器和無線路由器之間：LoRa集中器通過以太網(wǎng)連接到無線路由器，再借助無線技術(shù)與信息點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;無線路由器接接到云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.信息點與集中器采用簡單的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在該結(jié)構(gòu)中，集中器作為中繼，連接到采集設(shè)備和云平臺，云平臺管理和存儲數(shù)據(jù)，手機終端或電腦端訪問云平臺，實時查看用電信息。

　　核心硬件

　　該系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件是LoRa設(shè)備，其工作原理如圖2所示.信息點數(shù)據(jù)采集裝置為LoRa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(shù)據(jù)，實時累加存儲;控制單元通過將控制單元的脈沖數(shù)與功率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘來獲取相應(yīng)時間內(nèi)的用電量;通信單元一般采用RS485通信模塊和射頻模塊兩個模塊，其中RS485通信模塊和RS485通信模塊組成電量數(shù)據(jù)采集網(wǎng)，射頻模塊使用LoRa擴頻技術(shù)上傳送的電能數(shù)據(jù)，同時接收上端的電能轉(zhuǎn)換命令。

　　構(gòu)建云平臺

　　云計算平臺操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)Ubuntu，整個開發(fā)框架采用J2EE.系統(tǒng)云計算平臺按照功能分為數(shù)據(jù)匯聚層和數(shù)據(jù)分析層。

　　匯聚層的任務(wù)是自動導(dǎo)入設(shè)備層數(shù)據(jù)，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，通過主題訂閱和發(fā)布在底層設(shè)備和終端用戶之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.MQTT具有多種消息中間件，本系統(tǒng)選擇EMQX作為國內(nèi)開源軟件，同時支持萬級客戶端。

　　分析層負(fù)責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)。目前，最流行的JavaWeb應(yīng)用程序開源框架是SSH,SSH是由Struts+Spring+Hibernate集成在一起的，其中Struts負(fù)責(zé)Web層，與Web表單進(jìn)行交互數(shù)據(jù);Spring負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)層，提供統(tǒng)一的方法來管理業(yè)務(wù)對象;Hibernate用于持久性數(shù)據(jù)，提供完全面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫操作。

　　鑒于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)量大，讀取數(shù)據(jù)要具有很高的并發(fā)能力，而內(nèi)存訪問Redis可以提高查詢存儲效率，因此數(shù)據(jù)庫選擇Redis來存儲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，而用戶數(shù)據(jù)，如用戶信息、短信驗證碼等則是用MySQL存儲的。

　　可視化處理

　　該系統(tǒng)的Web前端框架采用VUE開發(fā)技術(shù)，用戶層負(fù)責(zé)將經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)直觀、直觀地顯示在用戶的終端設(shè)備上，以網(wǎng)頁和手機APP或微信小程序的形式呈現(xiàn)給用戶。

　　實現(xiàn)了用電監(jiān)測系統(tǒng)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云平臺精確測量接線的電力消耗，幫助學(xué)校進(jìn)行實時監(jiān)控。

　　利用本系統(tǒng)可以對各種用電量和總用電量進(jìn)行分類統(tǒng)計和統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析快捷準(zhǔn)確，通過能耗數(shù)據(jù)的分析促進(jìn)校園節(jié)能降耗。

　　手持電力巡線.用戶可通過移動端隨時登陸平臺查看用電量信息，不受時間、地點、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(tǒng)順利對接的能力.對接后，信息無需進(jìn)行二次處理即可實時上傳，管理員可實時記錄、查詢數(shù)據(jù)參數(shù)和日志，實現(xiàn)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(jiān)測系統(tǒng)的基本功能是實時測量和統(tǒng)計分析用電，間接監(jiān)測用電線路的狀況，后期在相關(guān)技術(shù)成熟后，系統(tǒng)功能進(jìn)行擴展，如在用電線路上增設(shè)LoRa斷路器，可實現(xiàn)智慧限電，在關(guān)鍵地點設(shè)置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器，實現(xiàn)自動火災(zāi)預(yù)警等功能.此外，還可擴展到校園用水監(jiān)測，在校園水路節(jié)點安裝LoRa智慧水表，LoRa集中器將LoRa集中器統(tǒng)一納入云平臺，在后臺進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并利用LoRa火災(zāi)報警器和LoRa監(jiān)控等終端設(shè)備，逐步提高智慧校園服務(wù)能力。

　　系統(tǒng)以實際應(yīng)用為出發(fā)點，利用LoRa無線通信技術(shù)設(shè)計了一套校園用電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對校園用電的測量和監(jiān)控.該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、布線少、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點，在低功耗、低流量傳輸方面有其獨特的優(yōu)勢;該系統(tǒng)還具有靈活的擴展性和移動性，不僅適用于校園環(huán)境，而且可擴展到工廠、住宅小區(qū)等水電設(shè)備的集中監(jiān)控，隨著智慧城市建設(shè)的開展，應(yīng)用場景將更加廣闊。