基于STM32的校園能耗網絡監控系統設計

廣州大學華軟軟件學院電子系 王曉品 廖惜春

0 引言

隨著我國大學校園數量和面積的不斷增加，校園內公共設施也不斷完善和擴充，大學校園逐漸成為整個社會上高耗能的單位。據2016年全國耗能數據統計顯示，大型高校公共建筑的單位建筑面積年耗電量為每平方40～100kw·h[1]，是居住建筑的4—10倍，所以在資源問題日益突出的今天，需要有校園能耗檢測與控制系統來減少校園的能耗。

大學校園耗電一般具有以下特征：（1）多媒體課室：下課學生走后，管理人員未及時去關閉電源，導致課室里的燈、空調等用電器還是處于耗電的狀態。（2）實驗室：同學們做完實驗離開教室時，未關閉電腦，導致電腦處于待機狀態，直至管理人員去關閉，從而白白浪費了一定的電量。（3）公共區域：大學校園里的路燈、教學樓的樓道燈在過了12點無人走過的時間段或者在光照良好的白天還繼續點亮，造成了不必要的電量浪費。因此研制出一個校園能耗檢測與控制系統是迫切需要的。

1 系統設計方案

為了利用原有校園的網絡基礎設計，系統設計主要分為下位機和上位機兩大部分，下位機分為室內子系統和室外子系統，利用教室的以太網接口或獨立加裝WIFI模塊將教室和路燈的電量數據上傳到服務器，上位機可以隨時觀測和分析數據，并且可以實現遠程控制教室用電器和路燈的功能[2]，設計方案如圖1所示。

圖1 校園能耗監控總體方案圖

校園能耗監測與控制系統分為上位機和下位機，上位機主要完成數據的接收、實時顯示每個教室或者路燈的用電情況以及發送指令遠程控制用電器的開關功能；下位機則主要利用各種傳感器采集數據，并通過分析這些數據來完成對用電器工作方式的控制，并通過電能采集模塊采集用電器的用電情況通過以太網或者wifi網絡模塊將數據上傳到上位機。

2 系統硬件設計與實現

下位機系統分為教室系統和路燈系統，總體設計方案如圖2所示，包括STM32處理器、數據采集模塊、繼電器控制組和ESP-8266wi fi模塊/W5500以太網模塊四大部分[4][5][6]。

圖2 下位機系統電路設計圖

圖3 能耗管控主流程圖

2.1 STM32處理器

STM32F103C8主芯片基于ARM cortex-m內核，最高72MHZ的主頻率，具有16個輸入通道，可以滿足本系統的設計要求。

2.2 數據采集系統

RAD20CM紅外傳感器統計教室人數、GY-30光照度檢測模塊采集光照度，光照度范圍為0到65535LUX,內置16bit模數轉換電路，可以直接數據輸出數據；DS18B20溫度模塊采集溫度，T518電能采集模塊采集電信號并計算出電能。

2.3 網絡模塊

以太網接口W5500采用或WIFI模塊ESP8266，通過實際環境任意切換有線、無線方式。

3 系統軟件設計

軟件設計主要包括系統用電設備智能控制策略和上位機界面設計兩部分，總體流程如圖3所示。

3.1 用電設備智能控制策略

系統智能控制用電是整個系統智能化的具體表現，主要包括數據采集、數據分析和控制策略[3]，其中燈光和風扇控制采用相同的流程管理，實時監測亮度或溫度參數，超過設定值時判斷教室內的人數，當人數在某個范圍內開啟相對應數量的燈和風扇。

圖4 上位機軟件界面

3.2 上位機界面設計

系統采用VB自主設計一款上位機軟件，具備自動/手動模式切換功能、電量測量數據的讀取和遠程開關用電器功能，可以分別顯示不同教室或者路燈的電流、開關狀態、開啟數量及用電量，發現用電浪費的教室或者路燈，可切換到手動模式遠程關閉用電設備，界面設計如圖4所示。

4 結語

校園能耗監控系統不僅實現了教室用電器、路燈的自動開關，而且可以通過遠程監測和控制用電器。實驗表明，校園能耗監控系統提高了電能利用率，實現了校園的低碳節能。

[1]周克良,張明麗,劉太鋼.基于STM32F的企業樓宇節能控制系統設計[J].計算機測量與控制：控制技術,2016,24(1)：115-118.

[2]陳章進,張建峰,李翰超.基于ZigBee與WiFi的無線智能照明系統設計[J].計算機測量與控制：設計與應用,2016,24(2)：228-231.

[3]陳湘萍,劉南平,蔡舉.一種多傳感器數據信息的融合算法[J].天津師范大學學報,2011,1(31)：42-44.

[4]何力,于海,房利國.基于物聯網的能耗檢測系統解決方案[J].信息安全與通信保密,2012,1.

[5]錢濤.基于物聯網技術的建筑能耗動態監管系統的設計與實現[J].科技信息,2013(35).

[6]譚裴,薛偉.一種基于物聯網技術的能耗管理平臺研究[C].2013年中國通信學會信息通信網絡技術委員會年會論文集.