高校學生宿舍水電表管理系統設計與實現

王 鋒， 金 晶

（海南工商職業學院，海口571100）

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，最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；最上層是用戶層端，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RS 485 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。

圖1 系統架構圖Fig. 1 System architecture diagram

圖2 系統圖形化界面Fig. 2 System graphical interface

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。

圖3 數采集層設備Fig. 3 Data acquisition layer equipment

（1）Freescale i.MX6 Quad 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SQL server 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。

圖4 用戶APP 界面Fig. 4 User APP interface

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，在用戶注冊賬號時必須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。 個人中心展現用戶信息和一些參數設置，如下圖所示。 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繳費充值，設置余量提醒功能和設置提醒值。

3 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。