智慧校園能耗分析與優化管理系統設計與實現

陳強，孫海濤，江遠航

（三亞學院，海南三亞，572000）

0 引言

目前，校園供電管理主要以刷卡消費為主，每個宿舍、食堂等出租檔口的用電消費采用預先支付，刷卡取電的方式。這種方式不能及時發現用電過程中的各種問題，如竊電、不合理耗電等，對能源優化管理存在較大管理難度。因而，設計一個系統可以監視、管理學校供電中每一個房間內的供電情況就非常必要，及早斷掉學校供電用戶中出現異常數據的房間或者設施供電，并定位在問題節點位置進行檢修，就能夠有效防止停電事故障波及的范圍，同時可以使用大數據把過去幾年內的歷史數據上傳到大數據庫里加以存儲，從而便于查詢、分析學校的供電狀況，對節約能源有較好的促進作用[1]。

因此，設計一款校園能耗分析與優化管理系統，系統將學校用電參數的收集，電力品質的監測，以及供電的安全分析于一身，實現校園內用電全智能化管理。一方面，隨著數據獲取以及數據處理技術的迅速發展，萬物互聯技術的發展速度急劇提高。另一方面，人們與環境中各種各樣的數據聯系更加緊密，對環境數據的采集以及檢測變得更加依賴。用電數據自主化處理、反饋是人們更加期盼的。數據及時處理、反饋能夠進一步減少工作量，減少不必要的消耗。

1 硬件系統方案設計

■1.1 系統總體方案設計

該智慧校園耗能分析與優化管理系統的主要工作是進行校園能耗的監控、管理與優化，通過單片機搭配外圍檢測模塊進行相關環境數據智能化監測，通過網站進行數據的展示和分析。外圍檢測模塊通過相關傳感器進行用電數據采集，傳輸到單片機處理單元，單片機處理單元對數據進行打包封裝處理，為系統的其他應急處理奠定數據基礎，當數據發生異常后，進行相關的邏輯分析處理，進一步實現整個系統的智能化工作模式。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

■1.2 硬件電路設計

硬件電路的開發主要有兩個方案可供選擇，一種是利用分立元件對各個功能模塊進行設計，耗時、費力、容易出現錯誤。另一種方式是直接選擇相應的功能模塊進行搭積木式的硬件電路設計，需要什么樣的功能選擇什么樣的模塊，開發人員重點關注模塊的數據和電源的接口要求，在接口滿足要求的情況下進行功能組合。當然，這種方法帶來的問題就是資源的浪費，每個模塊為了有更好的適用性，往往集成功能要多一些，比如接口資源就要豐富一些，我們沒有使用的接口就是浪費[2]。優點就是帶來了高效、可靠的硬件電路，開發人員的主要精力放在程序設計與系統調試上，系統硬件電路如圖2所示。

圖2 系統硬件電路

傳統的能耗監控管理系統多數采用的是有線傳送的方法，俗稱遠程抄表系統。成本高昂、布線繁瑣、不易維修等的問題。智慧校園能耗分析與優化管理系統通過無線傳送的方法，取消了布線，終端與中繼直接通過電池供電，降低了維修成本，而且由于其低功耗的特性大大延長了使用壽命。該網絡系統主要由低功耗廣域物聯網構成，通過WiFi 進行無線數據傳輸。

在該系統中主控單片機用于系統的外圍電能檢測模塊數據的獲取、無線傳輸模塊的控制，實現各個模塊的邏輯控制，是整個系統的中心單元。OLED 顯示模塊用于電能數據在下位機監控顯示，方便校園宿舍人員觀測自己宿舍的能源消耗。電能獲取模塊是整個系統的重點，用于用戶獲取當前用電耗能情況，為下游任務的抉擇做出數據支撐。繼電器模塊用于電器開關的控制，用于及時切斷用戶的用電隱患。WiFi 模塊用于用電耗能數據的無線傳輸，方便管理人員檢測多地點多設備的能耗數據。硬件實物如圖3所示。

圖3 硬件實物圖

■1.3 電路模塊原理與選型

1.3.1 微處理器

目前在高校學生群體中常用的電子電路處理器有三種，52 單片機、STM32 單片機和Arduino 單片機。52 單片機是應用比較早的單片機產品，具有簡單易上手的特點。基于內核的八個處理器，該單片機內部提供穩定高效的工作頻率，內置可反復擦拭的Flash 以及51 字節的RAM，該單片機能夠兼容多種指令集和多個引腳。STM32 單片機是前幾年流行的主流單片機，具有處理速度快、內置資源豐富的特點，在教學中已逐步向這塊單片機轉移。Arduino 單片機，該處理器單元是當前嵌入式最熱門單片機，該單片機能夠快速地實現相關的運算以及數據存儲讀取工作，該單片機也能快速地實現外部設備的連接，較低的能耗以及較高的性能也是其流行的主要原因。該單片機在當微控制系統中的市場占比比較大，相關的開發環境、開發文檔、開發技術也比較完善，非常適合檢測相關系統的開發，因而本系統選用Arduino 單片機。

ArduInO 單片機的數字I/O 系統被劃分了二個組成部分，而每組成部分中又包括了六種實際應用的I/O 管腳，即管腳2 到管腳7 和管腳8 到管腳13[3]。在數字電路中，開關電源是一種最基本的輸入工作形式，它的主要功用是確保集成電路的連接或是斷開。ArduinO 在數字I/O 接口上可以讀寫到高電平(5V)或是低電平(0V)，首先考慮到問題便是怎樣將開關的開/斷狀態，轉變成由Arduino 上可以讀出的高/低電平。

1.3.2 顯示模塊

在智慧校園耗能分析與優化管理系統的設計中，主要有三種系統交互模塊可供選擇：LED 數碼管顯示模塊、液晶顯示模塊和OLED 顯示模塊。LED 數碼管顯示模塊主要運用于數據顯示量比較低的系統中，顯示屏刷新的頻率較低，功耗較高。在模塊控制方面，系統的數據控制比較繁瑣，也比較浪費IO 管腳。OLED 顯示模塊通過控制驅動電路和擴展驅動電路進行數據傳輸。數據傳輸格式也變得比較通俗易懂。最重要的一點是該顯示模塊的數據顯示編程比較方便，成熟的API 能夠進一步減少開發人員的代碼的兼容性、易控制性。該顯示模塊能夠復雜字符的顯示，提高了數據交互的多樣性。用戶無需對于各個IO 進行編程控制，只需要調用相關封裝好的API 進行目標數據顯示設計，本系統選擇OLED 顯示屏模塊。

OLED 顯示模塊主要通過多個信號選擇引腳以及數據傳輸引腳進行數據的顯示工作。OLED 顯示模塊通過多個信號線組合進行不同工作模式的實現。相關數據的顯示主要通過初始化、指令操作、數據操作三個步驟進行實現。通過信號引腳設置數據讀寫控制信號、數據寫入信號、命令/數據標志信號。系統首先把準備好數據源，然后通過DS(RS)引腳設置命令/數據模式(高電平數據、低電平命令模式)。當讀取數據時，設置RD 引腳上拉，把數據寫入到8個數據傳輸引腳。當寫入數據時，設置WR 引腳上拉，使得數據寫入到OLED 內嵌的驅動中。

1.3.3 電能采樣模塊

電能采樣模塊是前端能耗數據采集的重要節點，用于將用戶耗能情況以單片機能處理的數據形式進行輸出。系統所選用的IM1281B 單相交流電能測量模塊精度遠高于國家的一類標準，并能夠檢測45 ～65Hz的交流電壓、電流、功率因數、功率因素、頻譜特征等電力數據，并利用相應接口技術方便地與其他單片機、ARM 聯網，完成了智能化數據收集和監測的功能。

利用相應接口技術方便地與其他單片機、ARM 聯網，完成了智能化數據收集和監測的功能。取樣得到所有暫態電壓和電流的信號量時，把各對暫態電壓和電流的信號相加，求得瞬時有功電能的取樣值。IM1281B 高度集成測試、數字通訊技術，可以實現對電力計算、收集和傳送的單一交流電參數檢測，也可以精密測定單一交流電壓、流量、功率、功率因數、頻譜、發電量等電參數[4]。提供一路TTL 雙電平連接，體積小，連接方便。

1.3.4 WiFi 模塊

ESP8266 通訊模組是一種無線通信模組，是一種高性能的WiFi 通訊模組，該模組支持標準的IEEE802 協議，內置了TCP/IP 協議，可以方便快捷地實現網絡數據傳輸功能，能夠實現多種工作模式的配置，也支持UART/GPIO 數據通信接口，能夠通過AT 指令進行相關的網絡配置以及傳輸數據的封裝。WiFi 通信模塊的開發技術越來越成熟，對于網絡通信的配置、數據傳輸只需要少量地引腳連接，該模塊方便透明傳輸能夠加快數據通信的整個過程。ESP8266 通過TXD/RXD、VCC、GND 管腳進行相關的數據傳輸工作。

1.3.5 鍵盤輸入模塊

鍵盤輸入模塊主要有兩種，獨立按鍵模塊和矩陣按鍵模塊。獨立按鍵模塊的數據傳輸是通過所連接的管腳進行，每使用一個按鈕就會多犧牲一個管腳資源，每個按鍵需要和微處理器進行獨立連接。通過獲取按鍵的高低電平進行控制信號的實時監測，獨立按鍵模塊設計非常方便。系統在較少的控制信號需求下，獨立按鍵模塊是非常好的選擇，能夠減少不必要的管腳資源浪費。矩陣按鍵模塊，主要用于大量數據輸入的情況（輸入密碼、需要0-9 數字控制等），最大的特點是能夠大量的節省相關的IO 管教資源，鑒于系統的復雜性，選擇矩陣按鍵模塊。

2 能耗分析與優化管理平臺實現

■2.1 平臺功能實現

為了達到智慧下元能耗分析與優化管理平時靈活、方便的特點，管理平臺的架構采用B/S&C/S 結構設計。B/S 結構在實現原理和實用性方面靈活、方便，用戶和系統管理員只要在有電腦并且聯網的情況下就可以隨時訪問，無需安裝應用程序，只要持有合法的賬戶和密碼即可。網站的維護也十分方便，同時最大的特點就是擴容和升級改造十分方便。在C/S 結構下系統可以最大程度地發揮客戶端計算機的分析處理水平，只要主機服務器安裝主機端軟件，就可以為客戶提供注冊、查詢、業務辦理等，響應速度快[5]。B/S&C/S基于Web的管理信息體系結構如圖4所示。

圖4 B/S&C/S 基于Web的管理信息體系結構圖

■2.2 平臺功能設計

2.2.1 登錄模塊

在打開能耗分析與管理系統首頁時，首先要注冊賬戶，填寫注冊信息。當錄入完畢后，把數據提交服務器，服務器將確認用戶名和秘密是否正常錄入。接下來就是登錄系統，在填入準確的客戶名和登錄密碼時，網頁將從主頁完成后切換至操作系統的登錄窗口。如圖5所示。

圖5 系統登錄界面

2.2.2 其他功能模塊

通過用戶管理系統登錄后就進入了管理系統的主界面，完成用戶管理、密碼修改、終端管理、參數管理、實時數據查看、歷史數據查看、告警查詢等操作[6]，其它功能模塊如圖6所示。通過對應頁面的按鍵進行信息的更新、刪除、修改、添加等工作。

圖6 系統功能模塊展示

各界面功能模塊的主要作用如下：

用戶管理界面，顯示用戶的基本信息，管理員可以對用戶進行查詢等操作。

密碼管理模塊，用于用戶定期進行賬戶密碼的修改，以確保賬號安全，包含舊密碼確認與新密碼修改操作。

終端管理模塊，該模塊用于采集用電設備和具體宿舍的能耗數據，通過該模塊能夠實現設備信息追溯工作，方便后期進行精確的耗能信息管理。通過該模塊不但能掌握節點的能耗信息，還能隨時掌握節點的工作狀態、故障切除設備等功能。

參數管理模塊，該模塊用于系統節點設備信息告警閾值的設置，方便對系統的耗能實現智能控制，如異常的耗電警告、長時間特定功率運行等。通過該模塊進一步實現電能、電壓閾值的設置。

實時數據模塊，該模塊用于系統的節點設備電能數據的實時獲取，方便對設備的當前狀態進行實時的監控。

3 結語

針對傳統的校園耗能管理系統所存在的問題，提出基于互聯網的智能校園能耗目標分析與優化管理系統，解決了能耗數據分析不及時，系統管理難度大，不能進行能耗優化等問題。無線數據傳輸給系統的布線和維護帶來了便利，通過JAVA 實現管理系統網頁的設計，實現數據的存儲、分析與優化，測試表明系統可實現對校園能耗的智能化管理，對于校園能耗管理有重要意義。