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研究设计宿舍楼大功率电器监控与智能管理系统

2020-05-27 575 上传者：管理员

摘要：针对学校宿舍的用电安全和管理存在的众多问题[1]，文章设计并实现一种远程监控宿舍用电的监管系统。系统分为监控中心（上位机）、手机APP和下位机3部分。上位机用于监控用电信息、火灾报警并做好相应记录。下位机由STM32单片机进行数据采集、处理、传输；系统采用差值功率算法通过瞬增功率识别大功率用电器，满足电器管理需求；手机可以远程查看宿舍的用电器、火灾、电灯、空调信息并进行控制，手机远程查看与控制宿舍设备更加方便快捷。

关键词：
大功率识别
物联网技术
监控中心
网络应用
远程控制
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引言

面对宿舍用电事故的频频发生，虽然高校对宿舍使用大功率电器管理力度很大，但由于管理手段不足，学生经常偷偷使用大功率电器而引发火灾。因此，无法从根本上解决学生使用大功率电器问题。本文设计了监控系统，当宿舍使用大功率电器时，单片机控制断电，监测中心进行报警并进行记录；用户使用手机远程查看宿舍用电设备进行控制。系统加强了宿舍安全管理，减少人力成本。

1、系统总体方案

系统由设备终端、中继设备、监控中心和用户APP4部分构成[2]，如图1所示。设备终端负责信号采集，将采集的数据通过无线串口上传到中继设备；中继设备负责信号的上传下发；监控中心负责报警以及数据的记录管理；用户可以进行远程查看宿舍信息进行控制。

图1系统总体方框图下载原图

终端设备采用STM32单片机作为控制模块，外围电路由继电器、电能计量、空调、WiFi、NRF无线串口、烟雾、火焰、报警器模块组成，如图2所示。其中，控制器完成数据采集、数据处理、数据发送、报警功能；电能计量模块采集宿舍供电回路功率、电流信息；系统通过继电器控制回路的通断；无线串口负责将控制器数据发送至中继设备；WiFi模块负责和控制器通信将数据发送到机智云服务器；控制器采集烟雾、火焰信息，当发生火灾时通过报警器进行报警，通过红外解码模块拷贝空调遥控器，控制器将数据通过WiFi发送至机智云服务器从而实现远程控制。

图2设备终端控制系统框图

2、系统功率监控算法设计

宿舍楼大功率用电器的设别：系统定时循环采集宿舍的总功率，将采集到的功率值前后求差记为ΔS[5]；如某时刻ΔS大于运行瞬增功率，并且满足后面采集到功率值大于ΔS，则判断该宿舍使用了大功率电器，控制器驱动继电器断开电源，避免尖峰脉冲引起误判。识别线路老化过流：线路老化会加大损耗，则线路电流会增大，此时电流会超过额定电流，监测设备同上处理。

3、系统硬件电路设计

3.1功率监测电路设计

功率计量由电能计量模块和继电器组成，如图3所示，数据通过串口发送至控制器，再由控制器通过无线串口模块发送至中继设备。当控制器识别到大功率电器时控制继电器断开，进而达到断电的目的。

图3电能计量模块电路图

3.2数据通信设计

3.2.1Wifi模块

Wifi采用ESP8266模块，通过TXD、RXD与控制器连接，将控制器数据通过无线网发至机智云服务器，如图4所示。学生使用机智云手机APP查看宿舍用电设备[3]，同时通过服务器下发控制命令给控制器从而达到控制用电设备的目的。

图4Wifi模块电路图

图5通信拓扑关系图

3.2.2NRF无线串口模块

控制器与上位机通信用NRF无线串口模块；控制器与NRF模块基于SPI通信协议进行数据交换。NRF模块将数据通过无线传输到中继设备，中继设备再将数据统一上传到上位机，如图5所示。

4、上位机与APP设计

上位机采用C++builder编程，通过NRF模块与下位机建立通信[4]，上位机负责接收中继设备发来的功率、火灾等数据，当设备用电数据超过设定值时，控制器进行断电同时上位机进行报警，记录报警次数、时间信息远程开启供电，如图6所示。手机APP是基于机智云设计，控制器通过Wifi将数据发至机智云服务器，用户手机通过服务器进行查看和控制宿舍用电设备。

5、结束语

本文基于物联网技术研究了大功率监控与智能管理对原有的功率识别进行了改进，系统实现对整个宿舍楼的每间宿舍进行监测。作者将继续研究拟采用摄像头进行宿舍卫生、用电管理。拍摄宿舍照片进行算法处理，划分出“优、良、中、差”的评分等级来远程检查宿舍卫生。当使用大功率电器、发生火灾报警时，摄像头也可拍照并将照片发至监控中心。因此，本系统在宿舍用电安全管理方面具有很大的应用市场。

图6上位机监控图

图7手机监控页面图

参考文献：

[1]王青.高校宿舍智能管理系统设计[J].微型电脑应用,2019,35(06):135-137.

[2]李世豪,何建强,王边弛.大功率电器智能识别与用电安全控制器的设计[J].无线互联科技,2019,16(03):70-71.

[3]高蒙.基于机智云平台的远程监控系统开发关键技术研究[D].西安理工大学,2019.

[4]庄伟,陈洋,韩悦,等.宿舍大功率电器检测装置[P].中国:ZLCN201721609684.0.2018-06-29.

[5]周维龙,欧阳洪波,胡姣.大功率电器智能识别系统设计[J].湖南工业大学学报,2014(1):44-48.

彭团结,孙旭东,任泽斌,张轶虓.宿舍楼大功率电器监控与智能管理系统设计[J].科技创新与应用,2020(16):92-93.