智慧校園用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)-教育系統(tǒng)智慧安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)
智慧校園用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
"教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃"提出:教育信息化將從數(shù)字校園時(shí)代逐步過(guò)渡到智慧校園時(shí)代.數(shù)字校園的重點(diǎn)在于信息共享,而智慧校園實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)全面感知,并能對(duì)教育教學(xué)、教育管理進(jìn)行洞察和預(yù)測(cè)的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境.在"智慧校園總框架"國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的四個(gè)層次中,一個(gè)具有透徹感知功能的基礎(chǔ)設(shè)施層是最底層,即通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)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(cè)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(shí)時(shí)測(cè)量校園內(nèi)各地點(diǎn)的用電線(xiàn)路,并通過(guò)LoRa技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò),與現(xiàn)有的多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相比較,該系統(tǒng)具有部署簡(jiǎn)單、成本低、遠(yuǎn)距離、低延時(shí)等特點(diǎn).隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)不斷升級(jí),與現(xiàn)有的多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)相比較,LoRa技術(shù)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以L(fǎng)oRa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(xiàn)器、工業(yè)無(wú)線(xiàn)路由器、服務(wù)器(物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái))、移動(dòng)終端或計(jì)算機(jī)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(zhǎng)約1.5km,東西長(zhǎng)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(gè)集線(xiàn)器負(fù)荷容量一般為200臺(tái),最多500臺(tái).
如圖所示.系統(tǒng)架構(gòu)如下:設(shè)備部署方案為:三個(gè)教學(xué)樓各1個(gè),兩個(gè)實(shí)訓(xùn)樓各1個(gè),辦公樓1個(gè),學(xué)生宿舍樓3個(gè),學(xué)生食堂1個(gè).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(wú)線(xiàn)路由器之間:LoRa集中器通過(guò)以太網(wǎng)連接到無(wú)線(xiàn)路由器,再借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)與信息點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;無(wú)線(xiàn)路由器接接到云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.信息點(diǎn)與集中器采用簡(jiǎn)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(tái),云平臺(tái)管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù),手機(jī)終端或電腦端訪(fǎng)問(wèn)云平臺(tái),實(shí)時(shí)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集裝置為L(zhǎng)oRa模塊中嵌入LoRa模塊的智慧電表,由控制單元、計(jì)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(jì)量單元采集到的電量數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)累加存儲(chǔ);控制單元通過(guò)將控制單元的脈沖數(shù)與功率轉(zhuǎn)換參數(shù)相乘來(lái)獲取相應(yīng)時(shí)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(gè)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(kuò)頻技術(shù)上傳送的電能數(shù)據(jù),同時(shí)接收上端的電能轉(zhuǎn)換命令。
構(gòu)建云平臺(tái)
云計(jì)算平臺(tái)操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)Ubuntu,整個(gè)開(kāi)發(fā)框架采用J2EE.系統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)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(dòng)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(tái)運(yùn)行MQTT協(xié)議的消息中間件,通過(guò)主題訂閱和發(fā)布在底層設(shè)備和終端用戶(hù)之間實(shí)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(guó)內(nèi)開(kāi)源軟件,同時(shí)支持萬(wàn)級(jí)客戶(hù)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(kāi)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(lái)管理業(yè)務(wù)對(duì)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(kù)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(fǎng)問(wèn)Redis可以提高查詢(xún)存儲(chǔ)效率,因此數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Redis來(lái)存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù),而用戶(hù)數(shù)據(jù),如用戶(hù)信息、短信驗(yàn)證碼等則是用MySQL存儲(chǔ)的。
可視化處理
該系統(tǒng)的Web前端框架采用VUE開(kāi)發(fā)技術(shù),用戶(hù)層負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)分析處理的數(shù)據(jù)直觀(guān)、直觀(guān)地顯示在用戶(hù)的終端設(shè)備上,以網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)APP或微信小程序的形式呈現(xiàn)給用戶(hù)。
實(shí)現(xiàn)了用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能
電力消耗的精確測(cè)量。智慧電表最基本的功能是通過(guò)云平臺(tái)精確測(cè)量接線(xiàn)的電力消耗,幫助學(xué)校進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
利用本系統(tǒng)可以對(duì)各種用電量和總用電量進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)分析快捷準(zhǔn)確,通過(guò)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(xiàn).用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)端隨時(shí)登陸平臺(tái)查看用電量信息,不受時(shí)間、地點(diǎn)、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(duì)接的能力.對(duì)接后,信息無(wú)需進(jìn)行二次處理即可實(shí)時(shí)上傳,管理員可實(shí)時(shí)記錄、查詢(xún)數(shù)據(jù)參數(shù)和日志,實(shí)現(xiàn)校園信息管理的智慧化、集約化。
期望的擴(kuò)展功能
智慧校園用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能是實(shí)時(shí)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析用電,間接監(jiān)測(cè)用電線(xiàn)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(kuò)展,如在用電線(xiàn)路上增設(shè)LoRa斷路器,可實(shí)現(xiàn)智慧限電,在關(guān)鍵地點(diǎn)設(shè)置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)火災(zāi)預(yù)警等功能.此外,還可擴(kuò)展到校園用水監(jiān)測(cè),在校園水路節(jié)點(diǎn)安裝LoRa智慧水表,LoRa集中器將LoRa集中器統(tǒng)一納入云平臺(tái),在后臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,實(shí)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(bào)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(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn),利用LoRa無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套校園用電監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園用電的測(cè)量和監(jiān)控.該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布線(xiàn)少、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點(diǎn),在低功耗、低流量傳輸方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì);該系統(tǒng)還具有靈活的擴(kuò)展性和移動(dòng)性,不僅適用于校園環(huán)境,而且可擴(kuò)展到工廠(chǎng)、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(kāi)展,應(yīng)用場(chǎng)景將更加廣闊。
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