智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)

　　"教育信息化2.0行動計劃"提出：教育信息化將從數字校園時代逐步過渡到智慧校園時代.數字校園的重點在于信息共享，而智慧校園實現(xiàn)的是物理空間與信息空間的空間連接，是以物聯(lián)網為基礎，對集數據化、網絡化、智慧型、協(xié)作型于一體的教學、科研、管理和生活服務實現(xiàn)全面感知，并能對教育教學、教育管理進行洞察和預測的智慧學習環(huán)境.在"智慧校園總框架"國家標準的四個層次中，一個具有透徹感知功能的基礎設施層是最底層，即通過物聯(lián)網技術實現(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)測系統(tǒng)是智慧校園服務的重要組成部分.該系統(tǒng)采用公共通信頻率調制技術，實時測量校園內各地點的用電線路，并通過LoRa技術構建的網絡，與現(xiàn)有的多種無線傳輸技術相比較，該系統(tǒng)具有部署簡單、成本低、遠距離、低延時等特點.隨著技術的發(fā)展，數據傳輸網絡不斷升級，與現(xiàn)有的多種無線傳輸技術相比較，LoRa技術具有更強的適應性。

　　整體系統(tǒng)設計

　　以LoRa技術為基礎的智慧校園用電監(jiān)控系統(tǒng)，由內嵌LoRa模塊的智慧電表、LoRa集線器、工業(yè)無線路由器、服務器(物聯(lián)網云平臺)、移動終端或計算機等設備組成.案例校園內各設備的應用范圍南北長約1.5km，東西長約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2km，單個集線器負荷容量一般為200臺，最多500臺.

　　如圖所示.系統(tǒng)架構如下：設備部署方案為：三個教學樓各1個，兩個實訓樓各1個，辦公樓1個，學生宿舍樓3個，學生食堂1個.LoRa集中器位于校園中心建筑的高層;LoRa集中器位于LoRa集中器和無線路由器之間：LoRa集中器通過以太網連接到無線路由器，再借助無線技術與信息點進行數據傳輸;無線路由器接接到云平臺進行數據傳輸.信息點與集中器采用簡單的星型拓撲結構.在該結構中，集中器作為中繼，連接到采集設備和云平臺，云平臺管理和存儲數據，手機終端或電腦端訪問云平臺，實時查看用電信息。

　　核心硬件

　　該系統(tǒng)的關鍵硬件是LoRa設備，其工作原理如圖2所示.信息點數據采集裝置為LoRa模塊中嵌入LoRa模塊的智慧電表，由控制單元、計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，接收計量單元采集到的電量數據，實時累加存儲;控制單元通過將控制單元的脈沖數與功率轉換參數相乘來獲取相應時間內的用電量;通信單元一般采用RS485通信模塊和射頻模塊兩個模塊，其中RS485通信模塊和RS485通信模塊組成電量數據采集網，射頻模塊使用LoRa擴頻技術上傳送的電能數據，同時接收上端的電能轉換命令。

　　構建云平臺

　　云計算平臺操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)Ubuntu，整個開發(fā)框架采用J2EE.系統(tǒng)云計算平臺按照功能分為數據匯聚層和數據分析層。

　　匯聚層的任務是自動導入設備層數據，其主要技術是配置MQTT服務器，也就是在后臺運行MQTT協(xié)議的消息中間件，通過主題訂閱和發(fā)布在底層設備和終端用戶之間實現(xiàn)數據傳輸.MQTT具有多種消息中間件，本系統(tǒng)選擇EMQX作為國內開源軟件，同時支持萬級客戶端。

　　分析層負責處理物聯(lián)網設備產生的大數據。目前，最流行的JavaWeb應用程序開源框架是SSH,SSH是由Struts+Spring+Hibernate集成在一起的，其中Struts負責Web層，與Web表單進行交互數據;Spring負責業(yè)務層，提供統(tǒng)一的方法來管理業(yè)務對象;Hibernate用于持久性數據，提供完全面向對象的數據庫操作。

　　鑒于物聯(lián)網數據量大，讀取數據要具有很高的并發(fā)能力，而內存訪問Redis可以提高查詢存儲效率，因此數據庫選擇Redis來存儲物聯(lián)網設備數據，而用戶數據，如用戶信息、短信驗證碼等則是用MySQL存儲的。

　　可視化處理

　　該系統(tǒng)的Web前端框架采用VUE開發(fā)技術，用戶層負責將經過分析處理的數據直觀、直觀地顯示在用戶的終端設備上，以網頁和手機APP或微信小程序的形式呈現(xiàn)給用戶。

　　實現(xiàn)了用電監(jiān)測系統(tǒng)的功能

　　電力消耗的精確測量。智慧電表最基本的功能是通過云平臺精確測量接線的電力消耗，幫助學校進行實時監(jiān)控。

　　利用本系統(tǒng)可以對各種用電量和總用電量進行分類統(tǒng)計和統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析快捷準確，通過能耗數據的分析促進校園節(jié)能降耗。

　　手持電力巡線.用戶可通過移動端隨時登陸平臺查看用電量信息，不受時間、地點、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)順利對接的能力.對接后，信息無需進行二次處理即可實時上傳，管理員可實時記錄、查詢數據參數和日志，實現(xiàn)校園信息管理的智慧化、集約化。

　　期望的擴展功能

　　智慧校園用電監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能是實時測量和統(tǒng)計分析用電，間接監(jiān)測用電線路的狀況，后期在相關技術成熟后，系統(tǒng)功能進行擴展，如在用電線路上增設LoRa斷路器，可實現(xiàn)智慧限電，在關鍵地點設置LoRa溫度傳感器和LoRa煙霧傳感器，實現(xiàn)自動火災預警等功能.此外，還可擴展到校園用水監(jiān)測，在校園水路節(jié)點安裝LoRa智慧水表，LoRa集中器將LoRa集中器統(tǒng)一納入云平臺，在后臺進行相應的數據處理，實現(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設施建設，并利用LoRa火災報警器和LoRa監(jiān)控等終端設備，逐步提高智慧校園服務能力。

　　系統(tǒng)以實際應用為出發(fā)點，利用LoRa無線通信技術設計了一套校園用電監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對校園用電的測量和監(jiān)控.該系統(tǒng)具有結構簡單、布線少、數據傳輸可靠等特點，在低功耗、低流量傳輸方面有其獨特的優(yōu)勢;該系統(tǒng)還具有靈活的擴展性和移動性，不僅適用于校園環(huán)境，而且可擴展到工廠、住宅小區(qū)等水電設備的集中監(jiān)控，隨著智慧城市建設的開展，應用場景將更加廣闊。