李志敏，伍東亮

(湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南長沙410151)

0 引言

隨著我國高等教育事業(yè)的飛速發(fā)展，辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高校已成為電能源消費(fèi)大戶.比如，實(shí)訓(xùn)大樓先進(jìn)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多媒體教室的齊備電腦、投影和空調(diào)，條件好一點(diǎn)學(xué)校的學(xué)生公寓都安裝了空調(diào)和熱水器設(shè)備等等，教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓(或?qū)嵱?xùn)樓)、圖書館、餐廳、辦公樓、學(xué)生公寓的路燈照明已成為高校用電重點(diǎn)保護(hù)場(chǎng)所.但是，學(xué)生節(jié)電意識(shí)淡薄，室內(nèi)空調(diào)、電爐使用非常隨意，無論天氣好環(huán)，不管人多人少，教室燈光通明非常多見，室外照明管理較混亂，用電浪費(fèi)嚴(yán)重.同時(shí)，高校宿舍因違章使用大功率電器而導(dǎo)致火災(zāi)也時(shí)有發(fā)生.所以，在高校進(jìn)行智能供電控制、進(jìn)行科學(xué)用電管理勢(shì)在必行.

高校用電可簡(jiǎn)單劃分教學(xué)區(qū)用電和生活區(qū)用電.教學(xué)區(qū)用電可分為:照明用電，電腦設(shè)備用電，空調(diào)用電，大型實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備用電等.生活區(qū)用電主要集中在學(xué)生公寓，生活區(qū)用電可分為:照明用電、風(fēng)扇用電、普通插座用電、熱水器用電、空調(diào)用電等.高校電能耗具有規(guī)律性:電能消耗與學(xué)校的作息時(shí)間及季節(jié)變化關(guān)聯(lián)性很大［1］，同時(shí)，學(xué)校不同功能場(chǎng)所產(chǎn)生的電能耗差別也很大，同時(shí)具有特有的規(guī)律性［2］.本文針對(duì)高校電能耗規(guī)律性，采用多回路智能控電思想、硬件模塊化可擴(kuò)展設(shè)計(jì)思路和軟件智能配置理念設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)型智能控電系統(tǒng)，進(jìn)行智能控電節(jié)能與用電安全保護(hù)設(shè)計(jì).比如辦公區(qū)域上班時(shí)，全部供電回路合閘，下班時(shí)間，僅提供照明支路合閘;學(xué)生就寢時(shí)段，自動(dòng)斷掉普通插座用電、熱水器用電回路，等等.當(dāng)然供電區(qū)域與時(shí)間段可以根據(jù)高校實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)分.

網(wǎng)絡(luò)型智能控電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)供電線路及設(shè)備的安全管理.通過對(duì)供電線路的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，判斷電流是否超越警戒值，來進(jìn)行對(duì)惡性負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)判斷，做到智能保護(hù)操作.同時(shí)，本系統(tǒng)還支持現(xiàn)場(chǎng)開合閘控制以及網(wǎng)絡(luò)開合閘控制，用戶如果出門在外，忘記關(guān)空調(diào)等設(shè)備時(shí)，可通過互聯(lián)網(wǎng)或者手機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉供電回路操作.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能控電管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控層、數(shù)據(jù)采集層.其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 智能用電管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure diagram of intelligent power management system

1)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控層主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器及RPC服務(wù)器組成.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要對(duì)采集到的用電情況進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，可生成用電趨勢(shì)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表等數(shù)據(jù)報(bào)表供用電單位分析.WEB服務(wù)器提供WEB服務(wù)，RPC服務(wù)器主要提供遠(yuǎn)程操作和數(shù)據(jù)采集的通信協(xié)議服務(wù).用戶可以通過WEB界面或者安卓智能手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)用電回路的遠(yuǎn)程操作.

2)數(shù)據(jù)采集層主要由智能控制柜構(gòu)成，控制柜包括觸摸屏和數(shù)據(jù)采集控制板，觸摸屏安裝在控制柜的柜門上，通過RS232與控制板進(jìn)行通信，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)顯示及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等功能.控制板采集穿心電流傳感器采集的各支路的電流值，控制各支路繼電器的開合閘，同時(shí)采集各支路繼電器的開關(guān)狀態(tài).控制柜將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器，并相應(yīng)服務(wù)器下發(fā)的控制命令.

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控

可通過WEB界面或者手機(jī)軟件對(duì)校園辦公區(qū)域和生活區(qū)域用電情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程回路選擇與分合閘操作，并可生成相關(guān)報(bào)表供用戶分析.

1.2.2 自動(dòng)控制

通過對(duì)不同區(qū)域不同時(shí)段的用電特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)供電回路進(jìn)行分時(shí)分類控制，自動(dòng)關(guān)斷相應(yīng)的供電回路，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用電.

1.2.3 自動(dòng)報(bào)警

對(duì)各供電回路電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電異?；芈凡?bào)警，觸摸屏和遠(yuǎn)端服務(wù)器收到報(bào)警信號(hào)后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分閘控制，確保學(xué)校用電安全.

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能用電管理系統(tǒng)的核心部分為智能控制柜，由數(shù)據(jù)采集控制主板和采集控制小板構(gòu)成，下面對(duì)智能控制柜的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明.

2.1.1 智能控制柜硬件設(shè)計(jì)介紹

數(shù)據(jù)采集控制板采用嵌入式ARM7處理器，可實(shí)時(shí)高效完成多支路的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控任務(wù).數(shù)據(jù)采集控制板主要完成多路電流信號(hào)的采集、多路開關(guān)量信號(hào)采集、多路繼電器控制輸出，并提供 RS232、RS485、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口.數(shù)據(jù)采集控制板采取模塊化設(shè)計(jì)，包括電流采集板，繼電器控制板、繼電器板、開關(guān)量輸入監(jiān)測(cè)板等.控制柜實(shí)物圖如圖2所示.

2.1.2 智能控制柜的硬件設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

本文智能控制柜硬件設(shè)計(jì)創(chuàng)造性的采用模塊化可級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)思想，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)計(jì)了多種硬件模塊，不同的現(xiàn)場(chǎng)可選用不同模塊組合來滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要.電流采集模塊設(shè)計(jì)有交流采集和直流采集兩種模塊，每個(gè)模塊可采集6路信號(hào)，主板最多支持24路電流采集，可滿足多種現(xiàn)場(chǎng)采集需要.每塊繼電器控制板有16路輸出通道，繼電器板支持相互級(jí)聯(lián)，最多支持4塊共64路繼電器輸出.繼電器板主要為繼電器控制，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際電流情況選擇不同類型的繼電器進(jìn)行控制輸出.每塊開關(guān)量輸入監(jiān)測(cè)板有16路輸入通道，開關(guān)量輸入監(jiān)測(cè)板同樣支持多塊級(jí)聯(lián)，最多支持4塊共64路開關(guān)量輸入監(jiān)測(cè).

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能供電管理系統(tǒng)軟件包括四部分:觸摸屏軟件、上位機(jī)軟件、Android軟件界面及智能控制柜主板程序.

2.2.1 智能供電系統(tǒng)軟件介紹

(1)觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏界面設(shè)計(jì)采樣分項(xiàng)分類思想設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為辦公管理和公寓管理兩大類，辦公管理又根據(jù)用電特點(diǎn)分為上班模式、下班模式、全開模式、全關(guān)模式.每種模式下可以查看各支路電流大小，開關(guān)量輸入狀態(tài)等信息.宿舍管理根據(jù)用電特征分為學(xué)習(xí)模式、就寢模式、放假模式，每種模式下同樣能查看各個(gè)管理宿舍的各支路的電流大小、開關(guān)量輸入狀態(tài)及用電超限報(bào)警狀態(tài)，超限報(bào)警界面主要用于實(shí)時(shí)顯示電流超限報(bào)警情況，一旦有支路電流超越限定值就產(chǎn)生報(bào)警，報(bào)警持續(xù)30s.觸摸屏軟件工作界面如圖3所示.

圖3 觸摸屏軟件運(yùn)行圖Fig.3 Operation diagram of touch screen software

(2)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、WEB界面設(shè)計(jì).開發(fā)平臺(tái):MicroSoft Visual Studio 2008 、Donet Framework 3.5、MapXtreme，使用Oracle數(shù)據(jù)庫.系統(tǒng)功能有監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、能耗監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程遙控.

(3)Android軟件設(shè)計(jì)

Android軟件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)為Eclipse IDE for Java EE Developers，采用JAVA語言進(jìn)行編程.Android軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)各支路狀態(tài)的查詢和遠(yuǎn)程分合閘控制.通過賬號(hào)認(rèn)證后即可遠(yuǎn)程操作，方便外出在外時(shí)關(guān)閉相關(guān)供電回路，可有效預(yù)防火災(zāi)和節(jié)約能耗.

(4)智能控制柜主板程序設(shè)計(jì)

智能控制柜主板控制程序采用UC-OS操作系統(tǒng)，C語言編程.控制主板每一秒完成一次24路4-20ma模擬量采集、最多64路開關(guān)量狀態(tài)采集.同時(shí)支持RS232/485/RJ45網(wǎng)絡(luò)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和命令相應(yīng).系統(tǒng)任務(wù)分配如圖4所示.

圖4 主控板程序任務(wù)分配圖Fig.4 Task allocation diagram of main control board

2.2.2 智能供電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

智能供電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)不是根據(jù)某一個(gè)具體項(xiàng)目而進(jìn)行的軟件編程，在軟件設(shè)計(jì)之初就提出軟件要能滿足整個(gè)市場(chǎng)的需要.整個(gè)項(xiàng)目定制了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，詳細(xì)制定了多個(gè)控制柜多個(gè)采集模塊地址的分配及管理方法，上位機(jī)軟件只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行相應(yīng)模塊的智能配置和維護(hù)就能完成一個(gè)新系統(tǒng)的監(jiān)控.軟件靈活性極高，配置簡(jiǎn)單，操作界面友好.

3 結(jié)語

本文基于先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、微機(jī)測(cè)控技術(shù)，針對(duì)高校作息時(shí)間規(guī)律和各區(qū)域用電特點(diǎn)，采用多回路智能控電設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)型智能控電系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)用電遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)控制和安全保護(hù).整個(gè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)思路大膽、方法創(chuàng)新，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)靈活方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能達(dá)到預(yù)防火災(zāi)、節(jié)約能源的目的.目前已成功應(yīng)用于長沙某高校，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣價(jià)值.

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