陳丹 郭藝偉

(1．泉州師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，福建泉州 362000;2．福建省大數(shù)據(jù)管理新技術(shù)與知識(shí)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建泉州 362000;3．智能計(jì)算與信息處理福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建泉州 362000)

目前，市面上有一種測(cè)量用電器功率的產(chǎn)品，當(dāng)電器用電超過規(guī)定功率時(shí)可以切斷電源，實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)，卻不能把宿舍違規(guī)用電通知宿舍管理員，也不能記錄違規(guī)情況，不便于管理人員掌握各宿舍的用電情況。目前集體宿舍的燈光控制都是采用在交流電布線時(shí)，設(shè)置總的電源開關(guān)，到了夜晚規(guī)定時(shí)間用人工的方式將整座樓或整層樓的宿舍燈和用電器同時(shí)關(guān)閉，不能區(qū)分路燈和衛(wèi)生間燈，不能為有特殊需要的宿舍保留用電權(quán)利，不能定制自動(dòng)定時(shí)開關(guān)宿舍電源。現(xiàn)有的集體宿舍用電管理方式落后，靈活性差。大多數(shù)較早年興建的集體宿舍都沒有防盜報(bào)警裝置，如要加裝這些裝置成本較高。系統(tǒng)將每一個(gè)宿舍的分機(jī)接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而接入到手機(jī)網(wǎng)，對(duì)宿舍的用電、防盜進(jìn)行集中管理，具有遠(yuǎn)程防盜報(bào)警，遠(yuǎn)程監(jiān)控各宿舍用電情況，可遠(yuǎn)程控制電源等的功能。這降低了原來舊宿舍樓宇供電系統(tǒng)改造成本，不需要安裝新的有線的通信線路和改變?cè)械墓╇娤到y(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)功能與組成

系統(tǒng)由安裝在宿舍樓的主機(jī)和各宿舍的分機(jī)組成，通過無線通信網(wǎng)將宿舍分機(jī)與主機(jī)連接，系統(tǒng)框圖如圖1所示。主機(jī)安裝在宿舍樓內(nèi)，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的電路組成，主要負(fù)責(zé)分機(jī)數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)、控制命令的發(fā)送、與手機(jī)遠(yuǎn)程通信。宿舍分機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)宿舍的用電是否違規(guī)，防盜傳感器是否異常，如有用電違規(guī)情況可自行切斷電源并通過無線網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.1 系統(tǒng)主機(jī)

當(dāng)防盜傳感器檢測(cè)到異常情況時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置，并通過無線網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，主機(jī)可根據(jù)用戶在軟件界面上的設(shè)定判斷是否實(shí)施遠(yuǎn)程報(bào)警，主機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)將記錄每一次的異常情況。管理人員可以通過主機(jī)上的軟件設(shè)定各宿舍夜晚的電源與照明燈的關(guān)閉時(shí)間及早上的開啟時(shí)間。實(shí)現(xiàn)各宿舍夜晚電源的關(guān)閉和開啟的時(shí)間專門定制，以滿足不同宿舍成員的不同需要。主機(jī)也可以關(guān)閉夜晚對(duì)某宿舍電源與燈光的控制功能，而由各宿舍人員通過分機(jī)面板按鍵的操作設(shè)定關(guān)閉和開啟電源的時(shí)間。主機(jī)的組成框圖如圖2所示。

主機(jī)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過其USB口 (串行口)與Zigbee無線模塊及GSM手機(jī)通信模塊相連。主機(jī)上運(yùn)行宿舍管理系統(tǒng)的軟件，負(fù)責(zé)管理和記錄宿舍用電和防盜信息，根據(jù)管理的設(shè)定自動(dòng)通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)向手機(jī)發(fā)報(bào)警信息，也可接收手機(jī)發(fā)來的控制信息［1－2］。宿舍管理軟件的流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)主機(jī)組成框圖

圖3 宿舍管理軟件框圖

軟件由6個(gè)部分組成。宿舍管理模塊記錄宿舍主要信息如宿舍樓號(hào)、編號(hào)、電話，學(xué)生管理模塊記錄學(xué)生個(gè)人信息如學(xué)號(hào)、聯(lián)系方式等。用電信息模塊負(fù)責(zé)記錄各個(gè)宿舍的用電情況及防盜信息。數(shù)據(jù)備份模塊負(fù)責(zé)將系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行備份或還原。系統(tǒng)鎖定模塊主要是考慮當(dāng)管理員離開時(shí)，防止不相關(guān)人員誤操作或關(guān)閉系統(tǒng)而設(shè)定的功能，以上各個(gè)模塊管理員均具有增加、修改、刪除、查詢等權(quán)限。

1.2 系統(tǒng)分機(jī)

系統(tǒng)的分機(jī)有多個(gè)控制和檢測(cè)電路組成，分機(jī)框圖如圖4示，主要功能是通過霍爾感應(yīng)電流檢測(cè)芯片和A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)時(shí)檢測(cè)宿舍內(nèi)的用電情況，當(dāng)宿舍出現(xiàn)使用大功率電器的情況時(shí)，控制繼電器關(guān)閉電源;在分機(jī)的防盜設(shè)防開啟的情況下，使用人體紅外傳感器檢測(cè)宿舍無人時(shí)，是否有人非法進(jìn)入，可用蜂鳴器報(bào)警，用無線通信網(wǎng)絡(luò)向主機(jī)及手機(jī)遠(yuǎn)程報(bào)警，并由主機(jī)記錄報(bào)警數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程報(bào)警功能可在主機(jī)的軟件界面上開啟或關(guān)閉［3］;時(shí)鐘模塊為宿舍分機(jī)系統(tǒng)提供秒分時(shí)日月年等信息，用分機(jī)上提供的按鍵可以調(diào)整時(shí)間，設(shè)定燈光的開啟和關(guān)閉時(shí)間，分機(jī)面板上的液晶顯示用于顯示時(shí)間、操作信息、狀態(tài)信息等。分機(jī)與主機(jī)之間由無線模塊實(shí)現(xiàn)無線通信［4－5］。

圖4 分機(jī)框圖

1.2.1 系統(tǒng)的無線通信

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將樓內(nèi)的每一間宿舍分機(jī)與系統(tǒng)主機(jī)連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各宿舍情況的集中管理和控制。系統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)由DRF1605H系列的Zigbee無線通訊模塊構(gòu)成。DRF1605H是運(yùn)行Zigbee2007協(xié)議的Zigbee模塊，具有Zigbee協(xié)議的全部特點(diǎn)和可靠串口數(shù)據(jù)透明傳輸功能。在Zigbe網(wǎng)絡(luò)中通常包括中心協(xié)調(diào)器 (Coordinator)、路由器 (Router)兩種形態(tài)的節(jié)點(diǎn)。Zigbee無線模塊上電后能自動(dòng)組網(wǎng)，Coordinator節(jié)點(diǎn)自動(dòng)給所有Route節(jié)點(diǎn)分配地址，Coordinator節(jié)點(diǎn)從串口接收到的數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)發(fā)送給所有的Router節(jié)點(diǎn)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)從串口接收到的數(shù)據(jù)也會(huì)自動(dòng)發(fā)送給Coordinator節(jié)點(diǎn)。該模塊可通過串口指令配置數(shù)據(jù)傳輸格式、節(jié)點(diǎn)類型、無線電頻道及自定義地址尋址。實(shí)現(xiàn) RS232 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能［6－7］。

無線通信模塊與分機(jī)模塊的單片機(jī)串行口或主機(jī)的USB口相連接，發(fā)送數(shù)據(jù)方的單片機(jī)將檢測(cè)到的傳感器數(shù)據(jù)或主機(jī)將要發(fā)給分機(jī)的命令通過串行口傳送到無線通信模塊。接收數(shù)據(jù)方的無線模塊接收到的信息后，通過串行口送到單片機(jī)或主機(jī)，再由單片機(jī)或主機(jī)根據(jù)收到的信息做出判斷，決定下一步的操作［6－7］。

由于DRF1650H的工作電壓為3.3V，采用的是工作電壓為5V的單片機(jī)，它的串行口與單片機(jī)連接時(shí)要加電平轉(zhuǎn)換電路，無線模塊與單片機(jī)連接圖如圖5所示。

圖5 無線模塊與單片機(jī)連接圖

1.2.2 電流檢測(cè)單元

系統(tǒng)的電流檢測(cè)模塊使用ACS712ELCTR－05B霍爾感應(yīng)電流檢測(cè)芯片。經(jīng)該芯片檢測(cè)供電線路上的電流值，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字量，送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，如圖6所示。

A/D轉(zhuǎn)換采用PCF8591，是一種8位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，用I2C總線與單片機(jī)通信，如圖6所示。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，處理運(yùn)算后，再判斷電流值是否超規(guī)定值。

圖6 電流檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊與單片機(jī)連接電路

1.2.3 繼電器模塊

繼電器模塊采用4個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)交流電源的切換，每一個(gè)繼電器由線圈和觸點(diǎn)組成，如圖7所示，通過宿舍分機(jī)上的單片機(jī)，控制繼電器線圈的得電與失電，進(jìn)而控制繼電器的觸點(diǎn)斷開與閉合。繼電器1的觸點(diǎn)1(總開關(guān))用于斷開宿舍供電總成，用繼電器2的觸點(diǎn)2控制照明，觸點(diǎn)3和4控制電源插座，電源插座上的用電器總功率不能超過規(guī)定的數(shù)值，如果電流超標(biāo)則切斷插座的電源［8－9］。

(由于本文的篇幅有限，有關(guān)管理軟件和分機(jī)的控制面板的按鍵、液晶顯示、時(shí)鐘部分沒有做詳細(xì)的介紹。)

圖7 繼電器控制電路圖

2 結(jié)語

通過多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，宿舍用電管理系統(tǒng)終于完美地將無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和手機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。該系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用的實(shí)例之一，它為集體宿舍的智能化集中管理提供了一個(gè)實(shí)用可行的解決方案。隨著人們對(duì)集體宿舍的管理要求的提高，對(duì)該類系統(tǒng)的需求將會(huì)日益增加，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的多功能性及可靠性也提出了更高的要求，因此需要不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí) (如無線通信的安全性是就需要重點(diǎn)改進(jìn))。

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