摘 要：西安交通大學(xué)創(chuàng)新港校區(qū)學(xué)生宿舍類型多、數(shù)量大，存在一定管理難度。傳統(tǒng)的電費(fèi)管理方式面臨著電費(fèi)繳納不及時(shí)、費(fèi)用核算不準(zhǔn)確等問題，已無法滿足管理需求。為了解決這些問題，西安交大基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建設(shè)集用電遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理、電費(fèi)自動核算和實(shí)時(shí)計(jì)算、用能大數(shù)據(jù)分析等功能為一體的學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)，支持PC、APP等多種方式提供查詢和管理服務(wù)，使系統(tǒng)管理更加便捷、可靠、智能。經(jīng)過實(shí)踐，該系統(tǒng)在西安交通大學(xué)創(chuàng)新港校區(qū)（以下簡稱“創(chuàng)新港”）宿舍用電管理方面取得了顯著的成效，不僅大幅提高了管理的效率和質(zhì)量，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生的用電安全意識，降低了用電事故發(fā)生的概率，為學(xué)校能源管理優(yōu)化提升提供了有力的支撐。

關(guān)鍵詞：預(yù)付費(fèi)；電費(fèi)計(jì)量；學(xué)生宿舍；物聯(lián)網(wǎng)；手機(jī)應(yīng)用；用電系統(tǒng)

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-04

0 引 言

西安交通大學(xué)創(chuàng)新港校區(qū)分布有3個(gè)宿舍區(qū)，共計(jì)

3 585戶宿舍，其中以五室一廳布局（每套五個(gè)單間、一個(gè)共享廳）為主。以上三個(gè)宿舍區(qū)距離較遠(yuǎn)且宿舍類型有別于傳統(tǒng)鋪位方式，使用傳統(tǒng)的人工或刷卡式的宿舍電費(fèi)管理方式將面臨管理效率低下、電費(fèi)核算困難、安全隱患突出等問題，已經(jīng)無法滿足學(xué)校的管理需求。隨著LoRa、NB-IoT、GSM等物聯(lián)協(xié)議的成熟與普及[1-4]，高校學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)具備成熟的技術(shù)條件，中央民族大學(xué)、山東科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校[5]先后建設(shè)了智能用電管理系統(tǒng)。

本次建設(shè)的創(chuàng)新港學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)， 通過末端智能遠(yuǎn)傳設(shè)備完成對每個(gè)宿舍用電數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與管理，利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)電費(fèi)的實(shí)時(shí)核算，采用手機(jī)端應(yīng)用等方式方便學(xué)生進(jìn)行電費(fèi)充值和查詢。相比傳統(tǒng)的宿舍電費(fèi)管理方式，該系統(tǒng)不僅提高了能源管理的效率和質(zhì)量，也降低了用電隱患和事故發(fā)生的概率，可以為其他高校的后勤信息化建設(shè)提供一定的借鑒。

1 需求分析

本系統(tǒng)的建設(shè)主要目的是為了解決傳統(tǒng)高校宿舍電費(fèi)管理的弊端，使電費(fèi)管理更加科學(xué)化、合理化、智能化。通過調(diào)研學(xué)校后勤保障部門管理需求及其他院校的用電管理經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合學(xué)校創(chuàng)新港學(xué)生宿舍特點(diǎn)確定本系統(tǒng)的功能需求。

在硬件建設(shè)方面，本系統(tǒng)需完成3 585戶宿舍智能遠(yuǎn)傳電表的選型及安裝，借助智能遠(yuǎn)傳電表的遠(yuǎn)程計(jì)費(fèi)、電價(jià)設(shè)置、自動拉閘和合閘、故障檢測、篡改保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[6]，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新港校區(qū)五室一廳結(jié)構(gòu)宿舍的分戶精確計(jì)量。同時(shí)，還需完成物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)的選型及安裝，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)傳電表的接入，并完成智能遠(yuǎn)傳電表的協(xié)議的自動解析。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，還需選擇技術(shù)成熟的連通方式，實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)傳電表、物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)及后臺服務(wù)器間的物理連通。

在應(yīng)用軟件功能建設(shè)方面，學(xué)生端應(yīng)用應(yīng)支持宿舍房間綁定、電費(fèi)支付、欠費(fèi)/購電消息推送、用電情況查看等功能，方便學(xué)生宿舍電費(fèi)充值、了解日常用電情況；后勤管理用戶可利用本系統(tǒng)的電量管理功能進(jìn)行計(jì)費(fèi)與自動斷電、基礎(chǔ)免費(fèi)電量批量設(shè)置、在線售電、退費(fèi)管理等。此外，還可以通過本系統(tǒng)進(jìn)行安全用電管理，如接收異常用電情況告警等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新港校區(qū)學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，系統(tǒng)的四層分別具有不同的作用和功能。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層：該層包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、計(jì)算資源、存儲資源和智能設(shè)備設(shè)置?；A(chǔ)設(shè)施層向上層提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)、云計(jì)算服務(wù)等系統(tǒng)所需的各類資源服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)原始用電數(shù)據(jù)的采集與電表設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

（2）平臺層：該層是在基礎(chǔ)設(shè)施層之上的中間層，向上層提供各種支撐服務(wù)。其中“物聯(lián)網(wǎng)平臺”作為創(chuàng)新港物聯(lián)設(shè)備統(tǒng)一匯聚接入的“中臺”，完成宿舍智能遠(yuǎn)傳電表的“南向接入”，同時(shí)為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的“北向”控制及數(shù)據(jù)API接口，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用系統(tǒng)功能的快速構(gòu)建，縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期、簡化了應(yīng)用程序的運(yùn)行邏輯。“一卡通支付平臺”則作為學(xué)校的統(tǒng)一支付平臺，支撐系統(tǒng)的電費(fèi)繳費(fèi)功能。

（3）數(shù)據(jù)層：該層包括各種數(shù)據(jù)存儲、處理及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理功能，主要依托學(xué)校已有的數(shù)據(jù)治理平臺。數(shù)據(jù)層的作用是存儲和管理各種數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。同時(shí)為系統(tǒng)提供人員信息、宿舍信息及選宿信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

（4）應(yīng)用層：該層是系統(tǒng)的最上層，是用戶和系統(tǒng)直接交互的入口，分為針對學(xué)生用戶的手機(jī)客戶端和針對管理人員的PC管理端。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

常見物聯(lián)連通方式包括有線RS 485、低壓載波、藍(lán)牙、ZigBee、LoRa、NB-IoT[7]等。依據(jù)學(xué)校常委會審議通過的《中國西部科技創(chuàng)新港智慧學(xué)鎮(zhèn)信息化建設(shè)實(shí)施方案綜合網(wǎng)絡(luò)分冊》與《中國西部科技創(chuàng)新港智慧學(xué)鎮(zhèn)信息化建設(shè)實(shí)施方案后勤分冊》相關(guān)要求，為了保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本系統(tǒng)接入部分設(shè)計(jì)采用有線RS 485進(jìn)行組網(wǎng)，多個(gè)RS 485終端通過“手拉手”方式連接到物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)，物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)作為主設(shè)備，多個(gè)智能遠(yuǎn)傳電表作為從設(shè)備，由物聯(lián)接入主動發(fā)起請求，對多個(gè)智能遠(yuǎn)傳電表進(jìn)行輪詢訪問。物聯(lián)接入網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間通過園區(qū)已有的有線網(wǎng)絡(luò)連通，實(shí)現(xiàn)集中管控。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖2所示，具體描述如下：

（1）同一單元內(nèi)的多塊預(yù)付費(fèi)智能遠(yuǎn)傳電表通過有線RS 485串聯(lián)后接入物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)通過創(chuàng)新港“四網(wǎng)融合”提供的虛擬物聯(lián)專網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器連通。

（3）為保障安全，后臺管理端需在校園網(wǎng)環(huán)境下訪問，在校園網(wǎng)之外需連接學(xué)校VPN。

（4）為方便使用，手機(jī)端應(yīng)用可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問。

（5）其他校內(nèi)管理應(yīng)用可通過系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)接口訪問用電數(shù)據(jù)，用以實(shí)現(xiàn)學(xué)生行為分析等。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)生及后勤部門的使用需求，將本系統(tǒng)分為手機(jī)客戶端與后臺管理系統(tǒng)，如圖3所示。

如圖3所示，本系統(tǒng)手機(jī)客戶端面向?qū)W生用戶提供的功能包括房間綁定、用電查詢、購電、購電/欠費(fèi)信息推送，為了方便操作，此部分設(shè)計(jì)為手機(jī)應(yīng)用；后臺管理系統(tǒng)面向后勤管理人員提供的管理功能包括運(yùn)行情況監(jiān)控、電表參數(shù)設(shè)定及預(yù)付費(fèi)賬戶管理等，為了方便詳細(xì)數(shù)據(jù)的展示與管理，此部分設(shè)計(jì)為PC端網(wǎng)頁。

2.4 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中智能電表、后臺管理端、手機(jī)客戶端的協(xié)作工作流程示意如圖4所示。

電表在通電啟動后自動連接管理后臺進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完成后進(jìn)行電壓電流采集并將采集結(jié)果定時(shí)傳送至后臺管理端，若檢測到賬戶欠費(fèi)則自動拉閘，充值后自動合閘；管理員登錄后臺管理系統(tǒng)后設(shè)置電表參數(shù)并下發(fā)至所有電表，同時(shí)持續(xù)接收電表傳送的計(jì)量數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行運(yùn)行情況監(jiān)控、報(bào)表查看、遠(yuǎn)程拉閘合閘等操作。除此之外，后臺管理系統(tǒng)還需考慮當(dāng)電表由于故障而需要更換時(shí)，表內(nèi)的用電數(shù)據(jù)和設(shè)置的參數(shù)如何傳遞到新表中，或當(dāng)學(xué)生調(diào)換宿舍后賬戶的余額如何下發(fā)到新的電表中[8]。針對以上問題，本系統(tǒng)在流程設(shè)計(jì)時(shí)也對換表時(shí)表內(nèi)數(shù)據(jù)的處理問題進(jìn)行了考慮；學(xué)生用戶進(jìn)入手機(jī)客戶端綁定宿舍房間后可進(jìn)行在線繳費(fèi)，通過判定是否為本人宿舍而決定是否展示詳細(xì)用電數(shù)據(jù)。

2.5 系統(tǒng)物聯(lián)協(xié)議設(shè)計(jì)

針對物聯(lián)網(wǎng)接入部分，通過市場調(diào)研，結(jié)合上文的物理拓?fù)湓O(shè)計(jì)，最終選定的物聯(lián)協(xié)議為Modbus。Modbus是一種工業(yè)通信領(lǐng)域中使用最為廣泛的串行通信協(xié)議，支持多種不同的物理層，如RS 485、RS 232、TCP/IP等。Modbus協(xié)議具備簡單易用、靈活性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合用于工業(yè)自動化領(lǐng)域中需要進(jìn)行簡單、可靠的設(shè)備間通信的場景。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 物理硬件建設(shè)

（1）智能遠(yuǎn)傳電表選型及安裝

創(chuàng)新港校區(qū)宿舍布局為每個(gè)單元一梯兩戶，每戶為五室一廳布局，根據(jù)宿舍位置、宿舍內(nèi)房間分布特征及系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計(jì)，同時(shí)參照業(yè)界規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，本次建設(shè)選定的智能遠(yuǎn)傳電表品牌型號為“科德KD107AK-6D”，此型號電表可獨(dú)立計(jì)量6路電路，具有一路RS 485通信接口，支持Modbus傳輸協(xié)議。每一層左右兩個(gè)宿舍內(nèi)電表分別安裝于共享廳內(nèi)的強(qiáng)電箱內(nèi)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)選型及安裝

為了遵循創(chuàng)新港“四網(wǎng)融合”綜合網(wǎng)絡(luò)的物理融合、統(tǒng)一納管原則，依據(jù)“四網(wǎng)融合”管理系統(tǒng)接入要求，本次建設(shè)采用的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)品牌型號為“華為AR502”，此型號物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)具備一路RS 485通信接口、兩路以太網(wǎng)通信接口，支持動態(tài)網(wǎng)關(guān)軟件嵌入，從而可支持包括Modbus在內(nèi)的多種常見物聯(lián)協(xié)議的自適配接入。根據(jù)校區(qū)整體網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，將本次接入的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一安裝在宿舍區(qū)地下一層弱電間機(jī)柜內(nèi)。

（3）智能遠(yuǎn)傳電表與物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)之間的連通

為保證通信質(zhì)量，根據(jù)宿舍分布特征及線纜距離，本次建設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)原則上每臺接入不超過28個(gè)智能遠(yuǎn)傳電表。利用智能遠(yuǎn)傳電表RS 485串口，通過485線將同一棟樓不同宿舍內(nèi)的電表串聯(lián)后接入到地下一層弱電間的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)，通過Modbus完成協(xié)議適配。

3.2 應(yīng)用軟件建設(shè)

（1）手機(jī)客戶端開發(fā)實(shí)現(xiàn)

手機(jī)客戶端主要為學(xué)生用戶提供繳費(fèi)及電費(fèi)查詢服務(wù)，為了方便學(xué)生用戶使用，盡量避免“應(yīng)用碎片化”，此部分功能嵌入學(xué)校已有手機(jī)統(tǒng)一門戶“移動交通大學(xué)APP”中，功能實(shí)現(xiàn)效果如圖5所示。

學(xué)生用戶通過靜默登錄方式進(jìn)入“移動交通大學(xué)APP”。點(diǎn)擊進(jìn)入“創(chuàng)新港預(yù)付費(fèi)充值”應(yīng)用模塊，首次進(jìn)入需進(jìn)行房間綁定，綁定后可為此房間進(jìn)行電費(fèi)充值，充值功能對接調(diào)用學(xué)校一卡通支付平臺實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)與學(xué)校宿管系統(tǒng)打通，若綁定的宿舍為此賬號身份對應(yīng)的宿舍，則還可查詢該房間的詳細(xì)用電信息；為保障用戶隱私，若綁定的宿舍非此賬號身份對應(yīng)的宿舍則無法查詢此房間信息。

（2）后臺管理系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

后臺管理系統(tǒng)主要功能模塊有13項(xiàng)，限于文章篇幅，此處僅介紹系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)情況，實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)控包括對創(chuàng)新港園區(qū)3個(gè)宿舍區(qū)的整體運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析展示，分析維度包括購電/退電/核銷/配合、各宿舍樓宇用電、累計(jì)購電金額/人次/累計(jì)用電量、實(shí)時(shí)運(yùn)行負(fù)載、異常用電分析等。

以往學(xué)生宿舍的用電安全管理主要是采取限電、定時(shí)間斷送電的用電管理模式，已無法滿足高校學(xué)生的學(xué)習(xí)生活需求[9]。而學(xué)生宿舍異常用電的自動分析邏輯較為復(fù)雜，識別的方法大致可分為時(shí)域法和頻域法兩類[10]。本系統(tǒng)通過對全局用電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算當(dāng)前時(shí)間段正常電量功率與累計(jì)用電量的分布范圍，對超出正常范圍的用電行為進(jìn)行標(biāo)注與告警，可以有效識別違規(guī)使用大功率用電器、漏電等存在安全隱患的事件，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對宿舍私搭服務(wù)器挖礦行為的輔助判斷，有效消除了傳統(tǒng)學(xué)生宿舍用電管理中人工巡檢帶來的巡檢不及時(shí)、不到位、無法準(zhǔn)確掌握異常信息等弊端。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新港校區(qū)學(xué)生宿舍預(yù)付費(fèi)用電系統(tǒng)的建成上線不僅為學(xué)生提供了便利，同時(shí)也提升了學(xué)校的后勤管理水平和服務(wù)質(zhì)量。通過實(shí)際情況檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，管理成本顯著降低，管理效率和質(zhì)量大幅提升。同時(shí)，通過本系統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)分析功能也能為學(xué)校能源管理提供數(shù)據(jù)支撐和決策參考，為學(xué)校節(jié)能減排和綠色環(huán)保做出貢獻(xiàn)。未來，學(xué)校將進(jìn)一步推進(jìn)智能化建設(shè)，加大數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在后勤管理中的應(yīng)用力度，不斷提升學(xué)生生活服務(wù)質(zhì)量和校園環(huán)境品質(zhì)，打造更加智慧節(jié)能、人性化和綠色環(huán)保的校園。

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