淺談關(guān)于智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

淺談關(guān)于智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)婷

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

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引言

學(xué)生人身安全是大家關(guān)注的話題，2019年12月中國(guó)消防統(tǒng)計(jì)近五年發(fā)生在全國(guó)學(xué)生宿舍的火災(zāi)2314起(中國(guó)消防2019.12.應(yīng)急管理部消防救援局微博)，違規(guī)電器是引發(fā)火災(zāi)的主因。如果在各寢室安裝智能用電監(jiān)測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)督線路參數(shù)，將用電參數(shù)以數(shù)字或圖像顯示，學(xué)生若使用違規(guī)用電器，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)并切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息，將是對(duì)火災(zāi)的有效預(yù)防。本文設(shè)計(jì)了智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過信息化方式實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)各類資源有效集成、整合和優(yōu)化。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器以樹莓派為核心，定時(shí)將采集的用電信息上傳至云端存儲(chǔ)與備份，完成數(shù)據(jù)分析、能耗管理、過載報(bào)警等功能；可遠(yuǎn)程監(jiān)控，宿舍管理者用手機(jī)通過校園網(wǎng)可訪問該系統(tǒng)，掌握學(xué)生用電情況做出有效應(yīng)答。

根據(jù)中國(guó)消防統(tǒng)計(jì)的近五年的2314起全國(guó)學(xué)生宿舍火災(zāi)，使用違規(guī)用電器是引發(fā)學(xué)生宿舍火災(zāi)的主要因素，所以，加強(qiáng)學(xué)校消防安全工作，對(duì)預(yù)防和減少校園火災(zāi)的發(fā)生具有十分重要的意義?，F(xiàn)有的限制學(xué)生用電的方式是在電路中接入保險(xiǎn)絲或者空氣開關(guān)，當(dāng)用電超過負(fù)荷時(shí)斷電，此種方法設(shè)置簡(jiǎn)單，但是無法對(duì)電氣事故進(jìn)行詳細(xì)分析。本系統(tǒng)針對(duì)以上問題，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)，對(duì)學(xué)校用電情況進(jìn)行智能化分析監(jiān)控，在每間寢室安裝智能用電監(jiān)測(cè)器，并將用電參數(shù)以直觀的數(shù)字或圖像顯示在宿舍管理人員和校園控制中心的電腦界面，當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別違規(guī)負(fù)載并切斷學(xué)生所用電源，同時(shí)，宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規(guī)用負(fù)載類型和學(xué)生寢室號(hào)的消息并做出處理，沒收學(xué)生使用的違規(guī)用電器，這將是對(duì)電氣火災(zāi)的有效預(yù)防。

1智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

引起校園電器火災(zāi)隱患的原因主要有過負(fù)荷火災(zāi)、短路火災(zāi)和漏電火災(zāi)三種方式。本系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)對(duì)學(xué)校用電情況進(jìn)行分析監(jiān)控，有效地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

圖1-1智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1-1為系統(tǒng)的總體架構(gòu)，系統(tǒng)在工作時(shí)，每個(gè)房間的智能用電檢測(cè)器定時(shí)讀取宿舍的用電數(shù)據(jù)。每層樓上安放一個(gè)寢室樓層監(jiān)視器，方便宿舍管理員發(fā)現(xiàn)用電問題。學(xué)?？刂浦行膭t將寢室的用電信息匯總。

寢室智能用電智能監(jiān)測(cè)器將數(shù)據(jù)上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監(jiān)視器，隨后，寢室樓層監(jiān)視器再將數(shù)據(jù)上傳至云端存儲(chǔ)并做大數(shù)據(jù)分析。校園控制中心可以直接訪問云端獲取用電數(shù)據(jù)，也可以通過寢室樓層監(jiān)視器獲取用電數(shù)據(jù)。

2智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)

2.1云服務(wù)平臺(tái)

由移動(dòng)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云服務(wù)器平臺(tái)。將系統(tǒng)采集到的用電數(shù)據(jù)通過移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)上傳至云服務(wù)器上，進(jìn)行存儲(chǔ)與云計(jì)算。云服務(wù)平臺(tái)可以將反映電氣狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至學(xué)校用電管理人員的電腦屏幕和手機(jī)端，同時(shí)，校園控制中心和寢室管理員可以用手機(jī)通過校園網(wǎng)查詢學(xué)生用電信息。掌握學(xué)生用電情況，如有安全問題，可以及時(shí)作出應(yīng)急措施。

2.2大數(shù)據(jù)分析

依據(jù)學(xué)校正常用電數(shù)據(jù)，設(shè)置報(bào)警和違規(guī)負(fù)載類型參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，收集用電參數(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)通過加工、整理和分析后轉(zhuǎn)化為所需信息，進(jìn)而分析出學(xué)校存在的不合理的用電點(diǎn)。

2.3安全隱患預(yù)警

通過大數(shù)據(jù)分析，可以自動(dòng)識(shí)別電器的安全隱患及負(fù)載類型，建立隱患識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校各用電設(shè)備的閾值進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí)，通過分析可以得出此違規(guī)負(fù)載的類型及具體的學(xué)生寢室房間號(hào)，同時(shí)，學(xué)生寢室會(huì)斷電，學(xué)校后勤人員從而采取相應(yīng)措施。

3智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

寢室智能用電監(jiān)測(cè)器用來監(jiān)控寢室用電信息、進(jìn)行無線通訊和執(zhí)行命令的操作，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報(bào)警模塊、繼電器模塊和控制模塊。

圖3-1寢室智能用電監(jiān)測(cè)器的總體框圖

采集模塊：

系統(tǒng)采用IM1277單相互感式電能質(zhì)量檢測(cè)儀采集電量信息，能夠完成電能測(cè)量、采集及傳輸，準(zhǔn)確高精度地測(cè)量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電參數(shù)。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經(jīng)過電壓互感器和電流互感器處理，變?yōu)檩^小的電流信號(hào)并通過電路傳到電能計(jì)量芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過串口送入樹莓派控制中心。

圖3-2電量采集電路

報(bào)警模塊：

系統(tǒng)采用消息推送的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，將主控制器與報(bào)警模塊相連，當(dāng)電路中接入違規(guī)用電器時(shí)，負(fù)載總功率會(huì)增大，控制系統(tǒng)檢測(cè)到這一信號(hào)后，立刻控制報(bào)警模塊報(bào)警并跳閘，同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄下跳閘時(shí)間、房間號(hào)和負(fù)載類型。

繼電器模塊：

交流繼電器模塊則通過小電流的交流中間繼電器通過傳遞控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流繼電器的控制。當(dāng)電路中接入違規(guī)負(fù)載時(shí)，在控制系統(tǒng)的“指揮”下完成繼電器-繼電器的控制，使電路斷路。

圖3-3繼電器電路圖

控制模塊：

樹莓派作為系統(tǒng)的控制中心，可安裝操作系統(tǒng)并可以直接將所寫的編程運(yùn)行，卡片主板周圍有USB接口和以太網(wǎng)接口。樹莓派控制所采集的內(nèi)容以及電路的狀態(tài)，將采集到的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存并上傳至云端，當(dāng)經(jīng)過數(shù)據(jù)分析后得出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息時(shí)，樹莓派控制電路斷開。

圖3-4樹莓派實(shí)物圖

數(shù)據(jù)顯示模塊與遠(yuǎn)程控制：

PC機(jī)通過C語言程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的繪制、動(dòng)態(tài)顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。同時(shí)，在手機(jī)端有APP，學(xué)校宿舍管理人員可以通過訪問APP實(shí)現(xiàn)查詢與遠(yuǎn)程控制，當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí)，宿舍管理人員可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)寢室斷電。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行各端口初始化，搜索并加入網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)讀取寢室用電信息，將用電信息保存并上傳，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理；若存在安全隱患或使用違規(guī)用電器，則發(fā)送報(bào)警信號(hào)并做出相應(yīng)的響應(yīng)；若無安全隱患，則繼續(xù)讀取用電信息并上傳至云端。循環(huán)此過程。系統(tǒng)程序流程圖如圖3-5所示。

圖3-5系統(tǒng)程序流程圖

4系統(tǒng)測(cè)試

選取不同類型的負(fù)載如燈泡、電吹風(fēng)，分別接入電路中，模擬寢室用電情況，燈泡模擬正常用電器，電吹風(fēng)模擬違規(guī)用電器，每個(gè)用電器測(cè)試十次。

負(fù)載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)，見表4-1；負(fù)載是燈泡時(shí)電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)，見表4-2；負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電流測(cè)試數(shù)據(jù)，見表4-3；負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電壓測(cè)試數(shù)據(jù)，見表4-4。

表4-1負(fù)載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)

表4-2負(fù)載是燈泡時(shí)電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)

表4-3負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電流測(cè)試據(jù)

表4-4負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電壓測(cè)試據(jù)

當(dāng)電路中接入電燈泡時(shí)，燈泡正常工作，實(shí)時(shí)顯示電壓值、電流值以及電功率曲線，在電腦界面無報(bào)警信息，可以用手機(jī)通過校園網(wǎng)訪問系統(tǒng)，查看用電信息。

當(dāng)電路接入電吹風(fēng)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到此負(fù)載為違規(guī)用電器，在電腦界面彈出報(bào)警框，同時(shí)自動(dòng)斷開電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線，圖4-2為智能用監(jiān)檢測(cè)器實(shí)物圖。

圖4-1燈泡電功率變化曲線

圖4-2智能用電檢測(cè)器實(shí)物圖

5安科瑞安全用電云平臺(tái)功能介紹及選型

5.1安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹

Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κＳ嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄，并且通過云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶睿r(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過對(duì)上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)施排查，避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面，云平臺(tái)提供超大容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù)，提升了服務(wù)質(zhì)量，對(duì)用戶的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外，該系統(tǒng)通過集中監(jiān)控，使得數(shù)據(jù)通過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控，主控端布置于城市消防大隊(duì)，從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。

平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖

具體功能如下：

(1)安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺(tái)、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機(jī)APP、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。

(2)安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等，能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù)，監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。

(3)手機(jī)APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本，能通過手機(jī)APP對(duì)每條報(bào)警記錄進(jìn)行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。

(4)能對(duì)各個(gè)單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)估，并隨時(shí)展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。

(5)監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品滿足國(guó)家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》和GB14287.3《測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》)的要求，并通過國(guó)家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。

(6)漏電探測(cè)器能同時(shí)探測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值，并能通過無線以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。

5.2產(chǎn)品選型

5.2.1漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器

5.2.2故障電弧探測(cè)器

安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD，共有兩種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生，并及時(shí)預(yù)警，提醒用戶處理，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。

AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：

5.2.3限流式保護(hù)器

安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1，有三種電流等級(jí)，可監(jiān)測(cè)回路短路過載等故障信息，發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果，防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。

ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái)，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。

以下是ASCP200-1的主要功能：

短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

過載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過載且過載持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)作時(shí)間(3…60秒可設(shè))時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

表內(nèi)超溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

過、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過壓或欠壓時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。

保護(hù)器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5.2.4剩余電流互感器

5.2.5AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊

AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺(tái)用模塊。

AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘，如發(fā)生報(bào)警，會(huì)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

5.2.6溫度傳感器

溫度傳感器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準(zhǔn)，可以用來監(jiān)測(cè)線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護(hù)。

6結(jié)束語

本文開發(fā)了一種基服務(wù)的智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別從硬件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)了電量的精確檢測(cè)和可靠預(yù)警。系統(tǒng)選用樹莓派作為主控制中心，有很高的精度和可靠性，可實(shí)現(xiàn)電器的啟停、電路過載報(bào)警、電量數(shù)據(jù)上傳等功能，UI設(shè)計(jì)