淺談關於智慧校園安全用電監測係統的設計

　　簡婷 

　　韦德1946网址 上海嘉定 201801 

0 引言 

　　學生人身安全是大家關(guan) 注的話題，2019年12月中消防統計近五年發生在全學生宿舍的火災2314起(中消防2019.12.應急管理部消防救援微博)，違規電器是引發火災的主因。如果在各寢室安裝智能用電監測器實時監督線路參數，將用電參數以數字或圖像顯示，學生若使用違規用電器，係統能自動識並切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學生使用違規用電器的信息，將是對火災的有效預防。本文設計了智慧校園安全用電監測係統，通過信息化方式實現校園內(nei) 各類資源有效集成、整合和化。係統監測器以樹莓派為(wei) 核心，定時將采集的用電信息上傳(chuan) 至雲(yun) 端存儲(chu) 與(yu) 備份，完成數據分析、能耗管理、過載報警等功能；可遠程監控，宿舍管理者用手機通過校園網可訪問該係統，掌握學生用電情況做出有效應答。 

　　根據中消防統計的近五年的2314起全學生宿舍火災，使用違規用電器是引發學生宿舍火災的主要因素，所以，加強學校消防安全工作，對預防和減少校園火災的發生具有十分重要的意義(yi) 。現有的限製學生用電的方式是在電路中接入保險絲(si) 或者空氣開關(guan) ，當用電超過負荷時斷電，此種方法設置簡單，但是無法對電氣事故進行詳細分析。本係統針對以上問題，應用物聯網和雲(yun) 平台技術，對學校用電情況進行智能化分析監控，在每間寢室安裝智能用電監測器，並將用電參數以直觀的數字或圖像顯示在宿舍管理人員和校園控製中心的電腦界麵，當學生使用違規用電器時，係統能自動識別違規負載並切斷學生所用電源，同時，宿舍管理人員和校園控製中心的電腦上收到使用違規用負載類型和學生寢室號的消息並做出處理，沒收學生使用的違規用電器，這將是對電氣火災的有效預防。 

1 智慧校園安全用電監測係統方案 

　　引起校園電器火災隱患的原因主要有過負荷火災、短路火災和漏電火災三種方式。本係統應用物聯網和雲(yun) 平台技術對學校用電情況進行分析監控，有效地預防火災的發生。 

圖1-1智慧校園安全用電監測係統總體(ti) 架構 

　　圖1-1為(wei) 係統的總體(ti) 架構，係統在工作時，每個(ge) 房間的智能用電檢測器定時讀取宿舍的用電數據。每層樓上安放個(ge) 寢室樓層監視器，方便宿舍管理員發現用電問題。學校控製中心則將寢室的用電信息匯總。 

　　寢室智能用電智能監測器將數據上傳(chuan) 至宿舍管理員處的寢室樓層監視器，隨後，寢室樓層監視器再將數據上傳(chuan) 至雲(yun) 端存儲(chu) 並做大數據分析。校園控製中心可以直接訪問雲(yun) 端獲取用電數據，也可以通過寢室樓層監視器獲取用電數據。 

2智慧校園安全用電監測係統的應用技術 

　　2.1雲(yun) 服務平台 

　　由移動網和互聯網構建雲(yun) 服務器平台。將係統采集到的用電數據通過移動網技術上傳(chuan) 至雲(yun) 服務器上，進行存儲(chu) 與(yu) 雲(yun) 計算。雲(yun) 服務平台可以將反映電氣狀態的實時數據上傳(chuan) 至學校用電管理人員的電腦屏幕和手機端，同時，校園控製中心和寢室管理員可以用手機通過校園網查詢學生用電信息。掌握學生用電情況，如有安全問題，可以及時作出應急措施。 

　　2.2大數據分析 

　　依據學校正常用電數據，設置報警和違規負載類型參數的標準值，收集用電參數，將收集到的數據通過加工、整理和分析後轉化為(wei) 所需信息，進而分析出學校存在的不合理的用電點。 

　　2.3安全隱患預警 

　　通過大數據分析，可以自動識別電器的安全隱患及負載類型，建立隱患識別係統。係統根據學校各用電設備的閾值進行報警。當學生使用違規用電器時，通過分析可以得出此違規負載的類型及具體(ti) 的學生寢室房間號，同時，學生寢室會(hui) 斷電，學校後勤人員從(cong) 而采取相應措施。 

3智慧校園安全用電監測係統軟硬件設計 

　　3.1係統硬件設計 

　　寢室智能用電監測器用來監控寢室用電信息、進行無線通訊和執行命令的操作，其總體(ti) 設計框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報警模塊、繼電器模塊和控製模塊。 

圖3-1寢室智能用電監測器的總體(ti) 框圖
 

　　采集模塊： 

　　係統采用IM1277單相互感式電能質量檢測儀(yi) 采集電量信息，能夠完成電能測量、采集及傳(chuan) 輸，準確高精度地測量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電參數。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經過電壓互感器和電流互感器處理，變為(wei) 較小的電流信號並通過電路傳(chuan) 到電能計量芯片，將模擬信號轉換為(wei) 數字信號，然後通過串口送入樹莓派控製中心。 

圖3-2電量采集電路 

　　報警模塊： 

　　係統采用消息推送的方式實現報警功能，將主控製器與(yu) 報警模塊相連，當電路中接入違規用電器時，負載總功率會(hui) 增大，控製係統檢測到這信號後，立刻控製報警模塊報警並跳閘，同時，係統會(hui) 記錄下跳閘時間、房間號和負載類型。 

　　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(chuan) 遞控製信號實現對大電流繼電器的控製。當電路中接入違規負載時，在控製係統的“指揮”下完成繼電器-繼電器的控製，使電路斷路。 

圖3-3繼電器電路圖 

　　控製模塊： 

　　樹莓派作為(wei) 係統的控製中心，可安裝操作係統並可以直接將所寫(xie) 的編程運行，卡片主板周圍有USB接口和以太網接口。樹莓派控製所采集的內(nei) 容以及電路的狀態，將采集到的用電數據進行處理和保存並上傳(chuan) 至雲(yun) 端，當經過數據分析後得出學生使用違規用電器的信息時，樹莓派控製電路斷開。 

圖3-4樹莓派實物圖 

　　數據顯示模塊與(yu) 遠程控製： 

　　PC機通過C語言程序實現數據節點的繪製、動態顯示、查詢曆史數據和報警記錄。同時，在手機端有APP，學校宿舍管理人員可以通過訪問APP實現查詢與(yu) 遠程控製，當學生使用違規用電器時，宿舍管理人員可以通過手機APP實現寢室斷電。 

　　3.2係統軟件設計 

　　係統上電後，進行各端口初始化，搜索並加入網絡，定時讀取寢室用電信息，將用電信息保存並上傳(chuan) ，進行數據分析處理；若存在安全隱患或使用違規用電器，則發送報警信號並做出相應的響應；若無安全隱患，則繼續讀取用電信息並上傳(chuan) 至雲(yun) 端。循環此過程。係統程序流程圖如圖3-5所示。 

圖3-5係統程序流程圖
 

4 係統測試 

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

　　負載是燈泡時的電流與(yu) 電壓的測試數據，見表4-1；負載是燈泡時電壓的測試數據，見表4-2；負載是吹風機時的電流測試數據，見表4-3；負載是吹風機時的電壓測試數據，見表4-4。 

　　表4-1負載是燈泡時的電流與(yu) 電壓的測試數據 

表4-2負載是燈泡時電壓的測試數據 

表4-3負載是吹風機時的電流測試據 

表4-4負載是吹風機時的電壓測試據 

　　當電路中接入電燈泡時，燈泡正常工作，實時顯示電壓值、電流值以及電功率曲線，在電腦界麵無報警信息，可以用手機通過校園網訪問係統，查看用電信息。 

　　當電路接入電吹風時，係統檢測到此負載為(wei) 違規用電器，在電腦界麵彈出報警框，同時自動斷開電源。圖4-1為(wei) 燈泡電功率變化曲線，圖4-2為(wei) 智能用監檢測器實物圖。 

圖4-1燈泡電功率變化曲線 

圖4-2智能用電檢測器實物圖 

5 安科瑞安全用電雲(yun) 平台功能介紹及選型 

　　5.1安科瑞安全用電雲(yun) 平台介紹 

　　Acrelcloud-6000安全用電雲(yun) 管理係統能夠對剩餘(yu) 電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，並且通過雲(yun) 端的遠程控製。設備與(yu) 雲(yun) 端的通訊方向不受限製，能上傳(chuan) 數據、透傳(chuan) 指令，並時間顯示實時狀態。通過對上傳(chuan) 至雲(yun) 端的數據進行分析，為(wei) 用戶提供火災隱患的相關(guan) 數據，能夠及早的發現問題並實施排查，避免火災的發生。另方麵，雲(yun) 平台提供超大容量的信息儲(chu) 存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義(yi) 。此外，該係統通過集中監控，使得數據通過每個(ge) 節點的4G網絡傳(chuan) 輸至雲(yun) 端集中式管理和監控，主控端布置於(yu) 城市消防大隊，從(cong) 而能夠對采集的信息進行統的監控和管理。 

平台的整體(ti) 結構圖 

        具體(ti) 功能如下： 

　　(1)安全用電監管服務係統包含安全用電管理雲(yun) 平台、電腦終端顯示係統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。 

　　(2)安全用電監管服務係統平台能展示剩餘(yu) 電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、曆史數據與(yu) 變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產(chan) 品維護等數據，監管數據能保存十年以上。 

　　(3)手機APP軟件同時具有ioses版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便於(yu) 緊急情況下能盡快通知用電單位。 

　　(4)能對各個(ge) 單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，並隨時展示電氣安全運行分析報告。 

　　(5)監控探測終端產(chan) 品滿足家法律法規和有關(guan) 技術標準(GB14287.2《剩餘(yu) 電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》)的要求，並通過家消防產(chan) 品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。 

　　(6)漏電探測器能同時探測剩餘(yu) 電流、四路溫度、三相電流等參數值，並能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管係統平台。 

　　5.2產(chan) 品選型 

　　5.2.1漏電火災監控探測器 

        5.2.2故障電弧探測器 

　　安科瑞故障電弧產(chan) 品型號代碼為(wei) AAFD，共有兩(liang) 種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，並及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。 

　　AAFD可配合AF-GSM400使用並接入安全用電平台，該產(chan) 品不可在同台AF-GSM400下與(yu) ARCM混接。如圖： 

        5.2.3限流式保護器 

　　安科瑞限流式保護器型號代碼為(wei) ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產(chan) 生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。 

　　ASCP200-1可配合AF-GSM400使用並接入安全用電平台，也能夠通過插入SIM卡直接上傳(chuan) 到平台。 

　　以下是ASCP200-1的主要功能： 

　　短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內(nei) 實現快速限流保護，並發出聲光報警信號。 

　　過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間(3…60秒可設)時，保護器啟動限流保護，並發出聲光報警信號。 

　　表內(nei) 超溫保護功能。當保護器內(nei) 部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，並發出聲光報警信號。 

　　過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。 

　　配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。 

　　漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。 

　　保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到後台監控係統，實現遠程監控。 

　　5.2.4剩餘(yu) 電流互感器 

        5.2.5AF-GSM400-2G/4G無線上傳(chuan) 模塊 

　　AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為(wei) 安全用電雲(yun) 平台用模塊。 

　　AF-GSM400接入每塊儀(yi) 表所需流量為(wei) 20M/月，單個(ge) 模塊可以接入30塊儀(yi) 表。默認上傳(chuan) 間隔2分鍾，如發生報警，會(hui) 實時上傳(chuan) 數據。 

　　5.2.6溫度傳(chuan) 感器 

　　溫度傳(chuan) 感器為(wei) 熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體(ti) 的溫度，提供溫度保護。 

6 結束語 

　　本文開發了種基服務的智慧校園安全用電監測係統，分別從(cong) 硬件平台和軟件設計兩(liang) 個(ge) 部分進行了介紹，實現了電量的精確檢測和可靠預警。係統選用樹莓派作為(wei) 主控製中心，有很高的精度和可靠性，可實現電器的啟停、電路過載報警、電量數據上傳(chuan) 等功能，UI設計安排合理，便於(yu) 用戶的學習(xi) 和操作。當出現安全隱患時，係統發出報警，同時學校後勤管理部門與(yu) 寢室樓層管理人員會(hui) 收到報警信息，從(cong) 而采取相應措施，以智能化的方式解決(jue) 用電的安全隱患。該係統可應用於(yu) 學校的安全用電管理，滿足學校後勤部門對校園安全的管理需求。
 

參考文獻： 

　　[1]田 穎，劉 輝，李琳娜 .智慧校園安全用電監測係統的設計 

　　[2]安科瑞安全用電管理雲(yun) 平台手冊(ce) .2020.02版 

　　[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版 

作者簡介：簡婷，女，韦德1946网址