摘要：设计了一种基于无线网络的用电管理系统，主要包括现场控制柜、售电处与管理软件、数据服务器，网关节点等。通过在控制柜上安装RS485接口与电表连接，采集电表数据，然后通过无线网络将电表数据发送给网关，终上传给数据服务器。实现了节能办的管理系统通过校园网访问任意的现场操作站，从而可以对某块电表进行远程设置，并读取电表的实时数据，同时学生可以通过网络查询宿舍用电量，重点介绍控制柜与网关的软硬件设计。

关键词：无线传输；用电管理系统；网关；控制柜节点

0引言

在目前的高校用电管理工作中，如何建立学生的主动节能意识和如何确保学生的用电安全是2个不容忽视的问题。

为了减少这种问题发生的几率，许多学校推广和使用了预付费电表。这种电表是让学生的用电量在超出了指定范围之后，对于超出的部分要自行买单，这在很大程度上提高了学生的节能意识，并且在电表中增加了对电流和恶性负载的控制，可以有效地避免由于不安全用电引发的事故。

但是目前在高校中，并没有形成一整套完整的用电管理系统。基于此，本文设计了1套基于无线网络的用电管理系统。本系统具有实时性、安全性、易管理性等特点。

1系统硬件组成

系统的硬件组成如图1所示。从图1中可以看出，节能办通过内部网络将数据上传到数据服务器，通过服务代理从物理上与外网隔离。售电终端对数据进行加密之后通过互联网上传给数据服务器，以确保数据的安全性。节点作为网关的无线网卡接收现场控制柜发送来的数据，然后上传给数据服务器[2]。宿舍管理员在网络故障的时候可以通过现场控制柜完成必需的操作。学生可以在网上通过浏览器查询本宿舍用电明细。

1.1现场控制柜

现场控制柜是保证正常供电的核心，因此，现场控制柜的长期、稳定的运行对系统的正常工作有着决定性的意义。

本系统中控制柜安装在宿舍楼。硬件采用ARM7处理器，它体积小、集成度高、实时性高。控制柜内安装了嵌人式硬件，配有触摸键盘和液晶显示单元，电表和控制柜之间通过RS485端口传输数据，采用屏蔽双绞线作为传输介质，总线型连接。每个控制柜可以采集30块电表的数据，传输速率设定为4800bps。同时通过无线网络和数据连接。控制柜硬件设计如图2所示。

1.2网关与节点

网关与节点的主要工作是在接收到控制柜节点发来的数据时，将数据转换成与互联网数据包格式相同的数据包上传给数据服务器存储；在接收到客户端发来的命令时，执行相应的工作。网关与控制柜节点之间的结构如图3所示。

在图3中，HTTPClient代表客户端，可以是学生在宿舍查询用电量使用的浏览器，也可以是节能办人员统计、修改宿舍电量的客户端。HTTP/CoAP代表网关，网关的功能是执行协议间的转换。网关与控制柜节点之间使用星形网络拓扑结构。将节点作为协调器，只存在协调器与控制柜节点之间的通信，控制柜节点相互之间的通信通过协调器转发。

网关采用ARM7处理器，网关与Internet的连接通过以太网口，与控制柜的连接通过无线。硬件结构如图4所示。

2系统软件组成

该系统的软件由4部分组成，分别是数据管理软件、售电软件、现场控制柜软件和基于IEEE802.15.4无线网络的网络协议栈。

2.1现场控制柜

本系统使用了嵌入式Linux系统(embeddedLinux),嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。经过内核裁剪，将系统移植到开发板上，不需要硬盘作为存储介质，也不需要键盘、鼠标等外设。

控制柜节点的主要功能是采集和发送电表数据。控制柜和电表之间的数据传输通过RS485接口，数据传输遵循电力行业标准《DL/T645—1997645多功能电能表通信规约》(Multi-functionwatt-hourmetercommunicationprotocol)。与电表交互的数据如表1所示。

表1控制柜和电表交互数表

控制柜节点与网关的数据传输是通过无线。控制柜节点协议栈的软件组成如图5所示。

应用层的CoAP协议是适用于受限设备的协议，它可以说是HTTP协议的1个子集，CoAP协议所构造的数据包小的只有2个字节，非常适合低功耗的无线传输需求[4];在传输层，由于不需要保证数据包的准确性，所以采用了UDP协议；为了满足控制柜节点对地址的需求，在本设计中为每1个控制柜节点配备1个IPv6地址；但是由于802.15.4传输的数据长度有限，为了提高传输效率，在物理层与IP层之间加入压缩IPv6数据包的6LoWPAN层，在这1层使用LoWPAN_IPHC算法对IPv6数据包进行压缩[5-]。控制柜的无线接收发送数据包的软件流程如图6所示。

控制柜在接收到CoAP请求之后，首先对请求进行解析，得到数据包中的option项内容，从而根据option来查找所请求的资源。如果找到，则构造回复数据包，将资源放入payload项，送给UDP/IPv6层。否则发送错误信息数据包给UDP/IPv6层。在UDP/IPv6层，数据包被添加上目的地址等信息送给6LoWPAN层。在6LoWPAN层通过LoWPAN_IPHC算法对数据包进行压缩，根据IPv6地址与MAC地址的关联对地址进行压缩，并有条件的省略掉流控制等多余的项，从而降低数据包的大小来达到提高了传输效率的目的[8-10]。

2.2网关

网关上运行Linux系统，将节点作为无线网卡连接到网关。网关协议栈的软件结构如图7所示。

由于客户端使用HTTP协议，而控制柜节点使用CoAP协议，所以网关的主要功能是协议的转换，其软件流程如图8所示。

网关在接收到HTTP客户端的请求之后，首先对数据包进行解析，根据CoAP与HTTP的对应关系判断能否转换成CoAP数据包。如果不可以，则发送错误报告给客户端。转换后的数据包由socket接口传送给MAC层，然后通过无线发送，并打开计时器。如果在定时器溢出之内收到回复，则解析回复数据包，并转换成HTTP格式，返回给客户端。否则回复“超时”的数据包给客户端。

3智能水、电表的管理

3.1系统管理平台

IOT智能水电表管理系统是通过IOTP(InternetOpenTradingProtocol，网络开放贸易协议)来读取水、电表定时上报的电量信息，向电表发送合闸/拉闸的命令，返回其状态值。

智能水、电表系统后台管理界面如图3所示。

系统后台可以实时监测每个接入商户的即时账户余额、合同有效期、费率、联系人，以及各商户名下的水电表安装位置、各自用量等信息。为了简化结算流程，本文设计将水电表的用量以商户为单位进行汇总统-结算。

3.2商户费用查询及缴纳

商户余额查询：商户可以登陆web页面或者通过学校微信服务号绑定其一卡通账号，实现线上自助查询。一卡通管理平台通过调用用电管理系统的“查询商户信息”接口，返回商户的基础信息，调用“电费充值”接口返回商户的卡号、充值金额、唯一序列号等状态信息。接口示例如图4所示。

通过Web管理后台，商户可自行查询名下所有设施的用水、电总量单项设施的即时用量及状态，也可以通过缴费清单查询缴费记录，如图5所示。

商户费用缴纳：商户在学校微信服务号上，首先绑定为其开设的校园一卡通账号，对校园卡进行充值，然后使用校园卡余额对水电费进行自助缴纳，充值页面同步显示当前账户余额。充值缴费页面如图6所示。

4系统测试和运行

为了检测系统是否满足功能需求、商户管理和使用过程中各环节是否运行通畅，测试期建立了测试商户来模拟商户使用，并在试运行期间完善了一些细节性问题如：商户线上充值页面增加“当前账户余额”展示，方便商户查询账户即时信息；将单个商户下所有水电表的用量汇总实行统一结算，简化结算流程；同时随着商家的不断入驻，在信号盲区增加基站进行补盲覆盖。

目前这套IOT智能水电表管理系统已在校内具体实施数月有余，运行良好。从学校后勤、财务等管理部门和使用商户的反馈来看，此次将物联网技术应用到校园智慧管理的初步尝试较为成功。

5AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-EDU校园综合能效管理解决方案针对校园能源统计、后勤计费管理、校园运维管理等提供高校的信息化管理平台。从“源、网、荷、储、充”多个角度解析高校当下及未来的用能问题及用能需求，在统一的需求下“实现能源互补、信息互通”等管理模式。助力学校管理智能化、数字化、综合化，实现节能校园、绿色校园、低碳校园。

5.2平台组成

AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台采用开放的分层分布式网络结构，主要由设备层、传输层、数据层、应用层组成。平台融合电力监控、电能统计、电气安全、电能质量分析及治理、智能照明控制、预付费等功能，用户通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对企业用电进行进行集中监控、统一调度、统一运维，同时满足企业用电可靠、安全、节约、高效、有序的要求。

5.3平台架构

图1安科瑞高校综合能效管理方案架构拓扑

6.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。

6.2后勤计费管理

采用的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

6.2.1宿舍用电管理

针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；

可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录；

6.2.2商铺水电收费

针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理

6.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必不可缺的。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必不可缺的一部分。

6.2.4智能照明管理

通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。

6.3能源管理系统

针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。

构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

6.4智慧消防系统

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

7结束语

本文重点介绍了控制柜与网关的软硬件设计。经过调试，该系统实现了对1台控制柜的操作，具有实时性、易操作性等优点。而对于群体的控制以及前端界面的显示还有待进一步研究。

本文对远程控制水表、煤气表系统的设计也具有指导意义。对本系统稍加改进，就可以用于水表、煤气表等计量仪表的远程操作，具有广阔的应用前途。

【参考文献】

【1】田拥军，赵光强.基于ZigBee的智能用电管理系统设计[J].中国仪器仪表.

【2】郭培.无线传感器网络以太网接人网关的研究与实现[D].北京：北京交通大学.

【3】张少虎.基于ZigBee的自动抄表系统的设计[D].西安：西安科技大学.

【4】孙伟，王建平.无线传感器网络MAC层传输性能模型研究[J].电子测量与仪器学报.

【5】程杰，薛俏，邵芬红.基于无线网络的学生宿舍用电管理系统设计

【6】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【7】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介

翟雪玲，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。