智慧校园用电监测系统的设计

第22卷第3期2020年9月
Vol.22No.3
Sep.2020辽宁师专学报(自然科学版)
Journal of Liaoning Normal Colleges(Natural Science Edition)
【应用研究】
智慧校园用电监测系统的设计
朱凤文
（辽宁铁道职业技术学院通信工程学院,辽宁锦州121000）
摘要：为使校园用电信息动态透明，应用LoRa技术设计了一款以LoRa设备为核心硬件的智慧校园用电监测系统，开发框架分为设备层、汇聚层、分析层和用户层.系统实现了电量自动测量、数据统计分析和线路状态监督等功能，具有灵活的扩展性和迁移性，其使用范围可从校园推广至工厂和住宅小区.
关键词：智慧校园；监测系统；LoRa技术；云平台；集中器
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1008—5688（2020）03—0089—05
0引言
《教育信息化2.0行动计划》提出：教育信息化将从数字校园时代逐步过渡到智慧校园时代.数字校园突出的是信息共享，而智慧校园实现的是物理空间与信息空间衔接，是以物联网为基础，对集数据化、网络化、智慧型、协作型于一体化的教学、科研、管理和生活服务实现全面感知，并能对教育教学、教育管理进行洞察和预测的智慧学习环境[1].在《智慧校园总体框架》国家标准的四层结构中，具备透彻感知功能的基础设施层是最底层，即通过物联网技术实现物与物的感知、人与物的感知、系统与系统的感知.智慧校园用电监测系统是智慧校园服务中重要的组成部分.系统中的智能用电监测设备实时测量校园内各场所的用电线路，并通过网络将数据汇聚至云平台，分析处理数据，以友好的界面在各种终端上显示信息.随着技术的演进，数据传送网络不断升级，从有线到无线，从高耗能到低功率.LoRa技术是一种低功耗广域网技术，基于扩频调制技术，它利用公用通讯频段，不依赖于运营商而独立联网，因此具有部署简单、成本低、远距离、低延时等特点⑵.与现有的多种无线传输技术相比，基于LoRa技术构建的网络无疑是最适合的无线通信方式之一.
1系统总体设计
基于LoRa技术的智慧校园用电监测系统，由嵌入LoRa模块的智能电表、LoRa集中器、工业无线路由器、服务器（物联网云平台）、手机终端或电脑等设备组成.案例校园应用范围南北长约1.5km,东西长约1km,共有18栋楼宇，楼层最高为6层.系统选用的LoRa模块的通讯距离可达2km,单个集中器负载容量一般为200个终端，最多可达500个终端.
系统架构如图1所示（见90页）.设备部署方案如下：设置代表性信息点10个，其中三个教学楼各1个，两个实训楼各1个，办公楼1个，学生宿舍3个，学生食堂1个.在校园中心建筑的高层设置一个LoRa集中器和一个无线路由器：LoRa集中器通过以太网连接无线路由器，
收稿日期：2020一08一15
作者简介：朱凤文（970—）,男，辽宁阜新市人，副教授，主要从事通信技术和物联网技术方面研究.
基金项目：辽宁省教育厅2019年科研项目（LJKY2019121）
90辽宁师专学报(自然科学版)2020 年第 3 期再借助无线技术与信
息点进行数据传送;
无线路由器接到云平
台进行数据传输•信
息点与集中器采用简
单的星型拓扑结构.
在 这 个 结 构 中 ， 集 中
器作为中继，链接采
集 设 备 和 云 平 台 ， 云
平台管理及存储数据,
LoRa 智能电表 校园建筑图1系统结构
手机终端或电脑端访 问 云 平 台 ， 实 时 查 看 用电信息.
2系统关键硬件
LoRa 设备是本系统关键硬件，其工作原理如图2所示.信息点数据采集设备为嵌入LoRa 模块的智能电表，它由控制单元、计量单元和通信单元三部分组成[]・控制单元是智能电表的控 制器，接收计量单元采集到的电量数据，实时累加存储；控制通信单元射频模块将电量数据定时 上传至集中器，实现无线抄表；接收集中器下传报文命令，控制通信模块上传数据•计量单元采 集电路电压和电流值，得到瞬时功率，按比例将瞬时功率转换成脉冲提供给控制单元，控制单元 将定时内的脉冲数与功率转换参数相乘得到相应时间内的用电量•通信单元分成RS485通信模 块和射频模块两个模块，其中RS485通信模块与控制单元、计量单元组成电量数据采集网，射 频模块则利用 LoRa 扩频技术上传采集到的电能数据， 同时接收上端的报文命令. 控 制 单 元 一 般 采用嵌入式单片机，目前采用的是意法半导体公司的STM32系列主流芯片；计量单元常用的计 量芯片为ADI 公司的ADE7755系列；通信单元多采用Semtech 公司SX127X 系列芯片⑶.
LoRa 集中器相当于系统中的通信中继设备，向下通过LoRa 技术会聚智能电表数据，向上可以通过以太网、4G 、WiFi 等方式与云平台通信.
LoRa 集中器表1
LoRa 集中器三种工作模式比较与 LoRa 节 点 的 通工作模式设置复杂度优点
缺点适用场景集中器轮询唤醒
适中节省流量占用信道资源多远程抄表、Modbus 采集信有三种模式，节点主动上报适中
占用信道资源少不能下发烟感报警、气体检测其特点见表1.服务器主动下发
简单可上报也可下发不控制收发时序控制设备(1)集中器轮询唤醒模式：节点平时处于被动唤醒状态，
集中器根据所设参数周期性发送
朱凤文智慧校园用电监测系统的设计91
数据唤醒节点，节点回复相关数据，完成一次数据交互后进入休眠状态，集中器等待下一周期下发第二条唤醒数据.当所有轮询数据完成、轮询周期结束后，会从数据库中已保存的第一条数据开始重新轮询唤醒.（2）节点主动上报模式：节点设置上报时间，定时上报数据，集中器接收到节点数据后自动应答，并将有效数据上传服务器.（3）服务器主动下发模式：集中器接收到服务器的数据后才会将数据发送给节点；节点收到计量单元的数据后将数据发送给集中器，集中器上传至服务器.
根据实际应用需要，本系统适宜采用集中器轮询唤醒模式，需要预先设定集中器和节点模块的相关参数.
3系统开发框架
如图3,本系统开发框架分为四层，即
设备层、汇聚层、分析层和用户层，包括底
层设备的配置、云平台搭建、后台数据分析
和前端数据可视处理等过程•
3.1LoRa设备配置
智能电表采集的数据通过LoRa集中器
.2EE SSH
与服务器进行透传，因此设备层需要正确配
置LoRa设备.
LoRa模块参数配置：智能电表接收集
中器的轮询后，将采集的电气参数通过
RS485串口通信方式传送至LoRa模块，再
通过无线通信方式传送至集中器，因此要使
用AT指令配置软件配置LoRa模块设备
ID、应用ID、工作模式、传输信道、传输
速率等参数，并与集中器通信设置参数一
致.
LoRa集中器参数配置：作为集中器轮
询唤醒模式的主控设备，LoRa集中器一般通过Web网页配置，要设置应用ID、节点数量、传输信道、传输速率等参数，并且所有通信通道设置为被动轮询模式，进一步设定唤醒周期、轮询周期、轮询超时和轮询数据等轮询参数•同样，应用ID、传输信道、传输速率与LoRa终端保持一致.
LoRa集中器连接服务器设置：LoRa集中器可以通过有线或无线方式连接至服务器，支持MQTT、socket两种连接方式.本系统采用MQTT方式，使用Web网页配置服务器相关项，包括服务器IP地址/域名、服务器端口、设备ID、MQTT发布和订阅的主题.
3.2云平台搭建
云平台操作系统采用Linux体系中的Ubuntu,整体开发框架采用J2EE.系统云平台按功能分为数据汇聚层和数据分析层.
汇聚层的任务是自动汇入设备层数据，主要技术是配置MQTT服务器，即后台运行MQTT 协议的消息中间件，通过主题的订阅和发布在底层设备与终端用户之间实现数据透传.MQTT 有多种消息中间件，本系统选用同时支持万级客户端的国内开源软件EMQX.
分析层负责处理物联网设备产生的大数据•目前，较流行的一种Java Web应用程序开源框
92辽宁师专学报(自然科学版)2020年第3期
架是SSH,它是由Struts+Spring+Hibernate集成的一个框架，其中：Struts负责Web层，与网页中表单交互数据；Spring负责业务层，提供了管理业务对象的一致方法；Hibernate用来持久化数据，提供完全面向对象的数据库操作.
考虑到读取物联网海量数据要有较高的数据并发能力，而基于内存存取的Redis能够提高查询存储效率，所以数据库选用Redis存储物联网设备数据，而用户信息、短信验证码等用户数据使用MySQL进行存储[].
3.3可视处理
用户层负责将经过分析处理的数据以直观可视的方式展示在用户的终端设备中，用户终端呈现方式既有Web网页，也有手机APP或微信小程序.本系统Web前端框架采用VUE开发，移动端采用微信小程序开发.
4用电监测系统实现功能
精准测量用电量.智能电表最基本的功能是通过云平台对所接线路的用电量进行精准测量，有助于学校实时监控.
统计分析用电数据.利用该系统可分类统计各类用电量及总用电量，统计分析快速、准确,通过分析能耗数据促进校园节能降耗.
掌上巡检用电线路.用户通过移动端可以随时登陆平台查看用电量信息，不受时间、地点和环境的限制，间接了解用电系统的状态.
具有与校园其他管理系统顺畅对接能力.对接后，信息无需经过二次处理即可实时上传，管理员则可以实时记录、查阅数据参数和日志，实现校园信息管理智能化、集约化.
5预期扩展功能
智慧校园用电监测系统基本功能是实时测量和统计分析用电量，间接监测用电线路的状态.后期在相关技术成熟后，系统功能扩展非常容易，如在用电线路上增设LoRa断路器可实现智能化限电，在关键场所设置LoRa温度传感器和LoRa烟雾传感器实现火灾自动预警等功能.此外，还可以扩展到校园用水监测，在校园的水路节点安装LoRa智能水表，LoRa集中器将其统一纳入云平台，在后台做相应的数据处理，就可以实现校园水电能源一体化、智慧化管理.另外，还可共享校园用电监测系统物联网云平台，利用LoRa火灾报警器和LoRa监控等终端设备开发“智慧消防”和“智慧安保”，逐渐完善智慧校园基础设施建设，提高智慧校园服务能力.
6结语
本文从实际应用出发，利用LoRa无线通信技术设计一款用电监测系统，实现校园用电的计量与监测.系统具有结构简单、布线少和数据传输可靠等特点，在低功率、低流量的传输方面有其独特优势；系统还具有灵活的扩展性和迁移性，不仅适用于校园环境，还可以推广用于工厂、住宅小区等水电设备的集中监测，随着智慧城市建设的展开将会有更广泛的应用场景.
参考文献：
[]王运武,于长虹.智慧校园：实现智慧教育的必由之路[M].北京：电子工业出版社，2016：5&
[]雷宇•基于LoRa的学生宿舍智能抄表系统设计[]•机电工程技术，2018(8)：130132.
[]赵四海.基于LoRa技术的新型多功能电能表[J].信息通信，2017(5):288289.
[]郭柯洒•基于LoRa的低能耗物联网技术研究JJ].中国信息化，2018(11)：5860.
朱凤文智慧校园用电监测系统的设计93
[]王瑞，兀玉洁，李燕苹.基于MQTT协议的物联网实训云平台设计[]•工业控制计算机，2018(9)：101103.
Design of smart campus electricity monitoring system
ZHU Feng-wen
（SchoolofCommunicationEngineering，
Liaoning Railway Vocational and Technical College,Jinzhou Liaoning121000）
Abstract：In order to make the campus electricity consumption information dynamically transparent，LoRatechnologywasappliedtodesignasmartcampuselectricitymonitoringsystem with LoRa equipment as the core hardware.The development framework was divided into the e-quipmentlayer，aggregationlayer，analysisleveland userlayer.The system rea izes the func-tionsofautomaticmonitoringofelectricquantity，statisticalanalysisofdataand inestatesuper-vision，etc.，andhastheflexibleexpandabiityandmobiity，anditsscopeofusecanbeextended romthecampustothefactoriesandresidentialareas.
Keywords：smartcampus；monitoringsystem；LoRatechnology；cloudplatform；concen-trator（审稿人李树东朱维佳，责任编辑于海）
（上接25页）
Application of wisdom classroom based on Rain Classroom
in clinical courses of nursing specialty:A case study of
Chaoyang Health School
LIU Ckang-qi1,YANG Jing2
（rmationTechnologyCenter，ChaoyangTeachersCo l ege，ChaoyangLiaoning122000；
2.SurgerySta f Room，Chaoyang HealthSchool，ChaoyangLiaoning122000）
Abstract：In order to apply information technology to classroom teaching,we used the smart terminal"Rain Classroom"platform to construct a new type of wisdom classroom,displayed its concreteconstructionprocess，anddiscusseditsspecificapplicationinclinicalcoursesofnursing specialty.The application result indicates that wisdom classroom based on"Rain Classroom"can e f ectivelyimprovetheteachingqualityofclinicalcoursesofnursingspecialty.Additiona l y，it hasbeenprovedtobeane f ectivewayfortheconstructionofinformationclassroominvocational co l egesandformorevaluableexperienceaswe l.
Key words：wisdom classroom；nursing；Rain Classroom；clinical courses
（审稿人李树东赵亮，责任编辑邵艳艳）。