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浅谈高校学生宿舍插座群用电管理系统的设计与应用

时间: 2020-09-27 14:20 浏览次数: 来源:江苏电流火灾探测器

陈盼
安科瑞电气股份有限企业  上海嘉定  201801

摘要:本文设计了一个基于物联网的学生宿舍插座群用电安全监控系统,采用Zigbee网络通信技术构建无线传感器网络(WSN),对学生宿舍每个插座进行电量采集,监控安全用电情况, 当监控到学生在宿舍使用违章电器等安全隐患,及时切断相应插座的供电电源,保证用电安全。

关键词:物联网 ;Zigbee;WSN;电量采集;安全监控

1 引言
       物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术。基于Zigbee 技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小、传输可靠、低功耗等制场合,常用于物联网智能测控系统中。
       随着生活水平的不断提高,学生宿舍用电设备越来越多,这也造成了一定的安全用电隐患,使得校园火灾时有发生,给学生的生命财产安全造成了很大的威胁。
       校园火灾发生的罪魁祸首大多数是违章电器。比如:由于违章使用大功率电器造成线路的短路;使用热得快、热水壶等电器时临时离开而至使水烧干后点燃外壳造成火灾等。而学生为了贪图方便,使得各学校学生宿舍的违章电器的现象屡禁不止。各高校尽管对使用违章电器的查处都很严格,但学生常常与学生管理人员玩“捉迷藏”,使用违章电器后就收藏起来,当辅导员查宿舍时往往不能当场查到,使宿舍存在着极大的安全隐患。
       因此,从根本上杜绝违章电器的使用,保障每个学生的生命财产安全,成为高校学生宿舍安全管理亟待解决的问题。
       本文设计了一个基于Zigbee的学生宿舍插座群用电安全监控系统,可对学生宿舍的每个插座的用电情况进行安全监测,任何一个插座上使用违章电器,都会在宿舍电控室进行声光报警 , 并及时切断使用违章电器的插座电源,既保证了学生的生命财产安全,又使管理员掌握使用违章电器的宿舍及插座,对使用学生进行批评教育,学生认识到错误后,管理员再给插座供电,可有效杜绝违章电器的再次使用。

2 系统网络结构
       基于物联网的学生宿舍插座群用电安全监控系统,采用单片机控制系统和无线收发器件构成无线传感器网络,采用Zigbee网络通信技术,实现对学生宿舍插座群的安全监控。监控系统分为主机节点和插座群节点 , 插座群节点测量每个插座的用电信息,并将采集的电压、电流等参量通过无线通信模块传送给主机节点;主机节点循环监测接收到的插座群节点的用电情况,当监测到某插座存在使用违章电器现象时,发出报警信号,并通过无线模块发出相应的控制命令给对应的插座节点,在插座端实行控制操作,切断相应插座的供电电源,保证用电安全。
       插座群节点由多个插座节点构成,分布于学生宿舍的各个插座接口:主机节点放在宿舍管理终控室,系统的网络结构,如图 1 所示:

图 1 系统的网络结构


       主机节点与插座节点通过Zigbee 网络通信技术共同组成无线传感器网络(WSN)。插座节点采集插座的用电电量,发送到主机节点,主机节点根据接收到的电量数据,研判用电安全状况,发送插座通断控制信号,相应的插座节点接收到信号后,控制插座的通断电。

3 主机节点
       主机节点通过Zigbee协调器与插座群各节点进行无线通信。
3.1 主机节点硬件
       待机时,主机节点显示实时时间,当监测到有插座节点使用大功率电器等危及用电安全情况时,报警并显示问题插座宿舍编号,同时向该插座节点发送控制命令,使插座断电。问题解决后 , 可以手动控制主机节点发送命令,控制该插座通电。主机节点的硬件结构框图如图 2 所示。

图 2 主机节点硬件结构框图


       主机节点控制器采用宏晶企业的STC12C5A60S2单片机,控制和协调各模块的工作; 时钟模块采用DS1302时钟芯片,产生系统时间;手动控制模块用于系统实时时间的设置与调节,查看各插座节点的实时用电数据,及存在安全隐患的插座断电后的通电控制,显示模块采用自带汉字库的 FYD12864 液晶显示芯片,可以根据需要显示手动控制模块所选定的插座节点的电量情况,及显示具有安全隐患的插座节点编号及过载状态提示;Zigbee协调器采用 Chipcon企业的专用于IEEE 802.15.4和Zigbee协议通信的CC2430芯片,与插座群节点实现无线通信。
       主机节点增加以太网控制器DP83848C和RJ45接口,可以实现与远程上位机的网络通信。
3.2 主机节点App

图 3 主机节点App流程图


       主机节点App主要完成Zigbee协调器启动和配置Zigbee网络,实现与插座节点间的无线通信功能。主机节点的App流程如图3所示。
       无线通信功能。主机节点的App流程如图3所示。
       系统上电后,首先进行系统初始化,并建立Zigbee网络;再搜索并添加插座节点,分配并保存加入Zigbee网络的插座地址;然后监听信道中有无插座节点发送的电量数据,有数据时,匹配插座节点地址,进行数据接收;进行数据处理,有数据超限时,发送插座断电控制命令道相应的插座节点,同时送出插座节点的安全隐患提示信息送到显示模块中,并报警提示。

4 插座节点
       插座节点是由Zigbee射频控制器及传感器构成的Zigbee终端节点,与主机节点的 Zigbee协调器共同组成WSN。
4.1 插座节点硬件
       插座节点实现插座的用电电量采集,发送到主机节点,主机节点根据接收到的电量数据,判断用电安全状况,当存在安全隐患时,主机节点发送插座断电信号,相应的插座节点接收到信号后,控制插座断开;当隐患消除,主机节点发送插座通电信号,控制插座接通。
       插座节点的硬件结构框图如图4所示:

图 4 插座节点硬件结构框图


       插座节点控制器采用Zigbee射频芯片CC2430,外接天线等接口,与主机节点进行无线通信;由于CC2430构成的Zigbee终端节点功耗很低,电源采用3.3V的纽扣电池供电;电量采集模块含有测量用电插座电量的电流、电压互感器、信号调理电路和A/D转换电路;通断控制模块采用继电器控制电路,根据插座节点接收到的插座通断控制信号,控制插座的通断。
4.2 插座节点App
       插座节点完成Zigbee终端加入由Zigbee协调器建立的Zigbee网络 , 实现与主机节点间的无线通信功能。插座节点的App流程如图5所示。
       插座节点上电后,首先进行初始化;再搜索Zigbee网络并向Zigbee协调器发送联网请求;加入Zigbee网络后,定期读取电量采集模块的数据,发送到主机节点;如果存在电量数据超限的安全隐患时,接收主机节点发送的插座通断控制信号。

图 5 插座节点App流程图

编辑概况:陈盼,女,本科。任职单位:现任职于安科瑞电气股份有限企业,联系电话:021-69156059,

手机:18702112032,QQ:2880956079  企业网址:http://www.acrel-dyh.cn/
 

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