基于云平台的智慧节电管理系统的设计与实现_李兆泽.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）基于云平台的智慧节电管理系统的设计与实现李兆泽，刘燚淼，李欣，杨文静，王怡凡，高波，（内蒙古科技大学 信息工程学院，内蒙古包头市阿尔丁大街号 ；河北水利电力学院 电力工程系，河北省沧州市黄河西路 号 ；河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心，河北省沧州市黄河西路 号 ）摘要：文中针对高校教室内用电设备“人走常开”造成的电能浪费现象，设计了一款基于云平台的智慧节电管理系统。系统以 作为主控芯片，基于 技术实现用电设备状态及环境信息的采集，并由 模块实现与云平台信息交互，进而通过手机 访问云平台，实现用电设备的远程监测和控制。在此基础上，使用 研发了一套基于云平台的用电设备智慧节电的管理系统。经测试，系统可根据用电需求自主控制用电设备运行状态，大大减少了电能的浪费。关键词：智慧节电；云平台；远程监控；中图分类号：；文献标识码：现如今，随着教室现代化发展，教室用电设备增多，“人走常开”的电能浪费问题日益凸显。针对智慧节能教室，国外有较多研究，而国内仍处于初步阶段，很多问题亟待解决。首席执行官首次向世界展现了“智慧地球”的基本概念，提出“智慧教室”逐步进入研究者们视野。团队通过智能软件充分对学习环境和学习对象进行检测，使学习环境的体验效果不断增强。国内对智慧教室的 研 究 比 较 典 型 的 有 侯 志 燕 提 出 的 智 慧 教 室“”概念模型，也即内容呈现（）、环境管理（）、资源获取（）、及时互动（）和情感感知（）五个维度，并在“”概念模型的基础上提出了“”模型，强调教室智慧性更侧重于如何支持教学活动的智慧开展。华中师范大学运用计算机和互联网充分体现了“物理空间资源空间社区空间”三位一体概念。吉林农业大学赵忠伟研发了具备多项功能的基于物联网技术的高校教室管理系统。在此基础上，国内也有对教室节能展开的基本研究，大多数强调节电硬件的设计和实现，但是操作较复杂，功能尚不完备，在管理系统方面比较欠缺。综上所述，智慧教室的研究已得到广泛关注，其智能化功能也逐步得到应用，但是对以智慧节电为目标的管理系统的研发较少，对智慧节电管理系统的研究不够充分。为此，文中基于 设计了智慧节电物联网系统，并充分考虑人、环境信息等因素，利用 研发了一套基于云平台的智慧节电管理系统，用户可以在手机 或者电脑上获取数据信息并对教室用电设备进行智能化管理控制。系统原理及总体设计物联网是互联网的一种，它是物与物连成的因特网。物联网一般包括感知执行层、网络层和应用层，如图所示。感知执行层是实现物联网的底层技术，其中包含了具有感知功能的硬件模块，用于采集和感知外界信息并进行传递，同时也可以接收网络层命令并执行。网络层由运营商无线网络、互联网、有线和无线通信网、局域网等组成，负责将感知层获取的信息传输到应用层，然后根据不同的应用收稿日期：修回日期：本文为河北水利电力学院 届本科优秀毕业论文基金项目：国家级大学生创新创业项目（）；河北省大学生创新训练项目（、）；河北省大中学生科技创新能力培育专项项目（）；河北省高等学校科学研究计划项目（）；沧州市社会科学发展研究课题（）；河北水利电力学院基本科研业务费专项资金资助（、）第一作者简介：李兆泽（），男，河北晋州人，硕士研究生，主要从事能源动力和电气工程方向的研究。：通讯作者简介：高波（），男，河南信阳人，讲师，从事电气工程及其自动化相关领域研究。：需求进行信息处理。应用层的主要组成是人机对话窗口，是物联网直接运行系统的平台。其主要包括信息共享的终端系统，以及最终的物联网系统信息获得终端，如手机 、机等。用户可通过终端设备访问互联网上的服务器，进而可以获得数据和下达命令。图物联网的总体结构 技术 是一种无线协议，其体系结构如图所示，可工作在 、和 频段上，传输速率最高分别可达 、和 ，大功率模块可达几公里以上。本文以 作为 节点协调器和能够采集不同数据的终端节点，可通过软件编程来设定对应功能。具有较强的抗电磁干扰能力和较高的灵敏度，并且有两个支持多种串行通信协议的强大 。图 协议的体系结构 技术 是一种允许电子设备连接到无线局域网的技术，它属于 无线局域网，支持多个终端设备同时传输，具有覆盖范围广、传输速度快、成本低、无需布线、组建方便的优势。文中选用 无线通 讯，使 用 局 域 网 协 议，选 取 模块作为 ，路由器作为 。其借助路由器连接云平台，进行双向交互，把主控芯片处理完的数据通过路由器传输至云平台，使用户获取信息，并及时将用户指令传达至主控芯片。分区节电设计文中采用分区节电原理如图所示。以一个可供 人使用的小教室为例，将整个教室分为五个控制区，每个控制区都有多个 终端节点，在该控制区内设置若干个环境信息，通过主控芯片对环境信息的综合判断来实现对该区域用电设备控制。图智能教室区域分布图 原型系统结构文中设计了一套节电原型系统，来验证节电管理系统的功能，如图所示。以 的自组局域网为核心，利用 节点和人体红外感应、温湿度传感器等外部设备，将教室内的所有信息都传输到 协调器上。协调器将数据传输到主控芯片 ，并由 模块将数据发送至云平台，供手机 获取数据，实现对节电原型系统的信息监控。第期李兆泽等：基于云平台的智慧节电管理系统的设计与实现智慧节电管理系统硬件设计系统运行的基础是硬件设计，硬件主要包括 单片机、通讯部分、部分、多个信息采集单元等。主控芯片的设计主控芯片选择 单片机，它需要两个同步 异步收发器分别与 模块、协调器进行通讯，基于 核心的 位微控制器工作时有低功率、低电压、实时性等优点，它的内部还包含 的 和 的 ，来支持在线编程，并且拥有个串口。它还具有个 位模数转换器，转换时间为（多达 个输入通道），有双采样和保持功能。单片机应用广泛，是主控芯片的最佳选择，见图。图智慧节电原型系统总体结构图 模块设计 模块采用 芯片，它具有强大的芯片处理能力以及储存能力，通过固件分配不同引脚的功能。它的芯片包含一个 接收器和一个 发射器，在接收信号时，接收器会把电磁频率信号降频为正交基带信号，然后用高速模数转换器将其转为数字量，完成信号的接收。发射信号时则会反向进行上述过程，然后使用大功率的 功率放大器驱动天线发射信号。本系统通过 其与主控芯片开发板的 相连，以实现 芯片与主控芯片的数据传输，如图所示。将 对应的 和 的引脚接到主控芯片同步异步收发器上进行数据传输，来保证 芯片正常运行。自组织局域网基于 的 模块硬件设计如图所示。每一个 模块，既可以作为终端节点，又可以作为协调器，进而形成自组局域网。终端节点配备多种传感器和继电器，直接监控灯具、风扇等用电设备的运行状态。协调器可以获取不同功能的 终端节点采集的数据，并传输给主控单元，进而通过 传递到云平台实现数据的实时获取。河北水利电力学院学报 图 模块电路图 图 模块电路设计图 第期李兆泽等：基于云平台的智慧节电管理系统的设计与实现 信息采集单元的设计 人体感应及光照监测单元人体感应单元使用 人体红外感应，它的主要部分是热释电探头。具有全自动感应能力，当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平，具有较高灵敏性。光照 监 测 单 元 采 用 光 敏 电 阻 和 贴片光敏电阻。这两个电阻在阳光照射下电阻值会迅速减小，在无光时下电阻增大并呈现高阻态。人体红外感应与 贴片光敏电阻连接组成灯控单元，当有人且光照低于一定值时，灯 就 会 被 点 亮，并 且 灯 的 工 作 信 息 将 由 对 应 的 引 脚 采 集。光 敏 电 阻 与 的 连接，避免灯被打开后改变环境光照强度使灯控单元正常工作受限。可视化单元可视化由摄像头和 显示屏构成。摄像头型号为 ，需要 的电压驱动，且灵敏度较高，在使用过程中还可以通过软件设置饱和度和色温等相关参数来实现不同场景下的拍摄需求。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式，得到清晰的稳定的彩色图像。主控芯片读取数据时先把 初始化，依次读取 数据，直到这一帧读取完后，开启一次主控芯片 到 的的数据传输，最终由亮度好、对比度高、层次感强、色彩鲜艳的 完成图像显示。温湿度采集单元环境的温度和湿度采用 温湿度传感器收集，温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。通过引线与 终端节点相连，并通过引脚传输数据。当 接收到信息采集信号后转为高速模式，采集结束后就又转到低功耗模式。电能监测单元原型系统硬件电能监测单元选用 模块实现。该芯片直接测得电流、电压和功率数据，并通过协议传输，操作简单、实用，具有较为宽泛的温度范围且测量精度高。基于 的电能监测单元电路设计图，如图所示。通过 端和 端接入主电路测得电气数据，再利用 、通过协议与主控芯片进行数据交互。主控芯片 根据电功率与用电量的转换关系，将电功率关于时间的函数进行积分处理，从而得到系统的用电量，并实时上传至云平台，实现系统电能消耗的监测。图电能监测单元电路设计图 智慧节电管理系统软件设计智慧节电管理系统 利用 协议，将 自组局域网与云平台衔接起来，实现对硬件系统的控制。自组区域网的设计 自组局域网运行流程如图所示。图 自组局域网运行流程图 每个教室配备一个 协调器负责与主控芯片传递数据，多个 终端节点采集教室内温湿度，判断光照情况，感应是否有人，以及控制灯具、河北水利电力学院学报 风扇等部分用电设备运行情况。协调器和 终端节点间的通讯方式使用点对点通讯，最后再由 协调器进行打包，使用串口通讯发送给主控芯片。云平台设计数据点就是硬件具体功能的抽象表现，用来简单的描述产品的功能和参数。数据点被创建后，也就确定了硬件设备与云端 （应用编程接口）的通讯格式，硬件设备和云平台只能发送和接收设定好的通讯格式的数据。硬件设备、云平台和上位机拥有一模一样的数据点，同时设置 协议服务器，以此完成数据的相互传递。基于云平台的智慧节电管理系统的数据点如表所示。表基于 的智能教室物联网的数据点 显示名称标识名读写类型数据类型数据范围温度 只读数值 湿度 只读数值 灯工作盏数 只读数值 风扇工作个数 只读数值 灯 可写布尔值无风扇 可写布尔值无空调 可写布尔值无多媒体 可写布尔值无 设计手机 使用 协议，可以和云平台实现通信，并采用 的架构，如图所示。用户通过视图层对 进行操作，从而实现对数据层的更改，实现软件的某一操作，并通过互联网将数据层数据传输至云平台，从而改变硬件设备状态。图基于 协议原理的 架构 在 端对设备进行操作时，客户端作为发布者，云平台作为订阅者，借助云平台的 服务器，可以实现软件与云平台的流畅通信。服务器接收到来自 客户端的请求后，对云平台下达相应指令，云平台调用自身 ，读写硬件设备数据，以发布者身份向 发送数据，实现实时通信。共三大模块，分别为用户登录模块、设备控制模块、软件设置模块，如图 所示。用户登录模块：负责账户登录和注册两部分。目前 内支持账号密码登录。未登录时，用户可预览了解本 。登录后即可查看房间列表和各用电设备状态，并对其进行控制。设备控制模块：对房间内的用电设备进行控制，查看当前设备用电状态。在登录后可查看房间列表、添加房间以及添加某房间内的用电设备。软件设置模块：控制软件内的部分功能，跳转硬件后台状态网站。点击“我的”后，即可查看有关软件的相关信息。图 控制界面 第期李兆泽等：基于云平台的智慧节电管理系统的设计与实现 基于 语言编写实现，关键代码如表所示。表部分关键程序代码 实现功能关键代码定义全局环境变量 （）：（）（）获取 各 用 电 设 备 的 信息 设置当前页面变环境信息 ：默认所有设备都关闭 ：设备启停检测 ：设备开 ：设备关系统测试在软硬件设计和系统搭建完成后，将 自组局域网成功组网，并成功调试主控芯片、模块及云平台和手机 ，然后进行节能系统效果测试，如图 所示。选用套相同的原型系统，均包括相同规格的组灯和风扇，额定功率均为 。将文中设计的节电管理系统仅应用于其中一套系统中，在