高校智慧安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與安全用電云平臺(tái)的設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)析

    0引言

          學(xué)生人身安全是大家關(guān)注的話題,2019年12月中國(guó)消防統(tǒng)計(jì)近五年發(fā)生在全國(guó)學(xué)生宿舍的火災(zāi)2314起(中國(guó)消防2019.12.應(yīng)急管理部消防救援局官方微博),違規(guī)電器是引發(fā)火災(zāi)的主因。如果在各寢室安裝智能用電監(jiān)測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)督線路參數(shù),將用電參數(shù)以數(shù)字或圖像顯示,學(xué)生若使用違規(guī)用電器,系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)并切斷電源,宿舍管理者電腦上彈出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息,將是對(duì)火災(zāi)的有效預(yù)防。本文設(shè)計(jì)了智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)信息化方式實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)各類資源有效集成、整合和優(yōu)化。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器以樹莓派為核心,定時(shí)將采集的用電信息上傳至云端存儲(chǔ)與備份,完成數(shù)據(jù)分析、能耗管理、過(guò)載報(bào)警等功能;可遠(yuǎn)程監(jiān)控,宿舍管理者用手機(jī)通過(guò)校園網(wǎng)可訪問該系統(tǒng),掌握學(xué)生用電情況做出有效應(yīng)答。

          根據(jù)中國(guó)消防統(tǒng)計(jì)的近五年的2314起全國(guó)學(xué)生宿舍火災(zāi),使用違規(guī)用電器是引發(fā)學(xué)生宿舍火災(zāi)的主要因素,所以,加強(qiáng)學(xué)校消防安全工作,對(duì)預(yù)防和減少校園火災(zāi)的發(fā)生具有十分重要的意義?,F(xiàn)有的限制學(xué)生用電的方式是在電路中接入保險(xiǎn)絲或者空氣開關(guān),當(dāng)用電過(guò)負(fù)荷時(shí)斷電,此種方法設(shè)置簡(jiǎn)單,但是無(wú)法對(duì)電氣事故進(jìn)行詳細(xì)分析。本系統(tǒng)針對(duì)以上問題,應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù),對(duì)學(xué)校用電情況進(jìn)行智能化分析監(jiān)控,在每間寢室安裝智能用電監(jiān)測(cè)器,并將用電參數(shù)以直觀的數(shù)字或圖像顯示在宿舍管理人員和校園控制中心的電腦界面,當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí),系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別違規(guī)負(fù)載并切斷學(xué)生所用電源,同時(shí),宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規(guī)用負(fù)載類型和學(xué)生寢室號(hào)的消息并做出處理,沒收學(xué)生使用的違規(guī)用電器,這將是對(duì)電氣火災(zāi)的有效預(yù)防。

    1智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案
          引起校園電器火災(zāi)隱患的原因主要有過(guò)負(fù)荷火災(zāi)、短路火災(zāi)和漏電火災(zāi)三種方式。本系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)對(duì)學(xué)校用電情況進(jìn)行分析監(jiān)控,有效地預(yù)*災(zāi)的發(fā)生。

    圖1-1智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)


          圖1-1為系統(tǒng)的總體架構(gòu),系統(tǒng)在工作時(shí),每個(gè)房間的智能用電檢測(cè)器定時(shí)讀取宿舍的用電數(shù)據(jù)。每層樓上安放一個(gè)寢室樓層監(jiān)視器,方便宿舍管理員發(fā)現(xiàn)用電問題。學(xué)??刂浦行膭t將寢室的用電信息匯總。

    寢室智能用電智能監(jiān)測(cè)器將數(shù)據(jù)上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監(jiān)視器,隨后,寢室樓層監(jiān)視器再將數(shù)據(jù)上傳至云端存儲(chǔ)并做大數(shù)據(jù)分析。校園控制中心可以直接訪問云端獲取用電數(shù)據(jù),也可以通過(guò)寢室樓層監(jiān)視器獲取用電數(shù)據(jù)。


    2智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)
    2.1云服務(wù)平臺(tái)
          由移動(dòng)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建云服務(wù)器平臺(tái)。將系統(tǒng)采集到的用電數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)技術(shù)上傳至云服務(wù)器上,進(jìn)行存儲(chǔ)與云計(jì)算。云服務(wù)平臺(tái)可以將反映電氣狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至學(xué)校用電管理人員的電腦屏幕和手機(jī)端,同時(shí),校園控制中心和寢室管理員可以用手機(jī)通過(guò)校園網(wǎng)查詢學(xué)生用電信息。掌握學(xué)生用電情況,如有安全問題,可以及時(shí)作出應(yīng)急措施。
    2.2大數(shù)據(jù)分析
          依據(jù)學(xué)校正常用電數(shù)據(jù),設(shè)置報(bào)警和違規(guī)負(fù)載類型參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值,收集用電參數(shù),將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)加工、整理和分析后轉(zhuǎn)化為所需信息,進(jìn)而分析出學(xué)校存在的不合理的用電點(diǎn)。
    2.3安全隱患預(yù)警

          通過(guò)大數(shù)據(jù)分析,可以自動(dòng)識(shí)別電器的安全隱患及負(fù)載類型,建立隱患識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)學(xué)校各用電設(shè)備的閾值進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí),通過(guò)分析可以得出此違規(guī)負(fù)載的類型及具體的學(xué)生寢室房間號(hào),同時(shí),學(xué)生寢室會(huì)斷電,學(xué)校后勤人員從而采取相應(yīng)措施。


    3智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
    3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
          寢室智能用電監(jiān)測(cè)器用來(lái)監(jiān)控寢室用電信息、進(jìn)行無(wú)線通訊和執(zhí)行命令的操作,其總體設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報(bào)警模塊、繼電器模塊和控制模塊。
    圖3-1寢室智能用電監(jiān)測(cè)器的總體框圖
    采集模塊:
          系統(tǒng)采用IM1277單相互感式電能質(zhì)量檢測(cè)儀采集電量信息,能夠完成電能測(cè)量、采集及傳輸,準(zhǔn)確高精度地測(cè)量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電參數(shù)。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器和電流互感器處理,變?yōu)檩^小的電流信號(hào)并通過(guò)電路傳到電能計(jì)量芯片,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后通過(guò)串口送入樹莓派控制中心。
    圖3-2電量采集電路
    報(bào)警模塊:
    系統(tǒng)采用消息推送的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,將主控制器與報(bào)警模塊相連,當(dāng)電路中接入違規(guī)用電器時(shí),負(fù)載總功率會(huì)增大,控制系統(tǒng)檢測(cè)到這一信號(hào)后,立刻控制報(bào)警模塊報(bào)警并跳閘,同時(shí),系統(tǒng)會(huì)記錄下跳閘時(shí)間、房間號(hào)和負(fù)載類型。
    繼電器模塊:
    交流繼電器模塊則通過(guò)小電流的交流中間繼電器通過(guò)傳遞控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流繼電器的控制。當(dāng)電路中接入違規(guī)負(fù)載時(shí),在控制系統(tǒng)的“指揮”下完成繼電器-繼電器的控制,使電路斷路。
    圖3-3繼電器電路圖
    控制模塊:
          樹莓派作為系統(tǒng)的控制中心,可安裝操作系統(tǒng)并可以直接將所寫的編程運(yùn)行,卡片主板周圍有USB接口和以太網(wǎng)接口。樹莓派控制所采集的內(nèi)容以及電路的狀態(tài),將采集到的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和保存并上傳至云端,當(dāng)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析后得出學(xué)生使用違規(guī)用電器的信息時(shí),樹莓派控制電路斷開。
    圖3-4樹莓派實(shí)物圖
    數(shù)據(jù)顯示模塊與遠(yuǎn)程控制:
          PC機(jī)通過(guò)C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的繪制、動(dòng)態(tài)顯示、查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄。同時(shí),在手機(jī)端有APP,學(xué)校宿舍管理人員可以通過(guò)訪問APP實(shí)現(xiàn)查詢與遠(yuǎn)程控制,當(dāng)學(xué)生使用違規(guī)用電器時(shí),宿舍管理人員可以通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)寢室斷電。
    3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
          系統(tǒng)上電后,進(jìn)行各端口初始化,搜索并加入網(wǎng)絡(luò),定時(shí)讀取寢室用電信息,將用電信息保存并上傳,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理;若存在安全隱患或使用違規(guī)用電器,則發(fā)送報(bào)警信號(hào)并做出相應(yīng)的響應(yīng);若無(wú)安全隱患,則繼續(xù)讀取用電信息并上傳至云端。循環(huán)此過(guò)程。系統(tǒng)程序流程圖如圖3-5所示。
    圖3-5系統(tǒng)程序流程圖
    4系統(tǒng)測(cè)試
          選取不同類型的負(fù)載如燈泡、電吹風(fēng),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(fēng)模擬違規(guī)用電器,每個(gè)用電器測(cè)試十次。
    負(fù)載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測(cè)試數(shù)據(jù),見表4-1;負(fù)載是燈泡時(shí)電壓的測(cè)試數(shù)據(jù),見表4-2;負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電流測(cè)試數(shù)據(jù),見表4-3;負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電壓測(cè)試數(shù)據(jù),見表4-4。
    表4-1負(fù)載是燈泡時(shí)的電流與電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)
    表4-2負(fù)載是燈泡時(shí)電壓的測(cè)試數(shù)據(jù)
    表4-3負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電流測(cè)試據(jù)
    表4-4負(fù)載是吹風(fēng)機(jī)時(shí)的電壓測(cè)試據(jù)
          當(dāng)電路中接入電燈泡時(shí),燈泡正常工作,實(shí)時(shí)顯示電壓值、電流值以及電功率曲線,在電腦界面無(wú)報(bào)警信息,可以用手機(jī)通過(guò)校園網(wǎng)訪問系統(tǒng),查看用電信息。
          當(dāng)電路接入電吹風(fēng)時(shí),系統(tǒng)檢測(cè)到此負(fù)載為違規(guī)用電器,在電腦界面彈出報(bào)警框,同時(shí)自動(dòng)斷開電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線,圖4-2為智能用監(jiān)檢測(cè)器實(shí)物圖。
    圖4-1燈泡電功率變化曲線
    圖4-2智能用電檢測(cè)器實(shí)物圖
    5安科瑞安全用電云平臺(tái)功能介紹及選型
    5.1安科瑞安全用電云平臺(tái)介紹
          Acrelcloud-6000安全用電云管理系統(tǒng)能夠?qū)κS嚯娏鳌⒃O(shè)備溫度、故障電弧等電氣故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警、記錄,并且通過(guò)云端的遠(yuǎn)程控制。設(shè)備與云端的通訊方向不受限制,能上傳數(shù)據(jù)、透?jìng)髦噶?,并時(shí)間顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)上傳至云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為用戶提供火災(zāi)隱患的相關(guān)數(shù)據(jù),能夠及早的發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)施排查,避免火災(zāi)的發(fā)生。另一方面,云平臺(tái)提供大容量的信息儲(chǔ)存及穩(wěn)定的服務(wù),提升了服務(wù)質(zhì)量,對(duì)用戶的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。此外,該系統(tǒng)通過(guò)集中監(jiān)控,使得數(shù)據(jù)通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端集中式管理和監(jiān)控,主控端布置于城市消防大隊(duì),從而能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。
    平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖
    具體功能如下:
    (1)安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)包含安全用電管理云平臺(tái)、電腦終端顯示系統(tǒng)、手機(jī)APP、漏電探測(cè)器、漏電互感器、電流互感器等。
    (2)安全用電監(jiān)管服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化曲線、歷史數(shù)據(jù)與變化曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)據(jù)等,能實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)次數(shù)、排除隱患數(shù)、未排除隱患數(shù)、報(bào)警未處理數(shù)、常規(guī)巡檢及產(chǎn)品維護(hù)等數(shù)據(jù),監(jiān)管數(shù)據(jù)能保存十年以上。
    (3)手機(jī)APP軟件同時(shí)具有IOS版本和安卓版本,能通過(guò)手機(jī)APP對(duì)每條報(bào)警記錄進(jìn)行呼叫,便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
    (4)能對(duì)各個(gè)單位及設(shè)備的電氣安全運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析評(píng)估,并隨時(shí)展示電氣安全運(yùn)行分析報(bào)告。
    (5)監(jiān)控探測(cè)終端產(chǎn)品滿足國(guó)家法律法規(guī)和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB14287.2《剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》和GB14287.3《測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器》)的要求,并通過(guò)國(guó)家消防產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)中心提供的消防3C認(rèn)證。

    (6)漏電探測(cè)器能同時(shí)探測(cè)剩余電流、四路溫度、三相電流等參數(shù)值,并能通過(guò)無(wú)線以移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)接入安全用電監(jiān)管系統(tǒng)平臺(tái)。

    5.2產(chǎn)品選型
    5.2.1漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器
    5.2.2故障電弧探測(cè)器
          安科瑞故障電弧產(chǎn)品型號(hào)代碼為AAFD,共有兩種電流等級(jí),可監(jiān)測(cè)回路故障電弧的發(fā)生,并及時(shí)預(yù)警,提醒用戶處理,防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
    AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái),該產(chǎn)品不可在同一臺(tái)AF-GSM400下與ARCM混接。如圖:
    5.2.3限流式保護(hù)器
          安科瑞限流式保護(hù)器型號(hào)代碼為ASCP200-1,有三種電流等級(jí),可監(jiān)測(cè)回路短路過(guò)載等故障信息,發(fā)生故障時(shí)預(yù)警和產(chǎn)生滅弧效果,防止電弧導(dǎo)致的火災(zāi)的發(fā)生。
    ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺(tái),也能夠通過(guò)插入SIM卡直接上傳到平臺(tái)。
    以下是ASCP200-1的主要功能:
    短路保護(hù)功能。保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線路電流,當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí),能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)限流保護(hù),并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
    過(guò)載保護(hù)功能。當(dāng)被保護(hù)線路的電流過(guò)載且過(guò)載持續(xù)時(shí)間過(guò)動(dòng)作時(shí)間(3…60秒可設(shè))時(shí),保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù),并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
    表內(nèi)溫保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí),保護(hù)器啟動(dòng)溫限流保護(hù),并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。
    過(guò)、欠壓保護(hù)功能。當(dāng)保護(hù)器檢測(cè)到線路電壓過(guò)壓或欠壓時(shí),保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
    配電線纜溫度監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)線纜溫度過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí),保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
    漏電流監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的線路漏電過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí),保護(hù)器發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),可預(yù)先設(shè)置是否啟動(dòng)限流保護(hù)。
    保護(hù)器具有1路RS485接口,1路2G無(wú)線通訊,可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
    5.2.4剩余電流互感器
    5.2.5AF-GSM400-2G/4G無(wú)線上傳模塊
          AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無(wú)線模塊,該無(wú)線模塊為安全用電云平臺(tái)**模塊。
    AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月,單個(gè)模塊可以接入30塊儀表。默認(rèn)上傳間隔2分鐘,如發(fā)生報(bào)警,會(huì)實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。
    5.2.6溫度傳感器

          溫度傳感器為一熱敏電阻NTC,它提供0-120°的溫度監(jiān)控基準(zhǔn),可以用來(lái)監(jiān)測(cè)線纜或配電箱體的溫度,提供溫度保護(hù)。


    6結(jié)束語(yǔ)
          本文開發(fā)了一種基服務(wù)的智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別從硬件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分進(jìn)行了介紹,實(shí)現(xiàn)了電量的檢測(cè)和可靠預(yù)警。系統(tǒng)選用樹莓派作為主控制中心,有很高的精度和可靠性,可實(shí)現(xiàn)電器的啟停、電路過(guò)載報(bào)警、電量數(shù)據(jù)上傳等功能,UI設(shè)計(jì)安排合理,便于用戶的學(xué)習(xí)和操作。當(dāng)出現(xiàn)安全隱患時(shí),系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警,同時(shí)學(xué)校后勤管理部門與寢室樓層管理人員會(huì)收到報(bào)警信息,從而采取相應(yīng)措施,以智能化的方式解決用電的安全隱患。該系統(tǒng)可應(yīng)用于學(xué)校的安全用電管理,滿足學(xué)校后勤部門對(duì)校園安全的管理需求。
    參考文獻(xiàn):
    [1]田 穎,劉 輝,李琳娜 .智慧校園安全用電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    [2]安科瑞安全用電管理云平臺(tái)手冊(cè).2020.02版
    [3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

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