關于智慧校園安全用電監測 系統的設計
瀏覽次數：890更新時間：2021-10-14
劉丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
0引言
??人生人身安全是大家關注的話題，2019年12月中國消防統計近五年發生在全國學生宿舍的火災2314起（中國消防2019.12.應急管理部消防救援局*微博），違規電器是引發火災的主因。如果在各寢室安裝智能用電監測器實時監督線路參數，將用電參數以數字或圖像顯示，學生若使用違規用電器，系統能自動識并切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學生使用違規用電器的信息，將是對火災的預防。本文設計了智慧校園安全用電監測系統，通過信息化方式實現校園內各類資源集成、整合和優化。系統監測器以樹莓派為核心，定時將采集的用電信息上傳至云端存儲與備份，完成數據分析、能耗管理、過載報警等功能；可遠程監控，宿舍管理者用手機通過校園網可訪問該系統，掌握學生用電情況做出應答。
??根據中國消防統計的近五年的2314起全國學生宿舍火災，使用違規用電器是引發學生宿舍火災的主要因素，所以，加強學校消防安全工作，對預防和減少校園火災的發生具有十分重要的意義。現有的限制學生用電的方式是在電路中接入保險絲或者空氣開關，當用電超過負荷時斷電，此種方法設置簡單，但是無法對電氣事故進行詳細分析。本系統針對以上問題，應用物聯網和云平臺技術，對學校用電情況進行智能化分析監控，在每間寢室安裝智能用電監測器，并將用電參數以直觀的數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，當學生使用違規用電器時，系統能自動識別違規負載并切斷學生所用電源，同時，宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規用負載類型和學生寢室號的消息并做出處理，沒收學生使用的違規用電器，這將是對電氣火災的預防。
1智慧校園安全用電監測系統方案
??引起校園電器火災隱患的原因主要有過負荷火災、短路火災和漏電火災三種方式。本系統應用物聯網和云平臺技術對學校用電情況進行分析監控，地預防火災的發生。
圖1-1智慧校園安全用電監測系統總體架構
??圖1-1為系統的總體架構，系統在工作時，每個房間的智能用電檢測器定時讀取宿舍的用電數據。每層樓上安放一個寢室樓層監視器，方便宿舍管理員發現用電問題。學校控制中心則將寢室的用電信息匯總。
??寢室智能用電智能監測器將數據上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監視器，隨后，寢室樓層監視器再將數據上傳至云端存儲并做大數據分析。校園控制中心可以直接訪問云端獲取用電數據，也可以通過寢室樓層監視器獲取用電數據。
2智慧校園安全用電監測系統的應用技術
2.1云服務平臺
??由移動網和互聯網構建云服務器平臺。將系統采集到的用電數據通過移動網技術上傳至云服務器上，進行存儲與云計算。云服務平臺可以將反映電氣狀態的實時數據上傳至學校用電管理人員的電腦屏幕和手機端，同時，校園控制中心和寢室管理員可以用手機通過校園網查詢學生用電信息。掌握學生用電情況，如有安全問題，可以及時作出應急措施。
2.2大數據分析
??依據學校正常用電數據，設置報警和違規負載類型參數的標準值，收集用電參數，將收集到的數據通過加工、整理和分析后轉化為所需信息，進而分析出學校存在的不合理的用電點。
2.3安全隱患預警
??通過大數據分析，可以自動識別電器的安全隱患及負載類型，建立隱患識別系統。系統根據學校各用電設備的閾值進行報警。當學生使用違規用電器時，通過分析可以得出此違規負載的類型及具體的學生寢室房間號，同時，學生寢室會斷電，學校后勤人員從而采取相應措施。
3智慧校園安全用電監測系統軟硬件設計
3.1系統硬件設計
??寢室智能用電監測器用來監控寢室用電信息、進行無線通訊和執行命令的操作，其總體設計框圖如圖3-1所示。包括采集模塊、報警模塊、繼電器模塊和控制模塊。
圖3-1寢室智能用電監測器的總體框圖
采集模塊：
??系統采用IM1277單相互感式電能質量檢測儀采集電量信息，能夠完成電能測量、采集及傳輸，準確高精度地測量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電參數。采集模塊的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經過電壓互感器和電流互感器處理，變為較小的電流信號并通過電路傳到電能計量芯片，將模擬信號轉換為數字信號，然后通過串口送入樹莓派控制中心。
圖3-2電量采集電路
報警模塊：
??系統采用消息推送的方式實現報警功能，將主控制器與報警模塊相連，當電路中接入違規用電器時，負載總功率會增大，控制系統檢測到這一信號后，立刻控制報警模塊報警并跳閘，同時，系統會記錄下跳閘時間、房間號和負載類型。
繼電器模塊：
??交流繼電器模塊則通過小電流的交流中間繼電器通過傳遞控制信號實現對大電流繼電器的控制。當電路中接入違規負載時，在控制系統的“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：
??樹莓派作為系統的控制中心，可安裝操作系統并可以直接將所寫的編程運行，卡片主板周圍有USB接口和以太網接口。樹莓派控制所采集的內容以及電路的狀態，將采集到的用電數據進行處理和保存并上傳至云端，當經過數據分析后得出學生使用違規用電器的信息時，樹莓派控制電路斷開。
圖3-4樹莓派實物圖
數據顯示模塊與遠程控制：
??PC機通過C語言程序實現數據節點的繪制、動態顯示、查詢歷史數據和報警記錄。同時，在手機端有APP，學校宿舍管理人員可以通過訪問APP實現查詢與遠程控制，當學生使用違規用電器時，宿舍管理人員可以通過手機APP實現寢室斷電。
3.2系統軟件設計
??系統上電后，進行各端口初始化，搜索并加入網絡，定時讀取寢室用電信息，將用電信息保存并上傳，進行數據分析處理；若存在安全隱患或使用違規用電器，則發送報警信號并做出相應的響應；若無安全隱患，則繼續讀取用電信息并上傳至云端。循環此過程。系統程序流程圖如圖3-5所示。
圖3-5系統程序流程圖
4系統測試
??選取不同類型的負載如燈泡、電吹風，分別接入電路中，模擬寢室用電情況，燈泡模擬正常用電器，電吹風模擬違規用電器，每個用電器測試十次。
??負載是燈泡時的電流與電壓的測試數據，見表4-1；負載是燈泡時電壓的測試數據，見表4-2；負載是吹風機時的電流測試數據，見表4-3；負載是吹風機時的電壓測試數據，見表4-4。
表4-1負載是燈泡時的電流與電壓的測試數據
表4-2負載是燈泡時電壓的測試數據
表4-3負載是吹風機時的電流測試據
表4-4負載是吹風機時的電壓測試據
??當電路中接入電燈泡時，燈泡正常工作，實時顯示電壓值、電流值以及電功率曲線，在電腦界面無報警信息，可以用手機通過校園網訪問系統，查看用電信息。
??當電路接入電吹風時，系統檢測到此負載為違規用電器，在電腦界面彈出報警框，同時自動斷開電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線，圖4-2為智能用監檢測器實物圖。
圖4-1燈泡電功率變化曲線
圖4-2智能用電檢測器實物圖
5安科瑞安全用電云平臺功能介紹及選型
5.1安科瑞安全用電云平臺介紹
??Acrelcloud-6000安全用電云管理系統能夠對剩余電流、設備溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，并且通過云端的遠程控制。設備與云端的通訊方向不受限制，能上傳數據、透傳指令，并時間顯示實時狀態。通過對上傳至云端的數據進行分析，為用戶提供火災隱患的相關數據，能夠及早的發現問題并實施排查，避免火災的發生。另一方面，云平臺提供超大容量的信息儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對用戶的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統通過集中監控，使得數據通過每個節點的4G網絡傳輸至云端集中式管理和監控，主控端布置于城市消防大隊，從而能夠對采集的信息進行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
??（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理云平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
??（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩余電流、溫度、電流等電氣安全參數的實時監測數據及變化曲線、歷史數據與變化曲線、實時報警數據等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等數據，監管數據能保存十年以上。
??（3）手機APP軟件同時具有IOS版本和安卓版本，能通過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便于緊急情況下能盡快通知用電單位。
??（4）能對各個單位及設備的電氣安全運行情況進行自動統計和分析評估，并隨時展示電氣安全運行分析報告。
??（5）監控探測終端產品滿足法律法規和有關技術標準（GB14287.2《剩余電流式電氣火災監控探測器》和GB14287.3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，并通過消防產品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
??（6）漏電探測器能同時探測剩余電流、四路溫度、三相電流等參數值，并能通過無線以移動通訊網絡接入安全用電監管系統平臺。
5.2產品選型
5.2.1漏電火災監控探測器
5.2.2故障電弧探測器
??安科瑞故障電弧產品型號代碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測回路故障電弧的發生，并及時預警，提醒用戶處理，防止電弧導致的火災的發生。
??AAFD可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5.2.3限流式保護器
??安科瑞限流式保護器型號代碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測回路短路過載等故障信息，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
??ASCP200-1可配合AF-GSM400使用并接入安全用電平臺，也能夠通過插入SIM卡直接上傳到平臺。
??以下是ASCP200-1的主要功能：
??短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，并發出聲光報警信號。
??過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，并發出聲光報警信號。
??表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，并發出聲光報警信號。
??過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
??配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
??漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警信號，可預先設置是否啟動限流保護。
??保護器具有1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到后臺監控系統，實現遠程監控。
5.2.4剩余電流互感器
5.2.5AF-GSM400-2G/4G無線上傳模塊
??AF-GSM400-2G/4G/CE模塊是一款2G/4G有線無線模塊，該無線模塊為安全用電云平臺專用模塊。
??AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模塊可以接入30塊儀表。默認上傳間隔2分鐘，如發生報警，會實時上傳數據。
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°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
6結束語
??本文開發了一種基服務的智慧校園安全用電監測系統，分別從硬件平臺和軟件設計兩個部分進行了介紹，實現了電量的精確檢測和可靠預警。系統選用樹莓派作為主控制中心，有很高的精度和可靠性，可實現電器的啟停、電路過載報警、電量數據上傳等功能，UI設計安排合理，便于用戶的學習和操作。當出現安全隱患時，系統發出報警，同時學校后勤管理部門與寢室樓層管理人員會收到報警信息，從而采取相應措施，以智能化的方式解決用電的安全隱患。該系統可應用于學校的安全用電管理，滿足學校后勤部門對校園安全的管理需求。
參考文獻：
[1]田 穎，劉 輝，李琳娜 .智慧校園安全用電監測系統的設計
[2]安科瑞安全用電管理云平臺手冊.2020.02版
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
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