陈丹 郭艺伟

(1．泉州师范学院 数学与计算机科学学院，福建泉州 362000;2．福建省大数据管理新技术与知识工程重点实验室，福建泉州 362000;3．智能计算与信息处理福建省高等学校重点实验室，福建泉州 362000)

目前，市面上有一种测量用电器功率的产品，当电器用电超过规定功率时可以切断电源，实现断电保护，却不能把宿舍违规用电通知宿舍管理员，也不能记录违规情况，不便于管理人员掌握各宿舍的用电情况。目前集体宿舍的灯光控制都是采用在交流电布线时，设置总的电源开关，到了夜晚规定时间用人工的方式将整座楼或整层楼的宿舍灯和用电器同时关闭，不能区分路灯和卫生间灯，不能为有特殊需要的宿舍保留用电权利，不能定制自动定时开关宿舍电源。现有的集体宿舍用电管理方式落后，灵活性差。大多数较早年兴建的集体宿舍都没有防盗报警装置，如要加装这些装置成本较高。系统将每一个宿舍的分机接入Zigbee网络，进而接入到手机网，对宿舍的用电、防盗进行集中管理，具有远程防盗报警，远程监控各宿舍用电情况，可远程控制电源等的功能。这降低了原来旧宿舍楼宇供电系统改造成本，不需要安装新的有线的通信线路和改变原有的供电系统。

图1 系统框图

1 系统功能与组成

系统由安装在宿舍楼的主机和各宿舍的分机组成，通过无线通信网将宿舍分机与主机连接，系统框图如图1所示。主机安装在宿舍楼内，由一台计算机和相应的电路组成，主要负责分机数据的接收和存储、控制命令的发送、与手机远程通信。宿舍分机负责实时检测宿舍的用电是否违规，防盗传感器是否异常，如有用电违规情况可自行切断电源并通过无线网络向主机发出报警信号。

1.1 系统主机

当防盗传感器检测到异常情况时，将自动启动报警装置，并通过无线网络向主机发出报警信号，主机可根据用户在软件界面上的设定判断是否实施远程报警，主机中的数据库将记录每一次的异常情况。管理人员可以通过主机上的软件设定各宿舍夜晚的电源与照明灯的关闭时间及早上的开启时间。实现各宿舍夜晚电源的关闭和开启的时间专门定制，以满足不同宿舍成员的不同需要。主机也可以关闭夜晚对某宿舍电源与灯光的控制功能，而由各宿舍人员通过分机面板按键的操作设定关闭和开启电源的时间。主机的组成框图如图2所示。

主机是一台计算机，通过其USB口 (串行口)与Zigbee无线模块及GSM手机通信模块相连。主机上运行宿舍管理系统的软件，负责管理和记录宿舍用电和防盗信息，根据管理的设定自动通过手机网络向手机发报警信息，也可接收手机发来的控制信息［1－2］。宿舍管理软件的流程图如图3所示。

图2 系统主机组成框图

图3 宿舍管理软件框图

软件由6个部分组成。宿舍管理模块记录宿舍主要信息如宿舍楼号、编号、电话，学生管理模块记录学生个人信息如学号、联系方式等。用电信息模块负责记录各个宿舍的用电情况及防盗信息。数据备份模块负责将系统中的所有数据进行备份或还原。系统锁定模块主要是考虑当管理员离开时，防止不相关人员误操作或关闭系统而设定的功能，以上各个模块管理员均具有增加、修改、删除、查询等权限。

1.2 系统分机

系统的分机有多个控制和检测电路组成，分机框图如图4示，主要功能是通过霍尔感应电流检测芯片和A/D转换电路实时检测宿舍内的用电情况，当宿舍出现使用大功率电器的情况时，控制继电器关闭电源;在分机的防盗设防开启的情况下，使用人体红外传感器检测宿舍无人时，是否有人非法进入，可用蜂鸣器报警，用无线通信网络向主机及手机远程报警，并由主机记录报警数据，远程报警功能可在主机的软件界面上开启或关闭［3］;时钟模块为宿舍分机系统提供秒分时日月年等信息，用分机上提供的按键可以调整时间，设定灯光的开启和关闭时间，分机面板上的液晶显示用于显示时间、操作信息、状态信息等。分机与主机之间由无线模块实现无线通信［4－5］。

图4 分机框图

1.2.1 系统的无线通信

系统的主要特点是利用无线通信网络将楼内的每一间宿舍分机与系统主机连接成一个网络，实现对各宿舍情况的集中管理和控制。系统的无线通信网络由DRF1605H系列的Zigbee无线通讯模块构成。DRF1605H是运行Zigbee2007协议的Zigbee模块，具有Zigbee协议的全部特点和可靠串口数据透明传输功能。在Zigbe网络中通常包括中心协调器 (Coordinator)、路由器 (Router)两种形态的节点。Zigbee无线模块上电后能自动组网，Coordinator节点自动给所有Route节点分配地址，Coordinator节点从串口接收到的数据也会自动发送给所有的Router节点，某个节点从串口接收到的数据也会自动发送给Coordinator节点。该模块可通过串口指令配置数据传输格式、节点类型、无线电频道及自定义地址寻址。实现 RS232 设备联网功能［6－7］。

无线通信模块与分机模块的单片机串行口或主机的USB口相连接，发送数据方的单片机将检测到的传感器数据或主机将要发给分机的命令通过串行口传送到无线通信模块。接收数据方的无线模块接收到的信息后，通过串行口送到单片机或主机，再由单片机或主机根据收到的信息做出判断，决定下一步的操作［6－7］。

由于DRF1650H的工作电压为3.3V，采用的是工作电压为5V的单片机，它的串行口与单片机连接时要加电平转换电路，无线模块与单片机连接图如图5所示。

图5 无线模块与单片机连接图

1.2.2 电流检测单元

系统的电流检测模块使用ACS712ELCTR－05B霍尔感应电流检测芯片。经该芯片检测供电线路上的电流值，再由A/D转换器转为数字量，送到单片机中进行处理，如图6所示。

A/D转换采用PCF8591，是一种8位的A/D转换芯片，用I2C总线与单片机通信，如图6所示。单片机实时采集A/D转换的数据，处理运算后，再判断电流值是否超规定值。

图6 电流检测模块、A/D转换模块与单片机连接电路

1.2.3 继电器模块

继电器模块采用4个继电器实现交流电源的切换，每一个继电器由线圈和触点组成，如图7所示，通过宿舍分机上的单片机，控制继电器线圈的得电与失电，进而控制继电器的触点断开与闭合。继电器1的触点1(总开关)用于断开宿舍供电总成，用继电器2的触点2控制照明，触点3和4控制电源插座，电源插座上的用电器总功率不能超过规定的数值，如果电流超标则切断插座的电源［8－9］。

(由于本文的篇幅有限，有关管理软件和分机的控制面板的按键、液晶显示、时钟部分没有做详细的介绍。)

图7 继电器控制电路图

2 结语

通过多次的反复实验，宿舍用电管理系统终于完美地将无线网络通信技术、传感器技术、计算机控制技术、数据库管理技术和手机网络通信技术。该系统是物联网技术运用的实例之一，它为集体宿舍的智能化集中管理提供了一个实用可行的解决方案。随着人们对集体宿舍的管理要求的提高，对该类系统的需求将会日益增加，同时对系统的多功能性及可靠性也提出了更高的要求，因此需要不断地对系统进行优化升级 (如无线通信的安全性是就需要重点改进)。

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