学校智能用电管理系统研发

李嘉鸿

【摘 要】以低碳照明、节能减排、智能用电管理为目标，研发智能插座、用电采集器、互动终端、智能用电管理平台，以计算机网络为基础通信，实现对学校公共照明和宿舍用电的实时监控、用电信息的集中采集、分析和管理，提高学校用电管理水平和节约电能水平。

【关键词】互动终端；RS485；G24

0 引言

按照国家电网的发展规划，2009年、2010年为智能电网的“规划试点阶段”，主要工作是制定规划和相关标准。2011年至2015年，则是智能电网计划的“全面建设阶段”，这一阶段的投资金额接近2万亿元。

国家电网公司计划在2015年前，智能电表覆盖率达到80%，2020年全面覆盖。智能电表的推广应用将催生智能用电服务等产业的发展。

学校智能用电管理系统将在提高学校用电节能和安全用电管理水平发挥重要作用。

1 研发目的和意义及创新和突破点

1.1 利用计算机网络通信，降低项目建设、运维成本

目前学校的计算机网络有线RJ45或无线WI-FI连接基本实现全覆盖。利用计算机网络通信，具有现有物理链路、易维护、易推广、易使用、低成本等优点。

1.2 低碳照明，实现节能减排

学校的公共场所公共照明用电都是开放式的，没有明确的用电责任造成用电的极大浪费，不符合国家正积极倡导的创建节约型校园的政策。

采用光监控和推广LED等节能、绿色的新材料、新产品对节能减排和延长灯具寿命起着积极作用。但光监控的整体响应限制节能水平，智能用电管理平台的集中监控和移动监控，可以对公共照明用电进行实时、针对性的监控，降低劳动强度和维护成本、提高工作效率和照明质量。

1.3 提高基础设施的复用度，实现用电信息的集中采集

智能电网以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节。智能电表是由测量、数据处理、通信等单元组成，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监控、自动控制、信息互动等功能的电能表。智能电表作为智能电网的重要组成部分，为实时采集用户用电信息提供基础数据。充分利用智能电表功能，在不增加成本的情况下，能从智能电表采集到用电设备的实时用电量。取代传统的人工抄表，节省了人力、财力，大大提高了用电管理的自动化程度，同时通过对用电数据进行分析、诊断，帮助学校了解用电设备的能耗情况和异常用电分析，提高用户的节能减排水平，同时消除学校用电安全隐患。

1.4 系统创新及突破点

①项目通信协议支持嵌入指令，提高受控设备接入的方便性，降低系统通信网络流量；

②采用手机通信，实现移动控制，使项目更具先进性、实用性；

③实现具有自主知识产权的应用系统；

④项目嵌入指令的设计，提高数据传输的经济性和可靠性。

2 主要研发内容及拟解决的关键技术

本项目以电力线载波通信技术为核心，以“低碳照明、节能减排、智能用电管理”为目标，研发通信协议、智能插座、用电采集器、互动终端、智能用电管理平台于一体的学校智能用电管理系统。系统设计框架图如下（图1）：

2.1 主要研发内容

其核心研发内容主要集中下面三个方面：

2.1.1 研制项目设备

（1）根据面向对象“抽象、封装”设计原则，研制WI-FI通信模块、无线G24、通信模块、电源模块、软开关控制模块、硬开关控制模块等系统设备的通用模块。

（2）研制集WI-FI通信模块、通过RS485通信采集电表用电信息的采集器。

（3）研制集WI-FI通信模块、无线G24通信模块的互动终端。

（4） 研制集无线G24通信模块或WI-FI通信模块、软开关控制模块、红外线控制的智能插座。

（5）研制集无线G24通信模块或WI-FI通信模块、硬开关控制模块的智能插座。

2.1.2 研究系统组网技术方案

（1）设计系统通信协议，提高系统数据传输的经济性和安全性，降低对计算机网络的影响程度；支持各种型号的空调、投影仪、电表的控制指令的透明嵌入，提高系统应用的适应性。

（2）开发智能手机操作软件，实现移动互动、控制和报警信息的短信通知，提高故障响应能力、系统运行质量和实用性，降低系统运维成本。

（3）通过计算机网络把系统设备、智能手机、管理平台连接起来，形成一个无需重新布线的系统通信网络。

2.1.3 开发用电管理平台

构建智能用电管理平台，实现对学校用电信息采集、用电安全、用电设备进行集中管理和控制。

2.2 拟解决关键技术

2.2.1 不同电表的用电采集指令不同，目前大部分指令为DL/T 645和MODBUS RTU厂家协议指令，不同型号电表的数据存储地址各不相同，如何把不同指令嵌入到项目通信协议，是解决项目设备适应性的关键技术。

2.2.2 不同型号的空调、投影仪的控制指令各不相同，如何把不同指令通过项目设备传递到对应设备，是项目需解决的另一个关键技术。

3 采用的研究方法、技术路线以及工艺流程

3.1 系统采用的研究方法

本系统将采用多专业、多学科人员相结合、学校科研单位与生产企业相结合的方式，以市场需要为基础，以学校需求为导向，依据最新政策、法律、法规、条例和规范进行研发。

从“学校低碳照明、节能减排、智能用电管理”的项目建设目标出发，应用可扩展到其它信息服务、智能控制所需求的行业，如：水表、煤气表集中抄表、城市道路照明智能管理、智能家居等应用领域。

3.2 技术路线

本系统在借鉴和研究国内外现有产品的基础上，利用已有的研究基础，根据市场需求，开发样品。经过测试，试运行，市场拓展，从而实现产业化。系统研发过程以嵌入指令、学习指令为技术重点，对项目设备电路设计以“实验、测试样品、电路优化、样品制作、模具设计，先通用后专用”的流程进行；软件按“需求分析、总体设计、详细设计、程序开发、测试、试运行”的开发步骤进行。

系统通信协议设计技术方案：

系统通信协议为半双工问答式连接。请求方发送包含地址的指令，应答方识别请求方发来的指令，决定产生何种行动。如需回应，应答方将生成反馈信息并用系统通信协议发出。

数据帧是传送信息的基本单元，每帧由开始标识，目标地址、源地址、数据帧序号、数据帧识别码、指令识别码、数据长度、地址域长度、数据域【前导数据域】+地址域+【后续数据域】、校验码CS和结束标识组成。帧格式如表1所示：

①开始标识（1字节）：标识一帧信息的开始，其值为68H=01101000B=104D。

②目标地址（1字节）：表示需要接收数据帧的目标节点地址。

③源地址（1字节）：表示发送数据帧的节点地址。

④数据帧序号（1字节）：发送方从01H～FFH自行循环编号，应答方不能修改该编码，保证数据帧的完整和指令不被重复执行。

⑤数据帧识别码（1字节）（表2）：

数据帧识别码高4位为完整数据帧数量，表示构成完整帧的数量，数据帧识别码高4位D7 D6 D5 D4 = 1111表示完整数据帧必须由16个数据帧合成；数据帧识别码高4位D7 D6 D5 D4 = 0001，表示为单帧。数据帧识别码低4位 D3 D2 D1 D0为数据帧内序号，作用于完整数据帧的拆分和合成。

⑥指令识别码（1字节）（表3）：

指令识别码D7为保留，暂未定义；标识1 D6 = 0表示数据帧为本地指令，D6 = 1表示数据帧为嵌入指令；标识2 D5 = 0表示数据帧为请求指令，D5 = 1表示数据帧为应答结果；标识3 D4 = 0表示指令必须反馈，D4 = 1表示指令不需反馈；指令识别码低4位D3D2D1D0 为指令码。

应用实例1：如本项目约定指令码=1000，表示保存第一条操作指令在本节点，该操作指令的实际作用是开启某型号的空调，指令码=1100，表示读取存储在本节点的第一条操作指令。本系统约定节点最多可以保存8条操作指令，如指令码=1011，表示保存第8条操作指令在节点，该操作指令可能是关闭某型号的投影仪，指令码=1111，表示读取存储在节点的第8条操作指令。存取操作指令在节点，其目的在于初始化时，在节点保存操作指令，实现嵌入式指令保存在节点，运行时直接从节点读取操作指令，降低数据帧的传输长度，提高项目操作指令传输的经济性和可靠性。其它指令码约定由开发人员根据系统功能需求进行详细约定。

⑦数据长度（1字节）：数据长度的高4位D7 D6 D5 D4 表示数据域的前导数据域的数据长度L1，数据长度的低4位D3 D2 D1 D0表示数据域的后续数据域的数据长度L3。

⑧地址域长度（1字节）：表示数据域的地址域的数据长度L2。

⑨数据域（可变长）：长度= L=L1+L2+L3。数据域作用于传输结果和操作指令，因为地址编码存在于操作指令的任意位置，把数据域分为【前导数据域】+地址域+【后续数据域】三部分，使同一型号的相同操作可以共享同一操作指令，降低项目操作指令数量。

数据帧为本地指令时，地址域为全零时表示执行指令的节点为本地节点；不为零时表示执行指令的为本地节点所管理的下级节点或子控制单元。数据（L-1字节），为有效数据或实际操作指令。

数据帧为嵌入指令时，目标地址节点向节点的分支总线（如用电采集器与电表连接的RS485总线）转发数据域（【前导数据域】+地址域+【后续数据域】）的完整数据。

应用实例2：指令"10916202803032391608907856341200010243"是采集电表号为"3032391608"昨天的用电量，要完成这项功能有两条途径：

途径1：请求方编制指令识别码为"00001001"=09H，表示保存第二条操作指令在目标节点；数据长度"01011001"=59H，表示数据域的前导数据长度为L1=5字节，后续数据长度L3=9字节；地址域长度 "00000101"=05H，表示数据域的地址域长度L3=5字节；数据域的前导数据、地址域、后续数据分别为"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目标节点接收到该数据帧后，把前导数据和后续数据保存在节点的永久存储空间。该操作指令成功执行过一次后，请求方编制指令识别码为"01011101"=5DH，地址域数据可以是 "3032391608"或其它有效电表编号，不需前导数据和后续数据，节点接收到该数据帧后，读取存储在本节点的第二条操作指令，合成前导数据+地址域+后续数据的完整操作指令后，向分支总线发送指令，读取总线反馈数据后，编制反馈操作结果给请求方。

途径2：请求方编制指令识别码为"01010001"=51H（0001假设为读取电表数据指令码）；数据长度"01011001"=59H，表示数据域的前导数据长度为L1=5字节，后续数据长度L3=9字节；地址域长度 "00000101"=05H，表示数据域的地址域长度L3=5字节；数据域的前导数据、地址域、后续数据分别为"1091620280"、"3032391608"、 "907856341200010243" 。目标节点接收到该数据帧后，合成前导数据+地址域+后续数据的完整操作指令后，向分支总线发送指令，读取总线反馈数据后，编制反馈操作结果给请求方。

与途径2比较，途径1使同一型号的相同操作可以共享同一操作指令，降低项目数据帧的总长度，提高操作指令传输的经济性和可靠性。

⑩校验码CS（1字节）：累加从数据帧的开始标识到校验码的各字节，求累加值除以256 的余数，余数就是效验码。即各字节二进制算术和，不计超过256 的溢出值。

{11}结束标识（1字节）：标识一帧信息的结束，其值为16H=00010110B=22D

利用系统通信协议的数据帧识别码，保证数据帧的完整和嵌入指令的可识别，实现不同指令的规范化嵌入系统通信协议。提高系统的适应性和实施方便性，降低系统维护成本和工作量。

3.3 研制系统设备

系统设备以电路模块化设计、部件拼接方式进行研制，降低系统投资成本，增强项目的可扩展性和可维护性。通用模块部件包括WI-FI通信模块、无线G24通信模块、电源模块、软开关控制模块、硬开关控制模块等，其中电源模块可以应用到系统设备智能插座、用电采集器、互动终端。

3.3.1 互动终端设计

必要模块包括WI-FI通信模块和电源模块，WI-FI通信模块作用于通过计算机网络，实现系统设备接入系统网络。互动终端必须设计有存储操作指令的永久存储控制。

如果互动终端管辖的智能插座数量较少，可以把软开关控制模块、硬开关控制模块集成到互动终端中，减去互动终端与智能插座之间的无线G24通信模块。

如果互动终端管辖的智能插座数量较多，必须集成无线G24通信模块，便于智能插座的安装。

3.3.2 用电采集器设计

必要模块包括WI-FI通信模块和电源模块，通过RS485通信采集电表用电信息的采集器，存储操作指令的永久存储控制。

为提高用电安全水平，可以增加硬开关控制模块，作用于对电表输出电源的控制。

3.3.3 智能插座设计

必要模块包括无线G24通信模块和电源模块，G24通信模块作用于与互动终端通信。智能插座解释互动终端下达的指令，直接通过硬开关控制模块控制电源或上报设备用电状态；通过软开关控制模块向用电设备发送开启或关闭设备，如指令为开启指令，模块必须检测设备处于通道状态，所以可以集成硬开关控制模块，先通过指令控制设备通电，再向用电设备发送开启指令。为了保护用电设备如投影仪，关闭时先向用电设备发送关闭指令，再通过指令控制设备断电。

3.3.4 操作指令采集器设计

操作指令采集器具有学习、采集不同设备、不同型号控制指令的功能。对实际应用中的设备控制指令进行采集，通过RS232、蓝牙、或WI-FI通信模块与管理平台通信，为系统提供操作指令基础数据。电表采集指令可以直接通过电脑录入系统。

3.4 配套手机软件

开发用电管理APP软件，通过智能手机实现移动控制和远程监控。

建立管理平台，是为了能够更方便、简洁地控制设备、降低网络流量，平台软件必须具有指令编辑功能。

系统软件体系结构采用三层C/S结构。系统软件结构图如图2。

平台软件和手机操作软件为表示层，通过功能层与数据层进行数据交换。平台软件负责完成本系统软件功能、保证本系统正常运行，操作员必须进行的业务操作和会话的功能软件。平台软件采用B/S结构开发，方便手机APP软件的开发，提高系统的可维护性和扩展性。

4 结束语

本系统关联度大，涉及现代生产性服务业、智能电网、节能减排、信息化与工业化融合等诸多领域，发展前景广阔。对学校节省开支，提高工作效率有积极意义。

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[责任编辑：汤静]