一种面向高校实验室的远程电能监控与管理方案

文 赓, 顾春华, 罗 飞, 丁炜超

(1.上海电力学院 计算机科学与技术学院, 上海 200090; 2.华东理工大学 信息科学与工程学院, 上海 200237)

一种面向高校实验室的远程电能监控与管理方案

文 赓1, 顾春华1, 罗 飞2, 丁炜超2

(1.上海电力学院 计算机科学与技术学院, 上海 200090; 2.华东理工大学 信息科学与工程学院, 上海 200237)

为实现高校实验室的远程实时监测与智能管理,提出了一种实验室电能实时监测与综合管理方案.方案由基于STM32微控制器的实验室电能实时监测与控制终端,以及基于Spring+SpringMVC+MyBatis(SSM)框架的人性化Web客户端和管理端构成,解决了实验室用电设备的远程实时监测与智能管理问题.经软硬件联合测试,验证了系统的有效性、实时性、鲁棒性与准确性.

高校实验室; 实时监测; 智能控制

随着大学生创新实践能力的培养日益受到重视,高校创新实验设备的数量和规格都在大幅提升.然而相关统计表明,学生规模在4 800名左右的高校,每年因管理不力造成的用电浪费在10万元以上[1].在高校电能耗中,实验楼能耗约占到总能耗的24%,占比最大.若能通过监测进行科学管理,节能可达30%.因此,在高校推行电能监测,可以节能降耗,带来巨大的经济效益.另外,高校实验室安全事故时有发生,而由用电不当、超负荷运行等原因造成的事故危害极大,因此研究如何对电能进行实时监测,对保障实验室安全管理与运行具有重要意义.由于传统的实验室管理以手工、纸质的方式进行,效率低,强度大,过程繁杂,要解决这些问题就需要引入信息化技术,以减轻相关人员的工作强度,同时更加规范地对实验室进行管理[2-4].

目前,已有一些研究工作针对实验室电能信息的监测,如文献[5]至文献[7]均实现了对电能信息和环境数据的采集计算,文献[8]提出了家电远程控制系统,在设备控制、实时性与性能方面均取得了进展.但这些研究有的未在系统管理、安全防护和异常应急处理等方面进行综合探究,硬件功能相对单一;有的未考虑信息的实时采集与监测;而且多采用C/S(Client/Server)架构,对系统环境的依赖大大削弱了其适应性与可拓展性,在共享度、信息利用度上也有一定的局限.

基于高校实验室监控与管理的需求,通过对系统环境、目标用户、相关模型、软件设计、硬件功能、业务分析等要素的综合分析,提出了一种远程实验室电能监测与管理方案.本方案实现了对实验室电能使用情况、环境参数的实时监测;在完成对实验设备远程便捷管理的同时,提高了管理效率和安全性.另外,通过全方位实时监测,避免了因设备无功待机、遗漏关机等造成的电能浪费[9-10].

1 总体方案设计

为了解决当前实验室管理中存在的问题,实现电能监控与实验室管理的目标,本文首先对系统总体结构进行了研究.电能监控主要是对用电过程中的电流、电压、功率参数进行实时监测,并对用电情况进行控制[11];实验室管理包括终端管理、实验室管理、用户管理、课程管理以及授课管理等功能.系统总体结构设计如图1所示.

图1 系统功能结构

系统对用电设备的主要监控指标包括电流、电压、功率及用电量等.通过对以上用电数据的采集计算和实时监测,可以获取用电设备的工作状态;同时,对终端周围的温度、湿度、光照强度数据进行采集,用以对环境进行监测.通过系统Web端提供的管理服务,用户可以查看以上监测数据,并根据用户需求对终端进行操作控制,终端根据操作指令执行相应动作,完成对设备供电状态的控制.

系统硬件终端集成了电能采集模块和环境信息采集模块,通过对用电设备实时用电信息的动态监测,获取设备状态及电流、电压、功率等用电数据,从而实时监控实验室中用电设备的状态,对可能出现的异常情况进行预警.即时发现异常,立即调用过流过压保护模块和继电器模块进行应急处理,保护系统安全,避免造成严重后果,并通过硬件终端所集成的蜂鸣器进行声音提示,在软件Web端警示详细的异常信息,通知管理人员进行处理.

在实验室使用过程中,通过读卡模块读取学生卡信息,对学生身份进行验证,结合网卡通信模块以及Web服务端所提供的实验室管理、用户管理、课程管理、授课管理等模块,使实验室的使用及管理过程全部在线完成,精简了传统管理方式人工的、繁琐的现场管理过程,提高了管理效率.

本系统可行的拓扑结构如图2所示.系统主要由硬件终端、网络通信设备以及提供Web服务的服务器组成;对多实验室群系统需要在单体系统上添加一台汇聚层交换机,以实现与服务器的通信.

在技术实现方面,Web项目采用B/S(Browser/Server)架构基于开源的SSM框架集进行开发,硬件终端采用意法半导体的STM32F103ZET6微处理器作为主控芯片,系统通信协议采用流式Socket进程通信机制.

基于以上设计,系统不但集成了现有研究对电能信息与环境信息的监测功能,而且在系统管理、安全防护和异常应急处理等方面都进行了综合探究与实现,集成了实验室管理、用户管理、课程管理等功能.另外,系统采用B/S架构,大大降低了系统各功能模块之间的耦合性,增强了系统的适应性与可拓展性[12-13].

图2 实验室群和单体系统拓扑架构

2 软件设计

2.1 终端控制

对系统硬件终端的操作主要是对终端运行状态的控制.根据实验室实际运行时学生的上机过程,为系统硬件终端定义了离线、在线、待机、上机4种状态.其中,离线代表终端尚未通电;在线代表终端已经通电并且可以接受指令操作;待机代表终端已经接收到用户指令,并完成刷卡上机的准备工作,等待刷卡上机;上机代表终端已有学生通过刷卡验证,正在上机中.系统运行时,用户的操作指令通过Web服务发出,利用Socket通信与终端进行交互.利用JAVA多线程机制,系统Web服务会启动一些线程,专门负责与所有终端之间进行Socket通信[14-15],与此同时,用户需要的其他服务不会受到影响.终端与服务器之间Socket通信流程如图3所示.

图3 Socket协议通信原理

图3中,服务器作为socket通信server端,通过调用Socket()首先启动并建立一个套接字,然后调用bind()为该套接字绑定通信端口.为了避免与保留端口冲突,所绑定端口号一般大于5000.之后调用listen()进入被动状态,使得该进程可以接受其他进程的请求,完成监听准备.另外,为了避免线程死锁与饥饿状态的发生,防止出现线程数量激增导致系统崩溃,系统对请求队列的长度加以限制,用以约束请求规模,结合JAVA管程机制与临界资源保护,提升系统应对大规模并发通信的能力,强化系统的鲁棒性.最后,接受连接.客户端建立socket之后通过connect()与服务器进行连接,连接建立后进行数据的发送和接收.为减轻网络负担,节约系统资源,降低网络传输错误概率,系统套接字通信机制采用短连接的方式,通信结束立即释放资源,关闭socket.

2.2 数据实时显示

系统运行时,硬件终端以一定的周期对电能数据和环境数据进行采集,并周期性地向服务端发送所得数据,服务端接收到数据后通过Mybatis持久层将其存入数据库中.系统对数据进行检索及显示时,按照SSM框架的分层机制,通过控制层、服务层对用户的请求进行逻辑处理,最后由持久层完成对数据的检索,View层承担对用户的展示.这里的关键问题是在View层实现数据的图形化显示的同时,保证数据稳定、实时的刷新,使得数据曲线能够高效、实时地将终端所获电能数据和环境信息反馈给用户.

在技术层面,系统引入交互式网页开发技术Ajax(Asynchronous Javascript and XML,即异步JavaScript和XML),由前端定时向服务器请求数据并完成前端数据的刷新,刷新频率根据系统终端对电能信息和环境信息进行采集计算的时间间隔来确定,若终端的采集时间间隔为tc,那么Ajax引擎的刷新频率fu=1/tc.

2.3 实时信息统计与预警机制

实时信息统计功能主要是对以下3个方面的信息进行统计.

(1) 对系统中实验室和终端的使用情况进行实时统计,并以饼状图的形式人性化地进行展示,使管理员可以实时直观地了解到系统中实验室和终端的总体使用情况.

(2) 对教师的相关操作记录进行统计.管理员以操作者、操作时间为检索条件对教师的操作记录进行检索,获取教师对课程、终端的操作记录,评判教师操作是否得当,以及在其使用时间内相应终端工作是否正常.

(3) 统计由终端采集和计算获得的电能与环境数据,并可以在历史数据记录中根据终端编号和采集时间进行检索,从而获得当时的详细工作参数,有助于对使用过程中实验室的各项参数进行研究,及早发现异常,避免事故的发生.

目前,系统主要通过设置阈值的方式来预防事故的发生,即当电流/电压超过所设阈值时,硬件终端会自动切断电源,同时通过蜂鸣器发出预警信号,系统对该异常情况进行记录,并在用户界面弹出警告框,提醒管理人员及时进行处理.

2.4 实验室管理

为了直观、方便地对试验台的布局和终端进行管理,本系统采用了图形用户界面(Graphics User Interface,GUI),相较于传统的实验室管理方式,真正实现了对实验室中试验台与设备的图形化映射及管理,将终端、试验台、实验设备的布局与映射关系进行平面化展示,对用户体验、满意度以及用户的操作效率都有明显的改善.在技术方面,主要使用了轻量级的JavaScript库——JQuery技术,发挥其对CSS3以及各种浏览器强大的兼容性,使得对HTML,events和动画效果的处理与实现更加方便.

2.5 用户与课程管理

系统用户分为超级管理员、管理员、教师、学生4种,对系统用户的管理即根据实际需求对用户进行增删改查.对课程的管理包括对课程的增删改查、该课程授课班级学生的管理以及上下课操作.其中,上课操作时,教师首先对课程授课时长和课程类型进行设置,然后发送上课指令,终端进入待机状态等待学生上机,学生刷卡验证通过后,电源接通进行上机.

3 硬件设计

为满足系统数据采集与用电控制的功能需求,从抗干扰、低功耗、性价比、稳定性的角度出发,设计监测终端的硬件总体结构如图4所示.

图4 监测终端总体结构

由图4可以看出,终端集成了电能采集、电能计量、读卡、存储、电源、继电器等模块.其中,电能采集电路和电能计量模块负责电流、电压、功率以及用电量数据的采集和计算;由传感器模块对系统环境的温度、湿度、光照参数进行密集测量;RFID读卡模块负责读取卡片信息,并传输到Stm32处理器;Stm32处理器是数据读写、传收和处理的核心,负责核心计算与系统模块协调;继电器模块负责完成对设备用电的最终控制;网卡模块承担网络的通信工作,采用有线通信方式;串口调试模块用于建立监测终端与PC之间的通信.

硬件终端核心模块电路如图5所示.

图5 终端电流互感器采样电路

其工作原理如下.

首先,根据互感器原理进行电流采样,设定负载电流为I1,根据交变磁通感应产生二次电流I2.由于互感器一次绕组和二次绕组具有相等的安培匝数,由此得:

(1)

然后,通过在二次回路上串接负载电阻R4,将采样得到的变比电流转换为交流电压,经桥式整流(D1～D4)将交流电压转变为直流电压Ui,Ui的计算公式为:

Ui=R4I2=R4N2I1

(2)

最后,为满足Stm32对AD转换输入电压的要求,通过由LM358运算放大器组成的负反馈放大电路对输入电压Ui进行运算放大.输入3脚的电压Ui3满足:

(3)

最终,输出电压Uo6的计算公式为:

(4)

将引脚6与Stm32连接,即可根据输入的Uo6值计算出实际的电压值,然后发送到服务器端进行保存.

4 实验与测试

根据上述设计方案制作了10套终端设备,并在某高校机房进行了实地部署安装,采用串口形式对每个终端设备进行必要的参数设置,包括网络地址、阈值等.

部署过程中,将每个终端设备串联到不同的电源插座上,然后模拟实际应用场景中插座上/下电过程进行测试.终端实物如图6所示.

图6 终端实物示意

将Web项目部署到服务器上,并利用串口设置的方式完成终端配置后,模拟用户使用流程进行系统软硬件的小规模组网测试.系统服务器采用的是Dell PowerEggdge R730机架式服务器,实验室内仪器设备的负载范围为220 V,10(40)A.

在现有的实验室条件下,使用日功率计在12 h内对10组终端所采集和计算得到的电流、电压、功率和环境参数数据进行比较,结果证明终端的测量精度与标准表误差不超过±0.3%,能够满足系统的精度要求.

按照用户身份分模块进行系统总体功能测试,重点对核心功能进行测试与优化,测试流程如下.

(1) 用户初始化.新建管理员,新建教师.

(2) 实验室初始化.新建实验室,试验台与终端映射绑定.

(3) 课程初始化.新建课程,导入学生.

(4) 授课测试.课程配置,上/下课操作.

(5) 信息查看.终端实时状态与数据,历史数据.

测试结果如图7所示.由图7可以看出,Web服务端能够稳定实现各项功能,为用户提供所需服务;终端能够根据服务端指令执行相应动作,稳定地对电能信息、环境信息进行采集和计算,并传输到服务端进行存储和展示,验证了系统的可靠性与稳定性.

图7 系统测试结果

5 结 语

本方案能够通过对终端的远程控制操作,实现对实验室的远程管理,完成对用电设备及环境的实时监测与安全保护;在管理实验室以及教师授课时,系统能够起到较好的辅助作用,从而提高高校实验室的管理效率和教师的课堂效率.

本文对系统拓扑架构、软硬件及底层通信的设计和技术实现都进行了详细说明,另外系统较强的拓展性也便于进一步的优化升级.系统管理端基于B/S结构,因此能够适应不同系统,只需要安装浏览器即可在各种系统平台运行;同时,由于采用了SSM框架集,降低了各功能模块之间的耦合度,既能满足系统优化升级的需要,又可以方便地进行功能拓展,应对用户新的功能需求.但系统还需进一步完善,下一步工作重点是在系统规模扩大时,提高底层多线程Socket通信的稳定性,以及进一步地对终端硬件进行优化,进一步提升系统的稳定性和节能性.

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(编辑 白林雪)

A Remote Power Monitoring and Management Solution for University Laboratory

WEN Geng1, GU Chunhua1, LUO Fei2, DING Weichao2

(1.SchoolofComputerScienceandTechnology,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;2.SchoolofInformationScienceandEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

To implement the remote real-time monitoring and intelligent management of college lab,a laboratory power real-time monitoring and integrated management solution is proposed.The solution consists of the control terminal based on micro-controller STM32,the humanization web client and management end based on Spring + SpringMVC + MyBatis (SSM) framework.It can work on remote real time monitoring and intelligent management for the electric equipment in the laboratory.According to the joint test between the hardware and software,the effectiveness,real time,accuracy and robustness of the system are verified.

university lab; real-time monitoring; intelligent control

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.014

2016-11-29

文赓(1992-),男,在读硕士,河南南阳人.主要研究方向物联网,云计算,智能电网.E-mail:wengeng_vip@163.com.

国家自然科学基金(61472139).

TM764

A

1006-4729(2017)02-0178-07