基于STM32的校园能耗网络监控系统设计

广州大学华软软件学院电子系 王晓品 廖惜春

0 引言

随着我国大学校园数量和面积的不断增加，校园内公共设施也不断完善和扩充，大学校园逐渐成为整个社会上高耗能的单位。据2016年全国耗能数据统计显示，大型高校公共建筑的单位建筑面积年耗电量为每平方40～100kw·h[1]，是居住建筑的4—10倍，所以在资源问题日益突出的今天，需要有校园能耗检测与控制系统来减少校园的能耗。

大学校园耗电一般具有以下特征：（1）多媒体课室：下课学生走后，管理人员未及时去关闭电源，导致课室里的灯、空调等用电器还是处于耗电的状态。（2）实验室：同学们做完实验离开教室时，未关闭电脑，导致电脑处于待机状态，直至管理人员去关闭，从而白白浪费了一定的电量。（3）公共区域：大学校园里的路灯、教学楼的楼道灯在过了12点无人走过的时间段或者在光照良好的白天还继续点亮，造成了不必要的电量浪费。因此研制出一个校园能耗检测与控制系统是迫切需要的。

1 系统设计方案

为了利用原有校园的网络基础设计，系统设计主要分为下位机和上位机两大部分，下位机分为室内子系统和室外子系统，利用教室的以太网接口或独立加装WIFI模块将教室和路灯的电量数据上传到服务器，上位机可以随时观测和分析数据，并且可以实现远程控制教室用电器和路灯的功能[2]，设计方案如图1所示。

图1 校园能耗监控总体方案图

校园能耗监测与控制系统分为上位机和下位机，上位机主要完成数据的接收、实时显示每个教室或者路灯的用电情况以及发送指令远程控制用电器的开关功能；下位机则主要利用各种传感器采集数据，并通过分析这些数据来完成对用电器工作方式的控制，并通过电能采集模块采集用电器的用电情况通过以太网或者wifi网络模块将数据上传到上位机。

2 系统硬件设计与实现

下位机系统分为教室系统和路灯系统，总体设计方案如图2所示，包括STM32处理器、数据采集模块、继电器控制组和ESP-8266wi fi模块/W5500以太网模块四大部分[4][5][6]。

图2 下位机系统电路设计图

图3 能耗管控主流程图

2.1 STM32处理器

STM32F103C8主芯片基于ARM cortex-m内核，最高72MHZ的主频率，具有16个输入通道，可以满足本系统的设计要求。

2.2 数据采集系统

RAD20CM红外传感器统计教室人数、GY-30光照度检测模块采集光照度，光照度范围为0到65535LUX,内置16bit模数转换电路，可以直接数据输出数据；DS18B20温度模块采集温度，T518电能采集模块采集电信号并计算出电能。

2.3 网络模块

以太网接口W5500采用或WIFI模块ESP8266，通过实际环境任意切换有线、无线方式。

3 系统软件设计

软件设计主要包括系统用电设备智能控制策略和上位机界面设计两部分，总体流程如图3所示。

3.1 用电设备智能控制策略

系统智能控制用电是整个系统智能化的具体表现，主要包括数据采集、数据分析和控制策略[3]，其中灯光和风扇控制采用相同的流程管理，实时监测亮度或温度参数，超过设定值时判断教室内的人数，当人数在某个范围内开启相对应数量的灯和风扇。

图4 上位机软件界面

3.2 上位机界面设计

系统采用VB自主设计一款上位机软件，具备自动/手动模式切换功能、电量测量数据的读取和远程开关用电器功能，可以分别显示不同教室或者路灯的电流、开关状态、开启数量及用电量，发现用电浪费的教室或者路灯，可切换到手动模式远程关闭用电设备，界面设计如图4所示。

4 结语

校园能耗监控系统不仅实现了教室用电器、路灯的自动开关，而且可以通过远程监测和控制用电器。实验表明，校园能耗监控系统提高了电能利用率，实现了校园的低碳节能。

[1]周克良,张明丽,刘太钢.基于STM32F的企业楼宇节能控制系统设计[J].计算机测量与控制：控制技术,2016,24(1)：115-118.

[2]陈章进,张建峰,李翰超.基于ZigBee与WiFi的无线智能照明系统设计[J].计算机测量与控制：设计与应用,2016,24(2)：228-231.

[3]陈湘萍,刘南平,蔡举.一种多传感器数据信息的融合算法[J].天津师范大学学报,2011,1(31)：42-44.

[4]何力,于海,房利国.基于物联网的能耗检测系统解决方案[J].信息安全与通信保密,2012,1.

[5]钱涛.基于物联网技术的建筑能耗动态监管系统的设计与实现[J].科技信息,2013(35).

[6]谭裴,薛伟.一种基于物联网技术的能耗管理平台研究[C].2013年中国通信学会信息通信网络技术委员会年会论文集.