基于施耐德网络云EcoStruxure平台的高校宿舍智能管理系统设计

缪晗，郭建江，陈斌，刘伟鑫，丁洁

(1.常州工学院电气信息工程学院，江苏 常州 213032；2.施耐德电气(中国)有限公司，上海 200120)

我国大多数高等院校学生宿舍的硬件条件越来越好。高校宿舍是大学生除了课堂之外最重要的学习、生活和休息的场所，但高校宿舍普遍存在着一些问题，如学生在宿舍违规使用大功率电器易引发火灾；部分学生熬夜玩网络游戏，晚睡晚起，导致上课迟到或者缺课等；宿舍无人状态下空调、电脑等电器不关闭，造成宿舍能耗较高、电费严重超支等，严重影响学生的学习、健康和生活。目前，大多数高校宿舍日常管理主要是采取辅导员和宿管阿姨定期检查和不定期抽查的方式来实现，但该方式常常流于形式，不仅浪费巨大的人力物力，也存在管理不完善和不到位的情况，存在诸多隐患[1-2]。因此，对这些现状做出调整和改变是十分有必要的。

未来的高校宿舍管理越来越向着智能化网络化管理的方向发展，本文在充分调研高校宿舍需求和管理便利的基础上，设计了基于施耐德网络云的高校宿舍智能管理系统以实现高校宿舍智能化网络化管理，旨在进一步提高宿舍管理水平，为未来的智能宿舍和智慧校园建设打下基础[3]。

1 系统组成

高校宿舍智能管理系统组成如图1所示，该系统采用主从分布控制方式，下位机控制器采用MSC-51内核单片机，通过多种传感器检测，将采集的宿舍管理数据通过智能网关上传到施耐德网络云EcoStruxure平台实施网络监控[4]。

图1 系统功能原理图

系统分为5个模块。安全管理模块：安全是学生宿舍最重要的管理需求，系统针对目前疫情防控及时测温的需求，设计了红外人体传感器实时测量学生体温，便于出现体温异常时及时防控；此外，系统采用了高精度电能计量芯片实时监测宿舍电源插座功率，可预警宿舍大功率电器违规使用可能引发的火灾风险。学习管理模块：系统设计定时器按课表时间声光提示学生按时上课和自习。健康管理模块：针对学生沉溺于网络或者电子产品，系统设计定时器结合继电器定时控制“宿舍照明灯具”开关，实现宿舍定时作息管理，并定时提醒学生按时就餐和定期运动。能耗管理模块：针对学生宿舍用电器无规律应用的情况，设计定时器和继电器定时控制空调、电脑开关实现宿舍节电能耗管理。网络云监控模块：为实现宿舍智能化网络化管理，采用施耐德网络云EcoStruxure平台，对宿舍管理数据实现网络共享，学生、管理员及相关人员可以通过平台监控宿舍状况，达到智能化宿舍管理的目的。

2 系统硬件电路设计

根据上述系统功能的要求，设计的系统硬件组成图如图2所示。主控器采用STC公司生产的STC8A8K64S4A12单片机，其特点是内置晶振和复位电路，以保证控制器具有最简外围电路、低功耗及高可靠性。

图2 系统硬件组成图

宿舍安全管理分为疫情红外测温和宿舍违规电器监控，针对疫情防控测温需求，采用医疗检测专用的MLX90615SSG非接触式红外测温传感器，其与单片机接口为SMbus协议，具有检测速度快、精度高等优点，适合于实时监测宿舍学生的体温。为监控宿舍违规大功率电器使用情况，设计采用ADE7753电能计量芯片，该芯片能实时测量宿舍插座电压、电流及功率，可设置安全参数，当学生违规使用大功率电器时，可实时监控并报警。设计中采用多路模拟开关，可巡检宿舍多个插座并采用SPI接口将数据传输至单片机，具有方便可靠的特点。

宿舍学习管理设计采用时钟芯片DS1302和声光报警电路，通过设置上课和休息时间，来定时提醒学生上课时间避免学生忘课或缺课。宿舍健康管理设计采用DS1302定时、声光报警以及继电器等定时控制宿舍照明灯具，以实现学生在宿舍按时作息。定时报警提示学生到点就餐以及外出运动，改变学生熬夜游戏、晚睡晚起、就餐不及时及不运动等不良习惯。宿舍能耗管理设计采用定时器结合继电器等定时控制宿舍空调和电脑开关，减少宿舍无人状态下空调和电脑的无效能耗，避免宿舍电费超支。

为了实现学生宿舍的智能化网络化管理，以上宿舍管理数据采用施耐德网络云技术，通过智能网关TL-BOX将管理数据上传到施耐德网络云EcoStruxure平台，并进行网络化预警分析监控，学生、班主任、宿管人员及其他相关人员可通过手机端或电脑端及时监控学生宿舍安全、学习、健康及能耗等实际状况，进而构建智能互联、智慧管理的新型高校学生宿舍管理系统。以下重点介绍红外测温、违规电器检测及网络云通信电路设计等关键电路。

2.1 疫情防控红外测温电路

疫情防控红外测温电路如图3所示。MLX90615传感器通过红外辐射测量采集宿舍学生体表温度，采集精度可达0.02 ℃，采集时间200 ms，可满足宿舍疫情防控体温测量要求，采集的数据通过SMbus协议SDA、SCL引脚传输给控制器。

图3 疫情防控红外测温电路

2.2 违规电器检测电路

违规电器检测电路原理如图4所示。为实时监控宿舍插座违规用电，系统采用电流互感器检测宿舍插座电流，并接入ADE7753电能计量芯片V1通道，通过220 V电阻分压接入芯片V2通道检测宿舍插座电压，数据采集后经过芯片内部处理单元计算插座电流电压有效值、有功功率等参数是否超限来判断学生是否使用违规电器，芯片通过SPI协议输出到单片机。由于宿舍有多个插座，可采用多路模拟开关巡检各个插座的用电情况，实时监控并及时制止使用违规电器。

图4 违规电器检测电路

2.3 施耐德网络云EcoStruxure平台通信设计

施耐德网络云EcoStruxure平台是基于物联网的开放式网络云平台，是当前工业互联网主流云平台，控制器采集的数据可通过施耐德TL-BOX网关与平台通信交换数据。TL-BOX网关集成了RS485、RS232、以太网口和4G通信接口和模块，适用于多设备多点位的复杂系统，可实时采集和监控系统中的各个点位，满足不同场合的需求，具有超高效、高性能和低成本等优点。网关和平台的交互示意图如图5所示。控制器通过Modbus-RTU协议将采集的数据生成平台可以识别的格式数据，以4G通信方式与平台交互数据信息，用户可以通过平台端和手机App端查看采集点位的实时数据信息，实现对宿舍的智能监控管理。

图5 施耐德网关和平台的交互示意图

3 系统软件设计

3.1 软件程序功能设计

依据上述系统功能要求与硬件配置，系统管理软件程序流程图如图6所示。

图6 宿舍管理软件程序流程图

系统初始化设置包括宿舍安全管理初始设置(即疫情防控体温和违规电器功率)，宿舍学习管理(即上课、自习时间设置)，健康管理(即作息、就餐及运动时间设置)，能耗管理(即宿舍中空调、电脑等能耗电器工作时间设置)。参数设置之后，单片机开始提示学生定时进行体温测量，并扫描检测宿舍插座电能数据，判断体温和电能功率是否超限，若超限则报警提示。随后系统扫描定时器时间，当控制器检测到定时管理时间点到达时，系统声光报警就会启动，例如：上课时间到，声光报警提示学生；当夜间休息时间到，系统声光报警并控制继电器关闭照明灯，督促学生按时休息，保证睡眠；当某段时间宿舍无人时，系统可定时控制继电器关闭用电器，减少不必要的电能浪费。其中，声光报警后需要学生手动复位，系统自动记录次数上传网络云平台。安全管理中的宿舍红外体温、插座功率等数据也上传网络云平台，实现网络化监控和管理。

3.2 施耐德网络云EcoStruxure平台监控设计

施耐德网络云EcoStruxure平台以数字化服务平台形式来实现信息管理和监控，平台通过4G、Wi-Fi或移动网络等方式监控各种设备或智能终端，并将数据发送到云平台，实现目标的网络云智能监控及管理。云平台可提供电脑PC端及手机App端2种方式实施监控。管理页面均可显示体温检测的最高温度及违规电器的使用次数。除此之外，能耗管理可监控宿舍电源插座功率，健康管理可定时记录学生作息、就餐及运动次数等，学习管理也可定时记录学生上课、自习的次数等等。施耐德网络云EcoStruxure平台还可查看历史监控数据，具有数据追踪、瞬时报警数据、最大值和最小值统计、故障信息统计、日报表导出和同类型多数据点对比等功能，学生宿舍网络云管理可为班主任、宿管人员及其他相关人员及时提供宿舍管理信息，方便宿舍智能化网络化管理。

4 系统运行与性能分析

目前，国内宿舍管理系统功能特性大多依据不同监控平台来划分[5-7]，表1列出不同宿舍管理系统的性能比较。

表1 不同宿舍管理系统比较

文献[8]采用ZigBee、GPRS 等无线组网方式实现高校宿舍安全监控，系统传感及传输网络性价比较高，可灵活实现宿舍网络化管理，但是无线组网结点多，通信协议复杂，导致系统可靠性较低。文献[9]采用虚拟仪器LABVIEW和NI数据采集卡平台来实现学生宿舍智能监控，系统采用进口软硬件虚拟监控平台，性能好,可靠性高，但系统缺少网络化管理功能，且平台价格昂贵，性价比较低。本系统采用基于施耐德网络云EcoStruxure平台结合单片机组成网络云监控平台。EcoStruxure专为工业监控设计服务，网络化管理功能强，系统可靠性高，平台按照流量收费，性价比较高。

本文设计的宿舍智能管理系统已应用于某校学生宿舍，系统运行稳定，可靠性高，具有较好的性能指标和性价比。该系统可满足高校宿舍管理需求，提高了宿舍智能化网络化管理水平,为打造智能宿舍、智慧校园建设打下基础。

5 结语

本宿舍管理系统设计集成了红外体温测量、违规电器监测、宿舍能耗检测及学习和作息提醒等模块，通过施耐德网络云EcoStruxure平台构建了高校宿舍智能管理系统。经实际应用，该系统可满足目前高等学校宿舍安全、能耗、健康管理等需求，具有智能管理集成度较高、可靠性好等特点，与同类系统相比，智能化网络化程度较高。所设计的宿舍管理系统为未来高校智慧校园建设提供了设计参考，具有一定的推广价值和实际意义。