基于云平台的智能分析计量插座研究

李晓宇，曲中水，韩飞驰，黄文世，许光辉，任博文

（哈尔滨理工大学 计算机科学与技术学院，哈尔滨 150080）

随着生活水平的提高，学生用电器的增多加重了学校用电管理方面的负担，学校宿舍用电覆盖面积大，用电范围广，给用电管理带来了许多挑战，因此产生了供电方式不合理、收费情况不透明、管理方式不高效及用电安全不保证等问题，经调查发现，大多数学校宿舍采用早中晚供电方式，即学生上课时断电，下课后恢复供电。这种供电方式给不在供电时间范围中又真正需要使用电的学生造成了很大的困扰。少数学校宿舍采用全天供电并向学生收取一定电费的方式，这种供电方式的弊端是不能精确到个人，学校往往只能以宿舍为单位收取电费，这样就导致每名同学收费不公平不透明，长此可能会造成同学之间的矛盾。

极少数的学校采取全天供电并且不收取电费，但是又担心学生使用违禁电器或者离开宿舍时忘记断电引发用电安全事故[1]，如图1所示。总之，在校园这个特定环境下，用电管理与安全问题是一个亟待解决的问题。

图1 长沙某大学因私接违禁电器起火

1 系统功能描述

根据当前校园用电的矛盾现状，设计了该智能插座系统。首先，插座会采集用户的用电信息，然后上传云平台，通过云端对数据进行分析、计算，得出相应的用电情况。学生可以通过客户端了解自己的用电情况和用电习惯，并可以根据预设的电费单价实时计算当前的电费，做到缴费透明。同时，教师和辅导员也可以通过客户端了解学生的用电习惯和用电规律，并以此大致分析学生是否存在使用违禁电器的行为，还可以根据学生的用电规律间接了解到学生的学习习惯。学校管理人员掌握当前插座的状态，方便管理人员的统一管理与维修，在寒暑假期间也可以实现一键全部断电功能，避免奔波于各个宿舍之间人工检查；因此该系统的软件分为2个部分。

1.1 学生客户端

学生客户端会提供学生对自己设备各项情况的实时查看功能，包括电流、电压、使用功率等各项信息。提供远程控制供电或者断电的功能，学生可使用电源图标按钮来实现远程开启和关闭智能插座。该系统会将学生的用电曲线图、历史用电情况、历史计费情况等分布在电源图标四周，同时为学生提供对当月实时计算出的用电、计费单价的查询功能。系统还具有用电规范提醒功能，当系统检测到连续多天用电过晚，将会提醒学生注意休息，当检测到用电功率过大，将会及时断电并提醒学生注意用电安全。学生客户端可通过WⅠFⅠ连接绑定插座来完成查询，无需过期再登录，方便学生使用和管理。

1.2 教师客户端

教师客户端会提供教师或辅导员对学生用电总体情况和个体情况的统计和学生总体的作息情况，并会在选择个别学生时告知教师或辅导员这个学生作息的情况类别，同时该客户端会为教师或辅导员提供用电预警和学业预警情况的分析数据辅助教师或辅导员对学生进行管理。教师客户端界面需要使用教师账号登录后，才可以使用教师或辅导员的一些特定管理权限。教师端初始界面为学生总体的用电，可在菜单栏选择学生个体筛选，班级筛选查看学生或班级的详细情况和数据，同时在其对应界面提供对对应的学生群体用电情况控制和监控权限。教师客户端还会给学校后勤管理人员查看每名学生插座状态权限及断电权限，方便学校后勤工作人员对学生的用电管理。

另外，该智能插座还能实现超限、漏电等的安全防护，在保证在用电安全的情况下，合理地、人性化地督促学生学习，解决学生有关纠纷，实现学生用电的智能管理。

2 整体设计

2.1 整体系统分为硬件和软件2个部分

硬件部分基于芯片总控，搭载其他电压电流电能计量模块、定时器模块、显示屏模块、WⅠFⅠ模块及保护模块等主要模块，如图2所示。硬件部分主要负责稳定、准确地使用各种传感器来获取数据，并在主控制芯片的协调下将数据发送至云端服务器。

图2 系统硬件组成简图

软件部分基于云服务器搭建的人工智能决策系统，下分数据库系统[2]、学生预警系统、用电分析统计系统和客户端部分。软件部分主要负责存储、运算、分析由本地端发来的数据，并形成相应的结果展示给用户，如图3所示。

图3 系统软件部分简图

2.2 软硬件工作流程

硬件部分主要用于完成实际的检测电量，显示电量，开断电等基本操作。如图4所示，当插座上电后启动芯片总控，通过芯片总控控制每一个模块与其进行数据交互，由芯片读取相应数据，将数据显示到显示屏上，并检测是否会发生危险，同时发送到云端进行数据分析，完成相应操作，并且接受远程无线模块发来的指令。

软件部分主要负责客户端对插座费用的查询，控制插座开关，用电量的统计。Java通过APⅠ的MyBatis与云服务器的数据库连接[3]，读取相应账户的信息，对用电量，用电时段等进行分析统计做出相关预警提示，最后在前端进行显示。

2.3 系统整体工作流程

系统整体工作流程如图4所示，插座上电后启动系统插座功能生效，通过调用各模块的控制函数，检测相关的电气信息，经过上层代码简单计算后，上传到云端数据库记录数据，云端会利用人工智能对数据库信息和当前信息进行数据分析，并将实时数据显示在网页上，最后系统会检测云端有无断电命令发出，达到远程断电的目的。系统的核心除了对数据的分析外，还有对各项权限的控制，这是集体管理中极为重要的一环，系统要对不同身份人的账号分配不同的权限，便于不同身份的人能够监控到不同类型的数据，控制不同的指令。

图4 系统整体工作流程

3 解决问题

基于云平台的智能分析计量插座可以把同学们的用电量与用电实时功率上传到云端，并实时分析其用电情况，对学生开放查询的权限，以了解自己的用电量与用电情况。同时，该插座可以对电量收费标准进行设置，晚上12点过后，所收的电费单价要比白天设置的贵，以此来督促学生休息。该插座也对辅导员或老师开放查询权限，如果其每月用电量极大或者晚上存在不正常用电的情况，老师就有必要了解一下该同学是否使用了大功率设备，或者存在晚上打游戏的现象并提醒该同学早点休息，以这种方式来达到学校断电的初衷。

另外，使用该系统也对晚上真正需要用电的同学提供了很大的便利。每一个插座都配置有漏电短路保护机制，可以使宿舍用电更加安全。另外还设计了对插座远程断电的功能，当学生放寒暑假时，老师可以查看各插座是否还有不正常用电情况，从而对忘记关闭电源的插座进行远程断电。平时学生也可以使用这一功能，比如学生不在寝室，寝室又没有用电设备需要用电，可以远程切断自己的电源。如果忘记自己的用电器是否正在工作，可以查看自己插座的实时功率做出判断。本产品还增加了对收费标准的制定功能，学校可通过软件对计费功能进行设置。例如，学校可以每月给每名同学固定的免费用电额度，超出额度按学校设定的收费标准收费。通过网上对每名同学每月用电量进行综合计算，从其绑定的银行卡中扣取相应的电费。

4 结束语

本文描述了一种基于云平台的智能分析计量插座系统的设计背景、工作流程及软硬件的实现。该系统旨在优化学校供电方案，使供电缴费做到真正的透明化管理，使供电时间符合学生的使用要求，使学校供电更加安全可靠，同时也方便了学生的使用和学校的管理。本系统是为学校这个需要集中管理的特定场合定制的供电设备，并且在其他集中管理场合，如工厂、宾馆等地方仍然适用。本系统的亮点是通过数据分析每名同学的用电习惯，推测其学习情况，并加入了人性化的提醒服务。本系统的另一个亮点是不同的权限可以看到不同的数据，并可以执行不同的操作，方便管理老师使用，也保证了数据的安全与学生的隐私。但是由于数据是在云端统一存放的，因此可能需要备份数据，当大量用户使用时，可能加重服务器负载不均衡导致服务器雪崩，因此要根据每个学校的人数选用适宜的服务器，以及使用合适的负载均衡[4]配置。