0引言
人生人身安全是大家關注的話題，2019年12月中國消防統計近五年發生在全國學生宿舍的火災2314起（中國消防2019。12。應急管理部消防救援局官方微博），違規電器是引發火災的主因。如果在各寢室安裝智慧用電監測器實時監督線路引數，將用電引數以數字或影象顯示，學生若使用違規用電器，系統能自動識並切斷電源，宿舍管理者電腦上彈出學生使用違規用電器的資訊，將是對火災的有效預防。本文設計了智慧校園安全用電監測系統，透過資訊化方式實現校園內各類資源有效整合、整合和最佳化。系統監測器以樹莓派為核心，定時將採集的用電資訊上傳至雲端儲存與備份，完成資料分析、能耗管理、過載報警等功能；可遠端監控，宿舍管理者用手機透過校園網可訪問該系統，掌握學生用電情況做出有效應答。
根據中國消防統計的近五年的2314起全國學生宿舍火災，使用違規用電器是引發學生宿舍火災的主要因素，所以，加強學校消防安全工作，對預防和減少校園火災的發生具有十分重要的意義。現有的限制學生用電的方式是在電路中接入保險絲或者空氣開關，當用電超過負荷時斷電，此種方法設定簡單，但是無法對電氣事故進行詳細分析。本系統針對以上問題，應用物聯網和雲平臺技術，對學校用電情況進行智慧化分析監控，在每間寢室安裝智慧用電監測器，並將用電引數以直觀的數字或影象顯示在宿舍管理人員和校園控制中心的電腦介面，當學生使用違規用電器時，系統能自動識別違規負載並切斷學生所用電源，同時，宿舍管理人員和校園控制中心的電腦上收到使用違規用負載型別和學生寢室號的訊息並做出處理，沒收學生使用的違規用電器，這將是對電氣火災的有效預防。
1智慧校園安全用電監測系統方案
引起校園電器火災隱患的原因主要有過負荷火災、短路火災和漏電火災三種方式。本系統應用物聯網和雲平臺技術對學校用電情況進行分析監控，有效地預防火災的發生。
圖1-1智慧校園安全用電監測系統總體架構
圖1-1為系統的總體架構，系統在工作時，每個房間的智慧用電檢測器定時讀取宿舍的用電資料。每層樓上安放一個寢室樓層監視器，方便宿舍管理員發現用電問題。學校控制中心則將寢室的用電資訊彙總。
寢室智慧用電智慧監測器將資料上傳至宿舍管理員處的寢室樓層監視器，隨後，寢室樓層監視器再將資料上傳至雲端儲存並做大資料分析。校園控制中心可以直接訪問雲端獲取用電資料，也可以透過寢室樓層監視器獲取用電資料。
2智慧校園安全用電監測系統的應用技術
2.1雲服務平臺
由移動網和網際網路構建雲伺服器平臺。將系統採集到的用電資料透過移動網技術上傳至雲伺服器上，進行儲存與雲計算。雲服務平臺可以將反映電氣狀態的實時資料上傳至學校用電管理人員的電腦螢幕和手機端，同時，校園控制中心和寢室管理員可以用手機透過校園網查詢學生用電資訊。掌握學生用電情況，如有安全問題，可以及時作出應急措施。
2.2大資料分析
依據學校正常用電資料，設定報警和違規負載型別引數的標準值，收集用電引數，將收集到的資料透過加工、整理和分析後轉化為所需資訊，進而分析出學校存在的不合理的用電點。
2.3安全隱患預警
透過大資料分析，可以自動識別電器的安全隱患及負載型別，建立隱患識別系統。系統根據學校各用電裝置的閾值進行報警。當學生使用違規用電器時，透過分析可以得出此違規負載的型別及具體的學生寢室房間號，同時，學生寢室會斷電，學校後勤人員從而採取相應措施。
3智慧校園安全用電監測系統軟硬體設計
3.1系統硬體設計
寢室智慧用電監測器用來監控寢室用電資訊、進行無線通訊和執行命令的操作，其總體設計框圖如圖3-1所示。包括採集模組、報警模組、繼電器模組和控制模組。
圖3-1寢室智慧用電監測器的總體框圖
採集模組：
系統採用IM1277單相互感式電能質量檢測儀採集電量資訊，能夠完成電能測量、採集及傳輸，準確高精度地測量單相交流電壓、電流、功率、電流及總電量等電引數。採集模組的電路圖如圖3-2所示。220V電壓經過電壓互感器和電流互感器處理，變為較小的電流訊號並透過電路傳到電能計量晶片，將模擬訊號轉換為數字訊號，然後透過串列埠送入樹莓派控制中心。
圖3-2電量採集電路
報警模組：
系統採用訊息推送的方式實現報警功能，將主控制器與報警模組相連，當電路中接入違規用電器時，負載總功率會增大，控制系統檢測到這一訊號後，立刻控制報警模組報警並跳閘，同時，系統會記錄下跳閘時間、房間號和負載型別。
繼電器模組：
交流繼電器模組則透過小電流的交流中間繼電器透過傳遞控制訊號實現對大電流繼電器的控制。當電路中接入違規負載時，在控制系統的“指揮”下完成繼電器-繼電器的控制，使電路斷路。
圖3-3繼電器電路圖
控制模組：
樹莓派作為系統的控制中心，可安裝作業系統並可以直接將所寫的程式設計執行，卡片主機板周圍有USB介面和乙太網介面。樹莓派控制所採集的內容以及電路的狀態，將採集到的用電資料進行處理和儲存並上傳至雲端，當經過資料分析後得出學生使用違規用電器的資訊時，樹莓派控制電路斷開。
圖3-4樹莓派實物圖
資料顯示模組與遠端控制：
PC機透過C語言程式實現資料節點的繪製、動態顯示、查詢歷史資料和報警記錄。同時，在手機端有APP，學校宿舍管理人員可以透過訪問APP實現查詢與遠端控制，當學生使用違規用電器時，宿舍管理人員可以透過手機APP實現寢室斷電。
3.2系統軟體設計
系統上電後，進行各埠初始化，搜尋並加入網路，定時讀取寢室用電資訊，將用電資訊儲存並上傳，進行資料分析處理；若存在安全隱患或使用違規用電器，則傳送報警訊號並做出相應的響應；若無安全隱患，則繼續讀取用電資訊並上傳至雲端。迴圈此過程。系統程式流程圖如圖3-5所示。
圖3-5系統程式流程圖
4系統測試
選取不同型別的負載如燈泡、電吹風，分別接入電路中，模擬寢室用電情況，燈泡模擬正常用電器，電吹風模擬違規用電器，每個用電器測試十次。
負載是燈泡時的電流與電壓的測試資料，見表4-1；負載是燈泡時電壓的測試資料，見表4-2；負載是吹風機時的電流測試資料，見表4-3；負載是吹風機時的電壓測試資料，見表4-4。
表4-1負載是燈泡時的電流與電壓的測試資料
表4-2負載是燈泡時電壓的測試資料
表4-3負載是吹風機時的電流測試據
表4-4負載是吹風機時的電壓測試據
當電路中接入電燈泡時，燈泡正常工作，實時顯示電壓值、電流值以及電功率曲線，在電腦介面無報警資訊，可以用手機透過校園網訪問系統，檢視用電資訊。
當電路接入電吹風時，系統檢測到此負載為違規用電器，在電腦介面彈出報警框，同時自動斷開電源。圖4-1為燈泡電功率變化曲線，圖4-2為智慧用監檢測器實物圖。
圖4-1燈泡電功率變化曲線
圖4-2智慧用電檢測器實物圖
5安科瑞安全用電雲平臺功能介紹及選型
5.1安科瑞安全用電雲平臺介紹
Acrelcloud-6000安全用電雲管理系統能夠對剩餘電流、裝置溫度、故障電弧等電氣故障進行實時監控、報警、記錄，並且透過雲端的遠端控制。裝置與雲端的通訊方向不受限制，能上傳資料、透傳指令，並時間顯示實時狀態。透過對上傳至雲端的資料進行分析，為使用者提供火災隱患的相關資料，能夠及早的發現問題並實施排查，避免火災的發生。另一方面，雲平臺提供超大容量的資訊儲存及穩定的服務，提升了服務質量，對使用者的長遠發展具有戰略意義。此外，該系統透過集中監控，使得資料透過每個節點的4G網路傳輸至雲端集中式管理和監控，主控端佈置於城市消防大隊，從而能夠對採集的資訊進行統一的監控和管理。
平臺的整體結構圖
具體功能如下：
（1）安全用電監管服務系統包含安全用電管理雲平臺、電腦終端顯示系統、手機APP、漏電探測器、漏電互感器、電流互感器等。
（2）安全用電監管服務系統平臺能展示剩餘電流、溫度、電流等電氣安全引數的實時監測資料及變化曲線、歷史資料與變化曲線、實時報警資料等，能實時顯示現場服務次數、排除隱患數、未排除隱患數、報警未處理數、常規巡檢及產品維護等資料，監管資料能儲存十年以上。
（3）手機APP軟體同時具有IOS版本和安卓版本，能透過手機APP對每條報警記錄進行呼叫，便於緊急情況下能儘快通知用電單位。
（4）能對各個單位及裝置的電氣安全執行情況進行自動統計和分析評估，並隨時展示電氣安全執行分析報告。
（5）監控探測終端產品滿足國家法律法規和有關技術標準（GB14287。2《剩餘電流式電氣火災監控探測器》和GB14287。3《測溫式電氣火災監控探測器》）的要求，並透過國家消防產品質量監測檢驗中心提供的消防3C認證。
（6）漏電探測器能同時探測剩餘電流、四路溫度、三相電流等引數值，並能透過無線以移動通訊網路接入安全用電監管系統平臺。
5.2產品選型
5。2。1漏電火災監控探測器
5。2。2故障電弧探測器
安科瑞故障電弧產品型號程式碼為AAFD，共有兩種電流等級，可監測迴路故障電弧的發生，並及時預警，提醒使用者處理，防止電弧導致的火災的發生。
AAFD可配合AF-GSM400使用並接入安全用電平臺，該產品不可在同一臺AF-GSM400下與ARCM混接。如圖：
5。2。3限流式保護器
安科瑞限流式保護器型號程式碼為ASCP200-1，有三種電流等級，可監測迴路短路過載等故障資訊，發生故障時預警和產生滅弧效果，防止電弧導致的火災的發生。
ASCP200-1可配合AF-GSM400使用並接入安全用電平臺，也能夠透過插入SIM卡直接上傳到平臺。
以下是ASCP200-1的主要功能：
短路保護功能。保護器實時監測用電線路電流，當線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護，併發出聲光報警訊號。
過載保護功能。當被保護線路的電流過載且過載持續時間超過動作時間（3…60秒可設）時，保護器啟動限流保護，併發出聲光報警訊號。
表內超溫保護功能。當保護器內部器件工作溫度過高時，保護器啟動超溫限流保護，併發出聲光報警訊號。
過、欠壓保護功能。當保護器檢測到線路電壓過壓或欠壓時，保護器發出聲光報警訊號，可預先設定是否啟動限流保護。
配電線纜溫度監測功能。當被監測線纜溫度超過報警設定值時，保護器發出聲光報警訊號，可預先設定是否啟動限流保護。
漏電流監測功能。當被監測的線路漏電超過報警設定值時，保護器發出聲光報警訊號，可預先設定是否啟動限流保護。
保護器具有1路RS485介面，1路2G無線通訊，可以將資料傳送到後臺監控系統，實現遠端監控。
5。2。4剩餘電流互感器
5。2。5AF-GSM400-2G/4G無線上傳模組
AF-GSM400-2G/4G/CE模組是一款2G/4G有線無線模組，該無線模組為安全用電雲平臺專用模組。
AF-GSM400接入每塊儀表所需流量為20M/月，單個模組可以接入30塊儀表。預設上傳間隔2分鐘，如發生報警，會實時上傳資料。
5。2。6溫度感測器
溫度感測器為一熱敏電阻NTC，它提供0-120°的溫度監控基準，可以用來監測線纜或配電箱體的溫度，提供溫度保護。
6結束語
本文開發了一種基服務的智慧校園安全用電監測系統，分別從硬體平臺和軟體設計兩個部分進行了介紹，實現了電量的精確檢測和可靠預警。系統選用樹莓派作為主控制中心，有很高的精度和可靠性，可實現電器的啟停、電路過載報警、電量資料上傳等功能，UI設計安排合理，便於使用者的學習和操作。當出現安全隱患時，系統發出報警，同時學校後勤管理部門與寢室樓層管理人員會收到報警資訊，從而採取相應措施，以智慧化的方式解決用電的安全隱患。該系統可應用於學校的安全用電管理，滿足學校後勤部門對校園安全的管理需求。
參考文獻：
［1］田 穎，劉 輝，李琳娜 。智慧校園安全用電監測系統的設計
［2］安科瑞安全用電管理雲平臺手冊。2020。02版
［3］安科瑞企業微電網設計與應用手冊。2020。06版
