CN108549261A - 一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统，属于能源监管领域。该系统包括宿舍单元检测、通信架构以及终端远程监控平台。宿舍子单元包括传感器模块、PC端、Android客户端。各传感器模块以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍监测网络，将采集到的温度、湿度、光照、烟雾、用水量、用电量等数据发送至ZigBee协调器；PC端收集到协调器发来的数据，并上传到服务器。终端监控平台能够接收和显示个宿舍子单元采集到的数据，并进行监控和分析。该系统的特点是应用大数据技术进行能源分析与管理，有利于能源的科学分配，对用电集中的地方增加无功补偿，防止能源浪费，得以节约能源。

Description

一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统

技术领域

本发明涉及到一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统，属于能源监管领域。

背景技术

ZigBee技术是一种近程低耗的双向无线通讯技术。

它主要应用于在各个电子设备之间进行近距离的、低功耗的数据传输，其可靠性高，支持无线操作，便于用户使用。

尽管现在的许多家电都实现了智能化远程监管，但这种物联网技术并没有广泛应用于高校宿舍。高校主体是大学生，大学生的方方面面都被社会关注，宿舍能源监管系统能够为大学生提供优质便利的生活环境。能源问题一直备受社会各界人士关心，更是当今人类面临的重大问题之一，现在大部分的电力资源还是来源于化石燃料等不可再生能源，这些能源的储量是有限的，因此节约能源势在必行。

事实上，现在各大高校的宿舍智能监管方面并不完善，主要采用人工排查的监控方法，这种方法需要大量的人力，保证大学生的生活质量和生活安全，但本方法费时费力，容易出现反应不及时，因此亟需一种高校宿舍能源监管系统过大数据分析进行能源的合理分配，达到加强学校建设节约能源的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明建立一种对学生宿舍能源实时监管的智能化物联系统，从而实现监测各宿舍能耗数据，提高管理效率的检测系统。

本发明的目的是提供一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统，系统包括传感器模块、PC端、服务器、中央处理系统、终端远程监控平台；所述传感器模块是ZigBee无线传输协议组建的传感器网络；所述ZigBee无线传输协议组建的网络，包括ZigBee子节点，ZigBee协调器；所述ZigBee子节点包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、电压互感器、电流互感器、水流量传感器；所述传感器模块以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍监测网络，将采集到的数据发送至ZigBee协调器；所述PC收集到协调器发来的数据，进行图文分析及存储，实时显示室内情况，并将数据上传至服务器；所述中央管理系统通过访问服务器采集到所有宿舍的数据；所述终端远程监控平台可显示宿舍能源消耗的分布情况。

在本发明的一种实施方式中，所述能源监管系统的应用方法如下：

步骤1)本系统使用前，将以ZigBee无线传输协议组建的宿舍监测网络模块置于宿舍内；

步骤2)PC端安装可以接收并处理数据的特定软件；

步骤3)在监管的过程中，各传感器采集数据，并将采集到的数据发送至PC端；

步骤4)PC端将采集到的温度、湿度、光照、烟雾、用电量、用水量等信息存放于本机数据库中；

步骤5)PC端访问本机数据库，显示室内能源消耗情况，并进行图文分析；

步骤6)PC端将各数据信息上传至服务器，中央管理系统主机通过访问服务器显示所有宿舍的数据信息；

步骤7)中央管理系统对所有宿舍的能源消耗数据进行整体分析。

在本发明的一种实施方式中，所述温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、电压互感器、电流互感器、水流量传感器分别检测温度、湿度、光照、烟雾、用水量、用电量的数据。

在本发明的一种实施方式中，所述传感器采集到的环境和能源消耗数据通过点播的方式发送至ZigBee协调器。

在本发明的一种实施方式中，所述温度传感器置于室内，温度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室里的温度情况。

在本发明的一种实施方式中，所述湿度传感器置于室内，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室里的湿度情况。

在本发明的一种实施方式中，所述光敏传感器置于室内，光照信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的光照强度情况。

在本发明的一种实施方式中，所述烟雾传感器安装于寝室的房顶上，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的烟雾浓度情况。

在本发明的一种实施方式中，所述电压电流互感器安装于寝室的电表中，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的用电量情况。

在本发明的一种实施方式中，所述水流量传感器安装于寝室的水表中，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的用水量情况。

在本发明的一种实施方式中，所述PC端收集到协调器发来的各项数据，进行图文分析，实时显示室内情况和能源消耗情况，并将数据存至本机数据库。

在本发明的一种实施方式中，所述中央管理系统为集中式网络的总控制端，能够收集并显示所有宿舍内的环境信息和能源消耗情况。

在本发明的一种实施方式中，所述中央管理系统通过大数据处理对所有宿舍的能源消耗情况进行整体分析。

对用电集中用户的区域增加无功补偿，降低供电传输过程中的损耗，提高电能的利用率，从而科学地解决能源分配问题。此外，通过分析故障危险多发区域，判别哪些厂家的产品发生故障的频率较高，及时更换设备，并在以后的设备品牌候选中排除对此厂家的选择，进而降低故障危险发生的频率。

在本发明的一种实施方式中，所述能源监管系统的大数据处理方法如下：

步骤(1)：数据的采集

客户端采集到宿舍内各传感器和互感器模块发送的温湿度、烟雾、用电量、用水量等数据。

步骤(2)：统计分类

中央处理系统访问服务器统计所有宿舍的参数信息，并对所有数据进行分类，便于接下来对数据进行分析。

步骤(3)：预处理

第采集统计到的庞大的数据进行数据过滤，排除掉无用的数据。

步骤(4)：数据分析

数据分析主要是利用一些算法对收集到的数据进行处理，得出分析结果，便于做出有效判断。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤(3)中的数据过滤为可通过对收集到的数据进行一次过滤操作来保证数据的正确性，可将收集到的明显有悖常理的错误数据滤去，从而避免对数据进行整体分析时造成较大误差。例如温度收集数据中，出现温度突增又回归常态的情况，就可以将之直接删除。具体分析步骤如下：

1)在Map阶段，每个map函数接收到的是一个前述的宿舍数据记录。其中，输入的<key,value>对分别是offset和line。其中offset作为key，line作为value。

2)对于输入的每条宿舍数据记录，在map函数中检查其内容和格式的合法性。对于不合法的不正常的数据不输送到Reducer(实现过滤)；对于合法的正常的宿舍数据，输出到下面的Reducer处理。

3)经过Shuffle阶段，从Map输送来的具有相同Key的<key，value>对被汇集到同一个Reducer端，而每个reducer函数只处理具有相同key的<key，value>对。过滤的方法很简单，只要对同一个key，在输出时只写一次即可。

伪代码如下：

Public class FilterMapper extends Mapper<LongWritable,Text,Text,Text>{

Public void map(LongWritable keyin,Text valin,Context context)

{

If(isLegal(valin.toString())){

Text keyout＝new Text(getURL(val))；

Context.write(keyout,valin)；

}

}

Public boolean isLegal(String val)

{

}

Public String getURL(val)

{

}

}

Public static class FilterReducer

extends Reducer<Text,Text,NullWritable,Text>

{

Public void reduce(Text keyin,Iterable<Text>valsin,Context context)

{

Boolean flag＝false；

For(Text val:valsin)

{

If(flag)break；

Else

{

Context.write(NullWritable.get(),val)；

Flag＝true；

}

}

}

}

在本发明的一种实施方式中，所述具体分析方法如下：

电能消耗情况分析：

先将学校划分为m个区域，采集到该区域所有宿舍用电量后，将其求和作为该区域的用电量，取用电量前20％的区域为用电集中区域，设其数目为n，运用海量数据处理方法中堆的概念，其基本原理为最小堆求前n大，特点为适用于数据量较多且n较少的情况，方法为比较当前元素与最小堆里的最小元素，如果当前元素大于最小元素，则当前元素将最小元素替换掉，这样扫描一遍后得到的元素就是最大的n个元素。将这n个区域划分为用电集中区域，对这些区域增加无功补偿，进而提高了电能利用率。

具体实现算法如下：

此算法与常见的排序算法相比，不会造成对整个数组进行全排序，不至于造成算法“冗余”，相对而言，算法的平均时间复杂度也更小，更简便。

本发明的有益效果为：

1.本发明操作简单便捷，对使用者的专业知识要求低，且适用人群广泛，可以轻松实现高校宿舍内各项能源指标的监管工作。

2.本发明应用ZigBee技术进行无线通讯，能耗低，数据传输可靠，学生通过访问中央管理系统便能查看宿舍内各项指标情况，便于学生及时发现问题并做出应对，也便于学校管理者随时查看终端远程监控平台了解能源消耗的分布情况。

3.通过大数据分析技术对整体能源消耗情况进行分析，进而通过采取相应措施减少能源传输过程中的浪费，增加了能源利用率。

4.本发明对各项指标的监控都由独立的传感器完成，因此数据十分精确，足够达到宿舍各项能源指标监管的需要。此外，各个独立的传感器也使得设备的维修更加简单。

附图说明

图1为本发明的宿舍能源监管系统的结构示意图。

图2为本发明的集中式通信架构图。

图3为本发明的宿舍能源监管系统具体的实施流程图。

图4为本发明的宿舍能源监管系统能源使用情况的评估标准。

具体实施方式

为了使本发明功能使用、技术优点更为清楚明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明：

如图1，本发明由中央管理系统、PC端以及ZigBee协调器端组成，中央管理系统以及PC端通过互联网实现数据传输，PC端与ZigBee协调器端则通过串口进行通讯。ZigBee协调器包括5个子节点，每个子节点又分别控制不同传感器，它们分别为监管宿舍室内温湿度的温度传感器、湿度传感器、监管宿舍光强的光敏传感器、监管宿舍空气质量的烟雾传感器、监管宿舍用电量的电压电流互感器以及监管宿舍用水量的水流量传感器。各传感器模块以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍监测网络，将采集到的温度、湿度、光照、烟雾、用水量、用电量等数据发送至ZigBee协调器；PC端收集到协调器发来的数据，进行图文分析及存储，实时显示室内情况，并将数据上传至服务器，中央管理系统通过访问服务器采集到所有宿舍的数据。管理者可以从中央数据库中查看各个宿舍的具体能源消耗数据，使用大数据处理技术分析学校内所有宿舍能源消耗的分布情况，并显示在远程监控平台。

如图2、3，每个宿舍为一个宿舍单元，采用集中式架构通信网络，中央管理系统为集中式通信架构的中心节点。

如图3，为本系统在具体应用时的步骤，本系统具体应用的步骤如下：

步骤S1，将以Zigbee无线传输协议组建的宿舍监测网络置于宿舍内。

步骤S2，PC端安装处理数据的软件。

步骤S3，各传感器采集宿舍温湿度、光照、烟雾、用电量、用水量等信息。

步骤S4，PC端显示室内能源消耗情况，并进行图文分析。

步骤S5，PC端将各数据信息上传至服务器。

步骤S6，中央管理系统访问服务器获取所有宿舍的数据。

步骤S7，通过大数据技术进行能源分析与管理。

如图3，能源监管系统的分析标准包括：对于用电量前20％的区域，增加无功补偿设备来降低电能传输过程中的消耗，增加电能利用率；对于用电量后20％的区域，不采取措施。对于故障危险高发设备及时更换，并不再选用此厂家的设备，对于故发生故障频率低及能耗低的设备，再次选购时可继续采用。

最后说明，以上实施方式以及具体案例仅用以说明本发明的方案，而非限制该专利的范围，但凡是对该专利的说明书或者是附图，流程图进行等效修改或替换的，却不脱离本专利所包括的范围，均在本专利的权利要求书的范围之类。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于物联集成技术的高校宿舍能源监管系统，其特征在于，系统包括传感器模块、PC端、服务器、中央处理系统、终端远程监控平台；所述传感器模块是ZigBee无线传输协议组建的传感器网络；所述ZigBee无线传输协议组建的网络，包括ZigBee子节点，ZigBee协调器；所述ZigBee子节点包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、电压互感器、电流互感器、水流量传感器；所述传感器模块以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍监测网络，将采集到的数据发送至ZigBee协调器；所述PC收集到协调器发来的数据，进行图文分析及存储，实时显示室内情况，并将数据上传至服务器；所述中央管理系统通过访问服务器采集到所有宿舍的数据；所述终端远程监控平台能够显示宿舍能源消耗的分布情况。

2.根据权利要求1所述能源监管系统，其特征在于，所述能源监管系统的应用方法如下：

步骤1)本系统使用前，将以ZigBee无线传输协议组建的宿舍监测网络模块置于宿舍内；

步骤2)PC端安装可以接收并处理数据的特定软件；

步骤3)在监管的过程中，各传感器采集数据，并将采集到的数据发送至PC端；

步骤4)PC端将采集到的温度、湿度、光照、烟雾、用电量、用水量等信息存放于本机数据库中；

步骤5)PC端访问本机数据库，显示室内能源消耗情况，并进行图文分析；

步骤6)PC端将各数据信息上传至服务器，中央管理系统主机通过访问服务器显示所有宿舍的数据信息；

步骤7)中央管理系统对所有宿舍的能源消耗数据进行整体分析。

3.根据权利要求1所述能源监管系统，其特征在于，所述温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、烟雾传感器、电压互感器、电流互感器、水流量传感器分别检测温度、湿度、光照、烟雾、用水量、用电量的数据。

4.根据权利要求1所述能源监管系统，其特征在于，所述传感器采集到的环境和能源消耗数据通过点播的方式发送至ZigBee协调器。

5.根据权利要求1所述能源监管系统，其特征在于，所述湿度传感器置于室内，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室里的湿度情况；所述光敏传感器置于室内，光照信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的光照强度情况；所述烟雾传感器安装于寝室的房顶上，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的烟雾浓度情况；所述电压电流互感器安装于寝室的电表中，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的用电量情况；所述水流量传感器安装于寝室的水表中，湿度信息传至Zigbee协调器，通过串口发送到PC端，用于实时感应并采集寝室内的用水量情况；所述PC端收集到协调器发来的各项数据，进行图文分析，实时显示室内情况和能源消耗情况，并将数据存至本机数据库。

6.根据权利要求1或2所述能源监管系统，其特征在于，所述中央管理系统为集中式网络的总控制端，能够收集并显示所有宿舍内的环境信息和能源消耗情况，通过大数据处理对所有宿舍的能源消耗情况进行整体分析。

7.根据权利要求6所述的能源监控系统，其特征在于，所述大数据处理方法如下：

步骤(1)：数据的采集

客户端采集到宿舍内各传感器和互感器模块发送的温湿度、烟雾、用电量、用水量等数据；

步骤(2)：统计分类

中央处理系统访问服务器统计所有宿舍的参数信息，并对所有数据进行分类，便于接下来对数据进行分析；

步骤(3)：预处理

第采集统计到的庞大的数据进行数据过滤，排除掉无用的数据；

步骤(4)：数据分析

数据分析主要是利用一些算法对收集到的数据进行处理，得出分析结果，便于做出有效判断。

8.根据权利要求7所述能源监控系统，其特征在于，所述步骤(4)的数据分析方法中对用电量的分析为：先将学校划分为m个区域，采集到该区域所有宿舍用电量后，将其求和作为该区域的用电量，取用电量前20％的区域为用电集中区域，设其数目为n，运用海量数据处理方法中堆的概念，其基本原理为最小堆求前n大，特点为适用于数据量较多且n较少的情况，方法为比较当前元素与最小堆里的最小元素，如果当前元素大于最小元素，则当前元素将最小元素替换掉，这样扫描一遍后得到的元素就是最大的n个元素；将这n个区域划分为用电集中区域，对这些区域增加无功补偿，进而提高了电能利用率。

9.根据权利要求8所述能源监控系统，其特征在于，数据分析方法的具体实现算法如下：

10.根据权利要求7所述能源监控系统，其特征在于，所述步骤(4)的数据分析方法中温度、湿度可采用分类预算法进行计算。