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王丹丹
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文將物聯網、無線通信等技術引入校園后勤智能管理，建立了校園物聯網統一接入標準，搭建物聯網智慧平臺，設計實施了一套基于LoRaWAN的IT智能水、電表管理系統。實現了水、電表狀態信息的自動采集和智能控制，解決了以往人工抄表中的低效、誤差、商戶拖欠費等問題。通過和校園一卡通業務的對接，實現了商戶線上自助繳費，提升了校園水電能計量收費管理體系的*準性和規范性，拓展了物聯網技術在高校管理中的新應用。
關鍵詞：LoRaWAN；IOT；電水表管理系統；網絡協議
0引言
隨著各地高等院校辦學規模的日益壯大，校園里用水、用電設施的數量也隨之增多，售賣機、咖啡機、洗衣機等大批小型設備逐漸入駐校園，分散在辦公樓、宿舍樓等各處。傳統的水電能管理辦法像人工抄表、手動錄入及核算數據等耗時耗力，管理效率低下，不僅缺乏即時性和準確性，還存在商戶欠費難追繳等一系列問題。校園后勤管理亟需一種簡單、高效的智能系統，對校內商戶的用電、用水等進行科學化管理。基于此種需求，本文進行了深入研究，探討將物聯網(The11116X0-ofThings，I0T)技術引入校園后勤智能管理。建立校園物聯網統一接入標準，搭建校園LoRa$LongRange)物聯網智慧平臺，配合數量較少的低成本基站，設計出一套IT智能水、電表遠程管理系統。旨在實現對校園用電、用水設施的統一化管理，遠程自動抄表、智能提醒，繳費即通、欠費即停。在該系統設計中，我們對接了校園一卡通平臺，并將其作為水電費繳費渠道，實現商戶線上自助查詢和繳費，降低人力、時間等管理成本、*大的提升了管理效率。
1無線傳輸通訊技術的選用
針對智能水電表管理這種遠距離、低功耗、室外大規模接入的物聯網應用，目前市場上大多采用的是基于蜂窩的窄帶物聯網技術：NB-IoT(NarrowBandIntemetofThings)，NB-IoT由運營商統一部署覆蓋全國網絡。而高校物聯網應用，除了考慮技術可行性，還需考慮成本控制、風險控制等各因素，Semech公司推出的LoRa屬于線性擴頻的無線傳輸通訊技術，可以通過Mesh、星型的網絡協議和架構實現用戶自行組網，靈活性好、易于管控。兩種通訊技術的部署方式和相關特點對比如表1所示。
LoRa采用的是直序擴頻，使得擴頻調制后的信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息*需的*小帶寬。通過融合數字信號處理和糾錯編碼等相關技術，LoRa具備了遠距離、低功耗、以及性特點，維護和支持成本也較為低廉，非常適合低頻度、小數據傳輸。
LoRaWAN是基于LoRa遠距離通信網絡設計的一套系統架構和通訊協議，按照通訊協議分層，LoRa定義的是物理層，而LoRaWAN定義的是MAC層。
LoRaWAN技術搭配少數成本較低的基站，即可在校園區域內靈活部署、搭建一個具有數百甚至上千臺設備的智能網絡。它的覆蓋范圍不只局限在寬闊的室外，還可延伸到室內甚至地下室、地下電井等空間，從而實現長距離、大容量、低電池消耗的傳感網絡系統擴展。因其使用的是非授權頻段，組建成本較低，據可，種技術部署校園物聯網的多樣化場景需求。采集小數據的LoRa傳感器，如路燈控制、水表、電表等，再配上適合的電池可以使用較長的時間。
基于上述特點，本物聯網平臺的搭建以及智能管理的設計上，選擇了LoRaWAN這種技術。設計實現的IOT智能水、電表管理構如圖1所示。
該架構主要由智能終端（內置低功耗電、持LoRaWAN協議的采集器，負責收集據）、網關（G/eway，也稱為基站，負責據、協議、數據）、絡服務器（NetwoiSever）和系統應用（本方案中即為IOT智能水、電表管理）匹組成。采集端使用供電，與LoRaWAN網關實現雙向；網關WiFi網絡與網絡服之間雙向，從而實現自動抄表的數據傳輸。
2系統總體方案設計
2.1需求分析設計
通過前期調研，該智能水電表管理系統需求分析設計如下：
商戶管理：對校內商戶水、電表設施實現遠程監控和控制，并提供合同基本費率等關鍵指標的管理。
水、電表管理：對水電的用量數據進行實時智能上報和采集。根據對水電表的初始檢測實現智能通斷電，欠費即停、繳費即通。賬戶管理：實現商戶余額不足提醒，設備狀態、余額、繳費清單等的查詢。充值繳費：實現商戶線上自助繳費、余額查詢，方便財務管理。
2.2系統功能設計
根據確認后的系統需求，本文設計智能水、電表管理系統對應功能模塊如圖2所示。
基礎系統模塊：實現角色的管理等基礎設置。業務系統模塊：實現商戶的管理、關聯水電表的狀態檢測和計量計費，自動通斷電、自助充值繳費等。
2.3繳費模塊設計
在繳費模塊的實施環節，本文特別設計了與校園一卡通平臺的無縫對接。為每個接入商戶開設了校一卡通賬戶，商戶關注學校微信服務號，即可進行賬戶的信息綁定，實現線上水電自助繳費、余額查詢以及充值記錄的查詢等。這種充值方式即方便了商戶自助繳費，又簡化了對賬和結算流程、減輕了學校的管理壓力。
3智能水、電表的管理
3.1系統管理平臺
IOT智能水電表管理系統是通過IOTP(InternetOpenTradingProtocol，網絡開放貿易協議)來讀取水、電表定時上報的電量信息，向電表發送合閘/拉閘的命令，返回其狀態值。
智能水、電表系統后臺管理界面如圖3所示。
系統后臺可以實時監測每個接入商戶的即時賬戶余額、合同有效期、費率、***，以及各商戶名下的水電表安裝位置、各自用量等信息。為了簡化結算流程，本文設計將水電表的用量以商戶為單位進行匯總統-結算。
3.2商戶費用查詢及繳納
商戶余額查詢：商戶可以登陸web頁面或者通過學校微信服務號綁定其一卡通賬號，實現線上自助查詢。一卡通管理平臺通過調用用電管理系統的“查詢商戶信息"接口，返回商戶的基礎信息，調用“電費充值"接口返回商戶的卡號、充值金額、*一序列號等狀態信息。接口示例如圖4所示。
通過Web管理后臺，商戶可自行查詢名下所有設施的用水、電總量單項設施的即時用量及狀態，也可以通過繳費清單查詢繳費記錄，如圖5所示。
商戶費用繳納：商戶在學校微信服務號上，首先綁定為其開設的校園一卡通賬號，對校園卡進行充值，然后使用校園卡余額對水電費進行自助繳納，充值頁面同步顯示當前賬戶余額。充值繳費頁面如圖6所示。
4系統測試和運行
為了檢測系統是否滿足功能需求、商戶管理和使用過程中各環節是否運行通暢，測試期建立了測試商戶來模擬商戶使用，并在試運行期間完善了一些細節性問題如：商戶線上充值頁面增加“當前賬戶余額"展示，方便商戶查詢賬戶即時信息；將單個商戶下所有水電表的用量匯總實行統一結算，簡化結算流程；同時隨著商家的不斷入駐，在信號盲區增加基站進行補盲覆蓋。
目前這套IOT智能水電表管理系統已在校內具體實施數月有余，運行良好。從學校后勤、財務等管理部門和使用商戶的反饋來看，此次將物聯網技術應用到校園智慧管理的初步嘗試較為成功。
5AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺
5.1平臺概述
AcrelEMS-EDU校園綜合能效管理解決方案針對校園能源統計、后勤計費管理、校園運維管理等提供高校的信息化管理平臺。從“源、網、荷、儲、充"多個角度解析高校當下及未來的用能問題及用能需求，在統一的需求下“實現能源互補、信息互通"等管理模式。助力學校管理智能化、數字化、綜合化，實現節能校園、綠色校園、低碳校園。
5.2平臺組成
AcrelEMS-EDU高校綜合能效管理平臺采用開放的分層分布式網絡結構，主要由設備層、傳輸層、數據層、應用層組成。平臺融合電力監控、電能統計、電氣安全、電能質量分析及治理、智能照明控制、預付費等功能，用戶通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對企業用電進行進行集中監控、統一調度、統一運維，同時滿足企業用電可靠、安全、節約、高效、有序的要求。
5.3平臺架構
圖1 安科瑞高校綜合能效管理方案架構拓撲
6.1校園電力監控與運維
集成設備所有數據，綜合分析、協同控制、優化運行，集中調控，集中監控，數字化巡檢，移動運維，班組重新優化整合，減少人力配置。
6.2后勤計費管理
采用先進的網絡抄表付費管理技術，實現電、水、氣等能源綜合計費，實現遠程抄表、費率設置、賬單統計匯總等，支持微信、支付寶、一卡通等充值支付方式，可設置補貼方案。通過能源付費管理方式，培養用能群體和部門的節能意識。
6.2.1宿舍用電管理
針對學生宿舍用電進行管理控制：可批量下發基礎用電額度和定時通斷功能；
可進行惡性負載識別，檢測違規電氣，并可獲取違規用電跳閘記錄；
6.2.2商鋪水電收費
針對校園超市、商鋪、食堂及其他針對個體的水電用能進行預付費管理
6.2.3充電樁管理平臺
充電樁在“源、網、荷、儲、充"信息能源結構中是必*。充電樁應用管理同樣是校園生活服務中必*一部分。
6.2.4智能照明管理
通過對高校路燈的全局監測，提供對路燈靈活智能的管理，實現校園內任一線路，任一個路燈的定時開關、強制開關、亮度調節，以及定時控制方案靈活設置，確保路燈照明的智能控制和高效節能。
6.3能源管理系統
針對校園水、電、氣等各類接入能源進行統計分析，包含同比分析、環比分分析、損耗分析等。了解用能總量和能源流向。
按校園建筑的分類進行采集和統計的各類建筑耗電數據。如辦公類建筑耗電、教學類建筑耗電、學生宿舍耗電等，對數據分門別類的分析，提供領導決策，提高管理效能。
構建符合校園節能監管內容及要求的數據庫，能自動完成能耗數據的采集工作，自動生成各種形式的報表、圖表以及系統性的能耗審計報告，能夠監測能耗設備的運行狀態，設置控制策略，達到節能目的。
6.4智慧消防系統
智慧消防云平臺基于物聯網、大數據、云計算等現代信息技術，將分散的火災自動報警設備、電氣火災監控設備、智慧煙感探測器、智慧消防用水等設備連接形成網絡，并對這些設備的狀態進行智能化感知、識別、定位，實時動態采集消防信息，通過云平臺進行數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助實現科學預警火災、網格化管理、落實多元責任監管等目標。實現了無人化值守智慧消防，實現智慧消防“自動化"、“智能化"、“系統化"需求。從火災預防，到火情報警，再到控制聯動，在統一的系統大平臺內運行，用戶、安保人員、監管單位都能夠通過平臺直觀地看到每一棟建筑物中各類消防設備和傳感器的運行狀況，并能夠在出現細節隱患、發生火情等緊急和非緊急情況下，在幾秒時間內，相關報警和事件信息通過手機短信、語音電話、郵件提醒和APP推送等手段，就迅速能夠迅速通知到達相關人員。
7 結束語
人工管理、IC卡管理及本文設計實現的IOT智能水電表管理模式對比如表2所示。
與以往傳統管理模式相比，本文通過搭建校園物聯網平臺，設計了一套IOT智能水電表管理系統，對校園內各商戶的水、電表進行統一科學化管理，遠程自動抄表、智能提醒。該系統不僅解決了以往人工抄表效率低、誤差大、商戶欠費難追繳等問題，還能更加準確便捷的了解用水、電情況，并根據能耗等制訂后期節能計劃。
另外，通過對接校一卡通平臺，采用校園卡線上自助繳費的模式來進行水電費用的收繳，不僅大大減輕了財務部門的管理負擔，也使得整個水電能計量收費的管理體系更加*準、規范，*大地提高了后勤管理的工作效率。
這套系統的成功運行充分證明了物聯網技術在校園管理方面的積極作用。搭建的LoRa物聯網平臺接下來還會接入更多的物聯網終端設施，如智能門鎖、地磁感應、智能路燈等，開拓校園物聯網新應用，積極助力智慧校園的建設和發展。
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