浅析高校IOT智能水电表管理系统的设计及产品应用方案

摘要：本文将物联网、无线通信等技术引入校园后勤智能管理，建立了校园物联网统一接入标准，搭建物联网智慧平台，设计实施了一套基于LoRaWAN的IT智能水、电表管理系统。实现了水、电表状态信息的自动采集和智能控制，解决了以往人工抄表中的低效、误差、商户拖欠费等问题。通过和校园一卡通业务的对接，实现了商户线上自助缴费，提升了校园水电能计量收费管理体系的*准性和规范性，拓展了物联网技术在高校管理中的新应用。

0引言

随着各地高等院校办学规模的日益壮大，校园里用水、用电设施的数量也随之增多，售卖机、咖啡机、洗衣机等大批小型设备逐渐入驻校园，分散在办公楼、宿舍楼等各处。传统的水电能管理办法像人工抄表、手动录入及核算数据等耗时耗力，管理效率低下，不仅缺乏即时性和准确性，还存在商户欠费难追缴等一系列问题。校园后勤管理亟需一种简单、高效的智能系统，对校内商户的用电、用水等进行科学化管理。基于此种需求，本文进行了深入研究，探讨将物联网(The11116X0-ofThings，I0T)技术引入校园后勤智能管理。建立校园物联网统一接入标准，搭建校园LoRa$LongRange)物联网智慧平台，配合数量较少的低成本基站，设计出一套IT智能水、电表远程管理系统。旨在实现对校园用电、用水设施的统一化管理，远程自动抄表、智能提醒，缴费即通、欠费即停。在该系统设计中，我们对接了校园一卡通平台，并将其作为水电费缴费渠道，实现商户线上自助查询和缴费，降低人力、时间等管理成本、*大的提升了管理效率。

1无线传输通讯技术的选用

针对智能水电表管理这种远距离、低功耗、室外大规模接入的物联网应用，目前市场上大多采用的是基于蜂窝的窄带物联网技术：NB-IoT(NarrowBandIntemetofThings)，NB-IoT由运营商统一部署覆盖全国网络。而高校物联网应用，除了考虑技术可行性，还需考虑成本控制、风险控制等各因素，Semech公司推出的LoRa属于线性扩频的无线传输通讯技术，可以通过Mesh、星型的网络协议和架构实现用户自行组网，灵活性好、易于管控。两种通讯技术的部署方式和相关特点对比如表1所示。

LoRa采用的是直序扩频，使得扩频调制后的信号所占有的频带宽度远大于所传信息*需的*小带宽。通过融合数字信号处理和纠错编码等相关技术，LoRa具备了远距离、低功耗、以及性特点，维护和支持成本也较为低廉，非常适合低频度、小数据传输。

LoRaWAN是基于LoRa远距离通信网络设计的一套系统架构和通讯协议，按照通讯协议分层，LoRa定义的是物理层，而LoRaWAN定义的是MAC层。

LoRaWAN技术搭配少数成本较低的基站，即可在校园区域内灵活部署、搭建一个具有数百甚至上千台设备的智能网络。它的覆盖范围不只局限在宽阔的室外，还可延伸到室内甚至地下室、地下电井等空间，从而实现长距离、大容量、低电池消耗的传感网络系统扩展。因其使用的是非授权频段，组建成本较低，据可，种技术部署校园物联网的多样化场景需求。采集小数据的LoRa传感器，如路灯控制、水表、电表等，再配上适合的电池可以使用较长的时间。

基于上述特点，本物联网平台的搭建以及智能管理的设计上，选择了LoRaWAN这种技术。设计实现的IOT智能水、电表管理构如图1所示。

该架构主要由智能终端（内置低功耗电、持LoRaWAN协议的采集器，负责收集据）、网关（G/eway，也称为基站，负责据、协议、数据）、络服务器（NetwoiSever）和系统应用（本方案中即为IOT智能水、电表管理）匹组成。采集端使用供电，与LoRaWAN网关实现双向；网关WiFi网络与网络服之间双向，从而实现自动抄表的数据传输。

2系统总体方案设计

2.1需求分析设计

通过前期调研，该智能水电表管理系统需求分析设计如下：

商户管理：对校内商户水、电表设施实现远程监控和控制，并提供合同基本费率等关键指标的管理。

水、电表管理：对水电的用量数据进行实时智能上报和采集。根据对水电表的初始检测实现智能通断电，欠费即停、缴费即通。账户管理：实现商户余额不足提醒，设备状态、余额、缴费清单等的查询。充值缴费：实现商户线上自助缴费、余额查询，方便财务管理。

2.2系统功能设计

根据确认后的系统需求，本文设计智能水、电表管理系统对应功能模块如图2所示。

基础系统模块：实现角色的管理等基础设置。业务系统模块：实现商户的管理、关联水电表的状态检测和计量计费，自动通断电、自助充值缴费等。

2.3缴费模块设计

在缴费模块的实施环节，本文特别设计了与校园一卡通平台的无缝对接。为每个接入商户开设了校一卡通账户，商户关注学校微信服务号，即可进行账户的信息绑定，实现线上水电自助缴费、余额查询以及充值记录的查询等。这种充值方式即方便了商户自助缴费，又简化了对账和结算流程、减轻了学校的管理压力。

3智能水、电表的管理

3.1系统管理平台

IOT智能水电表管理系统是通过IOTP(InternetOpenTradingProtocol，网络开放贸易协议)来读取水、电表定时上报的电量信息，向电表发送合闸/拉闸的命令，返回其状态值。

智能水、电表系统后台管理界面如图3所示。

系统后台可以实时监测每个接入商户的即时账户余额、合同有效期、费率、以及各商户名下的水电表安装位置、各自用量等信息。为了简化结算流程，本文设计将水电表的用量以商户为单位进行汇总统-结算。

3.2商户费用查询及缴纳

商户余额查询：商户可以登陆web页面或者通过学校微信服务号绑定其一卡通账号，实现线上自助查询。一卡通管理平台通过调用用电管理系统的“查询商户信息”接口，返回商户的基础信息，调用“电费充值”接口返回商户的卡号、充值金额、*一序列号等状态信息。接口示例如图4所示。

通过Web管理后台，商户可自行查询名下所有设施的用水、电总量单项设施的即时用量及状态，也可以通过缴费清单查询缴费记录，如图5所示。

商户费用缴纳：商户在学校微信服务号上，首先绑定为其开设的校园一卡通账号，对校园卡进行充值，然后使用校园卡余额对水电费进行自助缴纳，充值页面同步显示当前账户余额。充值缴费页面如图6所示。

4系统测试和运行

为了检测系统是否满足功能需求、商户管理和使用过程中各环节是否运行通畅，测试期建立了测试商户来模拟商户使用，并在试运行期间完善了一些细节性问题如：商户线上充值页面增加“当前账户余额”展示，方便商户查询账户即时信息；将单个商户下所有水电表的用量汇总实行统一结算，简化结算流程；同时随着商家的不断入驻，在信号盲区增加基站进行补盲覆盖。

目前这套IOT智能水电表管理系统已在校内具体实施数月有余，运行良好。从学校后勤、财务等管理部门和使用商户的反馈来看，此次将物联网技术应用到校园智慧管理的初步尝试较为成功。

5AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-EDU校园综合能效管理解决方案针对校园能源统计、后勤计费管理、校园运维管理等提供高校的信息化管理平台。从“源、网、荷、储、充”多个角度解析高校当下及未来的用能问题及用能需求，在统一的需求下“实现能源互补、信息互通”等管理模式。助力学校管理智能化、数字化、综合化，实现节能校园、绿色校园、低碳校园。

5.2平台组成

AcrelEMS-EDU高校综合能效管理平台采用开放的分层分布式网络结构，主要由设备层、传输层、数据层、应用层组成。平台融合电力监控、电能统计、电气安全、电能质量分析及治理、智能照明控制、预付费等功能，用户通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对企业用电进行进行集中监控、统一调度、统一运维，同时满足企业用电可靠、安全、节约、高效、有序的要求。

5.3平台架构

6高校综合能效解决方案

6.1校园电力监控与运维

集成设备所有数据，综合分析、协同控制、优化运行，集中调控，集中监控，数字化巡检，移动运维，班组重新优化整合，减少人力配置。

6.2后勤计费管理

采用先进的网络抄表付费管理技术，实现电、水、气等能源综合计费，实现远程抄表、费率设置、账单统计汇总等，支持微信、支付宝、一卡通等充值支付方式，可设置补贴方案。通过能源付费管理方式，培养用能群体和部门的节能意识。

6.2.1宿舍用电管理

针对学生宿舍用电进行管理控制：可批量下发基础用电额度和定时通断功能；

可进行恶性负载识别，检测违规电气，并可获取违规用电跳闸记录；

6.2.2商铺水电收费

针对校园超市、商铺、食堂及其他针对个体的水电用能进行预付费管理

6.2.3充电桩管理平台

充电桩在“源、网、荷、储、充”信息能源结构中是必*。充电桩应用管理同样是校园生活服务中必*一部分。

6.2.4智能照明管理

通过对高校路灯的全局监测，提供对路灯灵活智能的管理，实现校园内任一线路，任一个路灯的定时开关、强制开关、亮度调节，以及定时控制方案灵活设置，确保路灯照明的智能控制和高效节能。

6.3能源管理系统

针对校园水、电、气等各类接入能源进行统计分析，包含同比分析、环比分分析、损耗分析等。了解用能总量和能源流向。

按校园建筑的分类进行采集和统计的各类建筑耗电数据。如办公类建筑耗电、教学类建筑耗电、学生宿舍耗电等，对数据分门别类的分析，提供领导决策，提高管理效能。

构建符合校园节能监管内容及要求的数据库，能自动完成能耗数据的采集工作，自动生成各种形式的报表、图表以及系统性的能耗审计报告，能够监测能耗设备的运行状态，设置控制策略，达到节能目的。

6.4智慧消防系统

智慧消防云平台基于物联网、大数据、云计算等现代信息技术，将分散的火灾自动报警设备、电气火灾监控设备、智慧烟感探测器、智慧消防用水等设备连接形成网络，并对这些设备的状态进行智能化感知、识别、定位，实时动态采集消防信息，通过云平台进行数据分析、挖掘和趋势分析，帮助实现科学预警火灾、网格化管理、落实多元责任监管等目标。实现了无人化值守智慧消防，实现智慧消防“自动化”、“智能化”、“系统化”需求。从火灾预防，到火情报警，再到控制联动，在统一的系统大平台内运行，用户、安保人员、监管单位都能够通过平台直观地看到每一栋建筑物中各类消防设备和传感器的运行状况，并能够在出现细节隐患、发生火情等紧急和非紧急情况下，在几秒时间内，相关报警和事件信息通过手机短信、语音电话、邮件提醒和APP推送等手段，就迅速能够迅速通知到达相关人员。

8结束语

人工管理、IC卡管理及本文设计实现的IOT智能水电表管理模式对比如表2所示。

与以往传统管理模式相比，本文通过搭建校园物联网平台，设计了一套IOT智能水电表管理系统，对校园内各商户的水、电表进行统一科学化管理，远程自动抄表、智能提醒。该系统不仅解决了以往人工抄表效率低、误差大、商户欠费难追缴等问题，还能更加准确便捷的了解用水、电情况，并根据能耗等制订后期节能计划。

另外，通过对接校一卡通平台，采用校园卡线上自助缴费的模式来进行水电费用的收缴，不仅大大减轻了财务部门的管理负担，也使得整个水电能计量收费的管理体系更加*准、规范，*大地提高了后勤管理的工作效率。

这套系统的成功运行充分证明了物联网技术在校园管理方面的积极作用。搭建的LoRa物联网平台接下来还会接入更多的物联网终端设施，如智能门锁、地磁感应、智能路灯等，开拓校园物联网新应用，积极助力智慧校园的建设和发展。

【参考文献】

【1】周克良，聂丛楠，邢素林.基于物联网Andmid平台的智能多用户电表系统设计[J].现代电子技术，2018，41(4)&116-118.

【2】邵泽华.智能燃气表的无线通信技术[J].煤气与热力，2016，36(03)，85-89.

【3】王亚楠，梁震鲁，李广福，陈强等.基于LoRaWAN的高校IOT智能水电表管理系统的设计及实现[J].齐鲁工业大学学报，2020，34(6)&39-43.

【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.

【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介

周洋，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事宿舍安全用电研究发展。