高校宿舍水電表管理系統(tǒng)設計研究

張 昊

（南昌大學，江西 南昌 330027）

在高校學生宿舍活動過程中，水電使用屬于日常管控要點之一。若相關管理系統(tǒng)存在設計問題，便會導致水電收費處理出現(xiàn)混亂情況，進而降低學生日常生活質(zhì)量，不利于高校集中管控概念的落實。因此，需要結(jié)合相關系統(tǒng)設計內(nèi)容進行探究，明確其設計目標、基礎系統(tǒng)架構(gòu)、保障處理措施，確保其能夠針對高校學生宿舍水電應用進行科學管控，提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性，為未來進一步發(fā)展打下堅實基礎。

1 系統(tǒng)設計目標

所有系統(tǒng)在設計規(guī)劃處理的過程中，都需要針對應用目標進行明確。若目標清晰程度不足，便會導致系統(tǒng)設計出現(xiàn)混亂問題，不利于相關功能標準的進一步落實。功能主要由應用場合所決定，其容易受到多種因素影響，包括基礎任務、服務對象群體等。因此，在配置系統(tǒng)設計目標的過程中，需要首先結(jié)合相關功能需求進行規(guī)劃，明確需要選擇的應用設備，并了解技術實施方向，為后續(xù)進一步開展設計工作提供基礎條件。由于技術資源與設備資源在高校環(huán)境中相對有限，因此設計水電表管理系統(tǒng)時需要平衡資源應用，避免出現(xiàn)過剩浪費或需求處理不足等問題。

根據(jù)高校學生宿舍環(huán)境條件，常用水電表管理系統(tǒng)應當具備四種基礎特性：第一，水電表管理系統(tǒng)需要具備可靠性與實用性，確保其能夠針對學生宿舍日常應用進行統(tǒng)計，避免出現(xiàn)計算混亂或偏差等負面問題，保障水電應用管理處于正常狀態(tài)；第二，系統(tǒng)需要具備唯一性與一致性。水電表數(shù)據(jù)內(nèi)容相對較為復雜，二次核對難度極高。若管理系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差問題，便會導致運營成本嚴重上升，不利于高校宿舍進一步管理。因此，需要保證數(shù)據(jù)統(tǒng)計具有唯一性與實際一致性，避免出現(xiàn)偏差情況；第三，系統(tǒng)需要具備先進性。隨著高校不斷進行擴招，宿舍學生數(shù)量開始出現(xiàn)顯著提升趨勢。在這種背景下，宿舍水電統(tǒng)計管理形勢逐漸嚴峻，若硬件設備先進程度不足，便會導致后續(xù)無法滿足相關需求，不利于進一步開展管理工作；第四，系統(tǒng)需要具備易擴展性。在高校宿舍管理過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)差異需求標準。若系統(tǒng)擴展性不足，改動相關設置與硬件便會大幅增加成本。因此，應當注重系統(tǒng)的可擴展性，使其能夠為未來改動預留接口區(qū)域，降低升級所需成本級別。[1]

2 系統(tǒng)總體設計思路

本次系統(tǒng)設計主要分為三層基礎架構(gòu)，即基礎、管理、應用。基礎層架構(gòu)需要利用具備通信接口的水電表裝置進行架設，管理層架構(gòu)同樣需要采用對應裝置，并結(jié)合轉(zhuǎn)接口工控設備與雙絞線進行處理，使其能夠組成基礎總線網(wǎng)絡。水電表與工控裝置可以經(jīng)由定制化協(xié)議完成信息傳遞操作，同時可以接收來自應用層的命令參數(shù)，實現(xiàn)相關管控功能。應用層架構(gòu)需要采用數(shù)據(jù)庫與處理、操作服務平臺進行架設，其內(nèi)部存在工控裝置組成的通信網(wǎng)絡，協(xié)議類型為TCP/IP。應用端可以通過局域網(wǎng)指令對工控裝置發(fā)出相關信號，使其能夠?qū)⑿畔鬟f至管理層，進而達到操作處理目標。采用此類架構(gòu)設計方式具有顯著應用優(yōu)勢，例如分層設計能夠為后續(xù)差異研究工作提供模塊化開發(fā)條件，有利于定位故障情況，使調(diào)試與維護工作成本得到有效縮減。同時，三層架構(gòu)設計方案具備靈活拓展特性，相關數(shù)據(jù)內(nèi)容均存儲在數(shù)據(jù)庫應用服務器內(nèi)。后勤管理端可以通過軟件平臺對工控機與水電表設備進行統(tǒng)一控制，學生應用端則可通過互聯(lián)網(wǎng)連接對水電表系統(tǒng)平臺進行操作，了解當前水電應用情況并完成充值繳費。[2]

3 系統(tǒng)設計與實施

3.1 基礎層架構(gòu)設計

3.1.1 電表設備選擇

在基礎架構(gòu)系統(tǒng)設計階段，應當針對電表設備進行合理選擇，確保其能夠滿足應用需求，降低出現(xiàn)負面問題的概率。當前，市場內(nèi)常見電表類型主要包括三種，即IC 卡處理型、光感應遠程傳遞耗能型、單片機遠程傳遞耗能型。IC 卡類型主要利用單片機裝置完成基礎操作，其需要在傳統(tǒng)電表上增加紅外發(fā)射管，使其能夠?qū)Ρ肀P顯示數(shù)字進行計算，并交由單片機完成用電量分析、控制活動。單片機裝置配合IC 卡，即可將用電數(shù)據(jù)進行幣量轉(zhuǎn)換，并完成信息傳遞流程。光感應類型需要在傳統(tǒng)電表上增加光感應檢測頭，其能夠?qū)﹄姳硌b置旋轉(zhuǎn)狀態(tài)進行監(jiān)測。每完成一圈記錄，便產(chǎn)生一個脈沖信號，使其能夠有效記錄用電情況。單片機遠傳類型需要將相關裝置與軟件脈沖處理方案相結(jié)合，對電表用量進行精確計算，并利用單片機完成遠程抄表與監(jiān)控操作。經(jīng)過對比分析能夠發(fā)現(xiàn)，單片機遠程傳遞耗能型具有顯著應用優(yōu)勢，因此需要在基礎層架構(gòu)設計階段應用此類裝置進行部署。[3]

3.1.2 水表裝置設計

在基礎層架構(gòu)設計階段，需要針對水表裝置進行科學部署。為實現(xiàn)理想管控目標，水表裝置應當符合我國ISO4046B 標準，采用單流旋翼類型進行處理。其計算數(shù)量結(jié)構(gòu)需要與測量結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁耦合效果，并利用干簧管對水源流量進行計算，約每10L 產(chǎn)生一次計算脈沖。水表內(nèi)部應當安裝磁性保護設備，避免其受到外部磁力干擾導致計算出現(xiàn)偏差。水量計算階段，水表需要利用內(nèi)部電容與電阻構(gòu)成的防抖處理電路，將相關脈沖輸入單片機裝置，使其能夠在存儲器內(nèi)完成水量減法流程，實現(xiàn)管控目標。水表控制器在設計過程中，需要包含自動流量計算、通信接口、管控閥門等基礎功能模塊。在規(guī)劃階段內(nèi)，可采用單片機裝置、流量計算裝置、閥門檢測電路、電壓檢測電路進行設計，使控制閥門能夠在電控裝置管理下對水源通道進行操作。每達到單一計量單位，即10L，計算電路便需要發(fā)送脈沖序列，使其能夠被電控模塊所接收。若電控模塊判定該序列合法，則從已購買水量內(nèi)減去一單位。若已購買水量已耗盡，則控制閥門會自動進入關閉狀態(tài)。[4]

3.2 管理層架構(gòu)設計

在管理層架構(gòu)設計過程中，需要針對通訊方式進行合理規(guī)劃，確保其能夠達到理想應用目標。由于管理系統(tǒng)需要架設在高校學生宿舍內(nèi)，因此各方間水電管理應當與工控裝置相連接，實現(xiàn)集中化統(tǒng)一管理目標。值班區(qū)域工控裝置應當承擔上位機應用任務，按照應用層架構(gòu)設定標準執(zhí)行相關動作，并將動作時間、間隔時間等信息存儲至數(shù)據(jù)庫內(nèi)，為后續(xù)查詢提供基礎條件。水電表裝置在管理層架構(gòu)內(nèi)需要作為下位機，執(zhí)行智能管理模塊接收的命令，同時上報目前工作狀態(tài)與詳細數(shù)據(jù)，為遠程管理操作提供基礎條件。在這一過程中，數(shù)據(jù)傳遞與整合屬于有待解決的問題。為達到理想設計目標，需要保證通訊方案具備抗干擾能力，避免產(chǎn)生誤碼現(xiàn)象。同時，還需要保證通信質(zhì)量符合基礎需求，盡可能擴大數(shù)據(jù)傳輸范圍。工控裝置與水電表裝置應當保持電氣隔離，防范意外情況損害整體系統(tǒng)穩(wěn)定性。通訊方式需要采用高傳輸速率協(xié)議，盡可能提高動作執(zhí)行可靠性，降低維護成本。在管理層通訊設計階段，應當保證工控裝置與水電表裝置之間信息交換符合基礎標準。通信鏈路建立流程與解除流程需要通過核心站點產(chǎn)生的信息幀進行操作，各幀應當包含起始符號、地址域信息、控制碼數(shù)據(jù)等多個部分。各部分基礎長度為8 位二進制碼，在傳輸階段應當附加起始位、偶校驗位、停止位，確保通訊流程能夠達到理想效果，避免產(chǎn)生意外問題。

3.3 應用層架構(gòu)設計

在應用層架構(gòu)進行設計的過程中，需要明確相關組成部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)應用層需要包含與局域網(wǎng)相連接的數(shù)據(jù)服務平臺、個人管理平臺、交換裝置、工控機設備，應用層軟件體系可以采用CS、BS 結(jié)合架構(gòu)，使數(shù)據(jù)庫利用效率得到顯著提升。軟件發(fā)布也可部署于數(shù)據(jù)庫層面，使個人計算機終端可以連接局域網(wǎng)絡，獲得操作權(quán)限并發(fā)送包含IP 地址的應用信息。在學生端應用過程中，相關架構(gòu)需要借助網(wǎng)絡訪問軟件平臺，使對應功能得到實現(xiàn)，提高整體應用效果。

應用層架構(gòu)設計過程中，需要重視軟件功能模塊的規(guī)劃，確保其能夠得到有效部署。在高校學生宿舍水電管理階段，相關軟件層面需要設置系統(tǒng)權(quán)限控制模塊，使操作平臺能夠得到權(quán)限分配，避免產(chǎn)生異常操作問題。通常情況下，權(quán)限組規(guī)劃可分為超級管理員、常規(guī)管理員、學生三組。超級管理員具備添加、刪除、更改管理權(quán)限的應用功能，其處于系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，可以對設置進行管控并調(diào)整參數(shù)計算邏輯。例如，超級管理員可設定水電應用價格、允許透支極限金額數(shù)據(jù)、損耗比率等關鍵內(nèi)容。常規(guī)管理員相對于超級管理員權(quán)限數(shù)量較少，能夠根據(jù)其設定的項目進行管控，包括添加、修改學生客戶端信息等。除權(quán)限模塊外，水電表操作模塊也需要進行科學設計。通常情況下，此類操作模塊可以針對水電表管理裝置進行控制，執(zhí)行多種關鍵功能，如數(shù)據(jù)清零、斷電斷水、充值轉(zhuǎn)移等。除此之外，在應用層軟件設計階段還需要針對數(shù)據(jù)管理模塊進行規(guī)劃。此模塊可以對學生應用數(shù)據(jù)進行批量導入處理，同時能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)備份、恢復操作，允許批量生成房間工作信息，對整體管控流程具有重要影響作用。

4 系統(tǒng)運行保障性設計

4.1 可靠性設計方式

由于高校學生宿舍水電管理系統(tǒng)可能會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，容易導致統(tǒng)計偏差、計費不精確等現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，需要采取有效保障設計措施，使系統(tǒng)可靠性得到顯著提升，進一步強化應用效果。實踐設計階段，需要選擇符合標準的水電計量表。計量表質(zhì)量若存在異常問題，便會導致計算精度下降，不利于計費準確性提升。因此，需要選擇市場內(nèi)聲譽較為良好的供應商作為水電表供貨源，確保其能夠正常工作，降低出現(xiàn)問題的可能性。同時，還需要針對抄表裝置采取防干擾、防降額處理措施。在設計階段，可采用光電隔離應用方法，使整體干擾因素無法對內(nèi)部裝置造成影響，提高基礎穩(wěn)定性，為后續(xù)正常應用打下堅實基礎。除此之外，還需要利用UPS 與穩(wěn)壓裝置對系統(tǒng)供電模塊進行支持，確保在斷電情況下，整體應用效果仍然維持穩(wěn)定狀態(tài)。備用電源可采用鉛酸電池作為基礎材料，使其能夠在斷電情況下實現(xiàn)無縫連接效果，供應計算設備時間長度應大于72 小時。設計階段，可采用UPS 接口對供電狀態(tài)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，為后續(xù)穩(wěn)定工作打下堅實基礎。

4.2 抗干擾設計方式

抗干擾設計除水電表模塊外，還需要采取多種有效措施進行規(guī)劃，盡可能提高系統(tǒng)運行保障性，避免受到意外因素干擾。在底層傳輸設計層面，需要利用雙屏蔽總線結(jié)構(gòu)，通過差分信號方式進行傳輸，使抗干擾效果能夠達到最佳標準。上層傳輸結(jié)構(gòu)需要利用超五類UTP 雙絞線連接，使串擾產(chǎn)生概率能夠降至最低，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。硬件接口與總線需要利用光隔離轉(zhuǎn)換裝置連接，防范意外干擾因素出現(xiàn)。由于系統(tǒng)內(nèi)部包含大量地線結(jié)構(gòu)，各地線與其它地線之間存在緊密聯(lián)系。因此，為避免干擾影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要采取嚴格分離處理措施，使模擬地線、數(shù)字地線能夠得到有效隔離，最終匯集在系統(tǒng)地線區(qū)域，使其能夠與設備外殼實現(xiàn)連接效果。部分情況下，水電表管理裝置所處位置可能存在強電應用設備，此類設備內(nèi)部磁力、電力線會對整體系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重干擾。因此，為避免相關干擾問題出現(xiàn)，需要采取屏蔽措施，將計量表安裝在專用盒體內(nèi)。盒體外殼應當采用鐵皮進行制作，杜絕強電干擾因素產(chǎn)生。除此之外，工控裝置同樣需要進行強電隔離。通過將其部署在標準化網(wǎng)絡機柜內(nèi)，能夠有效隔絕強電干擾條件，實現(xiàn)穩(wěn)定運行的目標。采取此類措施可以降低干擾傳入概率，使應用系統(tǒng)處于友好電磁環(huán)境內(nèi)。但是，除硬件設備外，軟件平臺也可能受到意外干擾，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。因此，需要針對軟件平臺設計采取冗余解決方案。此類方案能夠?qū)﹃P鍵應用程序進行多次采集或重發(fā)編制處理，包括數(shù)據(jù)計算、信號收發(fā)等。通過應用三次以上重發(fā)處理機制，可以有效規(guī)避單次采集失敗造成的負面問題，有利于提高系統(tǒng)抗干擾級別。

5 結(jié)語

綜上所述，我國高校學生宿舍日?；顒又?，水電表管理屬于較為關鍵的任務之一。通過對相關應用系統(tǒng)進行深入研究，能夠明確設計與實施方法，有利于展開自動化管理工作，對未來進一步開展水電管控具有正面影響意義。[5]