CN102184631A - 一种家庭能耗数据采集与实时显示系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭能耗数据采集与实时显示系统及其使用方法。其包括嵌入式一体化触摸屏、家庭能耗综合显示软件、基于电力线传输的载波电表和载波燃气表、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、开关电源模块、仪器外壳。其特征是系统基于嵌入式处理器和液晶触摸屏，并利用组态软件进行开发；现场数据采集基于电力线载波通信技术，短距离传输确保了大量数据采集的有效性；仪器外壳将嵌入式一体化触摸屏、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、开关电源模块集成后的装置整体结构紧凑、人机界面美观大方、整体运行功耗较低。

Description

一种家庭能耗数据采集与实时显示系统及其使用方法

技术领域：

本发明涉及到一种嵌入式数据采集与显示的系统，尤其是应用于家庭能耗数据采集与综合显示的系统。

背景技术：

据统计，中国居民生活能源消费占终端能源消费的比例仅次于工业部门。目前有关我国家庭能源消费的相关基础数据十分匮乏，针对家庭能耗进行的研究主要还是采用问卷调查的方式，缺少直观的数据支持。2010末年我国提出征求实施阶梯电价的反馈意见，更加突出了电力需求侧管理管理的现实意义。

国外的研究已经证明，家庭用户的生活和行为方式对居民生活能耗有着显著的影响，甚至大于建筑材料或者生活电器等对能耗的作用。通过入户安装实时能耗显示装置，从而形成对用户的激励，能够在一定程度上改变用户的耗能行为，并达到一定的节能效果。日本和加拿大最新的研究成果表明，实施该激励后的平均节能效益为10％-15％。

智能电网的提出，势必要求对以用电为代表的各种家庭能耗实施需量浮动费率，因此需要一种功能灵活多样的智能计量和显示装置。当前国内的研究主要集中于远程自动抄表系统的开发和研制，由于基于电力线载波通信的技术具有技术成熟，不用考虑布线等优点，因此被广为采用。但是由于电力线上干扰较大，远距离数据自动抄收效果并不理想，特别是短时间高频度的数据采集有效率不高，很难满足实际科研中样本数据的提取。目前，针对我国单个家庭用户的实时能耗计量显示系统或装置的研制较之国外尚属欠缺。基于现状，本发明人研制了一套适用于我国家庭用户的能耗数据采集系统和实时显示装置。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够有效采集家庭能耗数据并进行综合显示的系统。适用于家庭能耗样本数据的采集，以及居民行为节能方面的实验研究。通过记录和保存详细的历史数据，为家庭用户提供随时核对能耗消费情况的参考依据。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，包括嵌入式一体化触摸屏、家庭能耗综合显示软件、基于电力线传输的载波电表和载波燃气表、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、开关电源模块、仪器外壳。整个系统的数据处理和显示基于嵌入式处理器和Microsoft WindowsCE.Net 5.0操作平台；所述的嵌入式一体化触摸屏供电电源为DC24V，采用低功耗的S3C2410ARM9处理器和7寸真彩色液晶触摸屏；在用户家庭安装电力线载波电表和燃气表，其中电力线载波电表的测量精度为0.01度，载波燃气表的测量精度为0.01方；电力线载波数据采集集中器和家庭中的载波表通过电力线进行数据通讯；嵌入式一体化触摸屏与电力线载波数据采集集中器、以及温湿度传感器模块之间的数据传输基于RS485总线，遵守标准ModbusRTU通讯协议。所述的温湿度传感器模块的测温范围至少为-20℃-85℃，在室温为25℃时的测量精度至少为±0.3℃；所述的湿度测量范围为0-100％RH，测量精度小于等于±3％RH；所述的温湿度传感器模块的供电电压为DC24V。

所述的家庭能耗综合显示软件基于MCGS嵌入版组态软件，采集和显示了家庭最小单位时间至少为15分钟的用电量和天然气消耗量；绘制了每天、每周、每月、每年的能耗曲线；估算了整个家庭的日常生活碳排放量和当前室内的人体舒适度；模拟了阶梯电价或峰谷电价的施行效果；系统通过手动更改能耗费率，计算并显示了当前的能耗金额；另外，系统针对各模块的通信和停电等故障进行了报警和记录；系统还保存了至少三年的能耗数据和故障记录等信息，系统将上述信息导出的文件可以用Excel应用软件打开；系统默认运行方式为屏保显示效果，不会妨碍用户的日常生活。

所述的家庭能耗数据采集与实时显示装置。包括嵌入式一体化触摸屏、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、开关电源模块、仪器外壳。其中电力线载波数据采集集中器的输入部分与开关电源模块的输入部分相连，外接220V的交流电源；开关电源模块的输出部分为DC24V，通过导线与嵌入式一体化触摸屏和温湿度传感器模块的电源端口相连；电力线载波数据采集集中器的输出部分与温湿度传感器模块的输出部分相连，接至嵌入式一体化触摸屏上串口的7、8引脚；所述的仪器外壳将嵌入式一体化触摸屏、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、电源模块有机整合在一起，整个装置仅引出一条220V的交流电源线插头，设备密封良好，整体最大功耗不超过7W。

本发明的有益效果是：利用低压电力线载波进行短距离的数据采集和传输，保证了大量家庭实时能耗数据采集的有效性；整个系统基于嵌入式一体化触摸屏，采用MCGS嵌入版组态软件进行开发，数据处理功能强大，综合显示效果美观，开发周期短，未来升级拓展能力强；集成后的装置整体美观，低功耗运行，具备一定的推广价值。

附图说明：

图1是本发明的系统结构图。附图说明如下：

S1：AV220V电力线；S2：DV24V电源线；S3：RS485总线；E1：载波电表；E2：载波燃气表；K：温湿度传感器模块；F：电力线载波数据采集集中器；G：嵌入式一体化触摸屏；D：开关电源模块；C：仪器外壳。

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-2，本发明是这样实施的：一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，包括嵌入式一体化触摸屏、家庭能耗综合显示软件、基于电力线传输的载波电表和载波燃气表、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、开关电源模块、仪器外壳。整个系统的数据处理和显示基于嵌入式处理器；在用户家庭安装电力线载波电表和燃气表；电力线载波数据采集集中器跟家庭中的载波表通过电力线进行数据通讯；嵌入式一体化触摸屏与电力线载波数据采集集中器、以及温湿度传感器模块之间的数据传输基于RS485总线，遵守标准ModbusRTU通讯协议。

以某家庭为例，安装一种家庭能耗数据采集与实时显示系统。根据需要可以在该家庭安装具有低压电力线载波通信功能的载波电表、载波燃气表或是其他载波功能表，例如载波水表等，载波表需接至AC220V家庭电网中。将家庭能耗数据采集与实时显示装置的插头插上，该装置开机自动运行系统软件，并按照最小单位时间至少为15分钟的频率进行数据采集和处理。采集到的数据经过运算处理得到实时的能耗数据，将提取出的有效数据绘制成能耗曲线，各能耗曲线按照每15分钟、每小时、每天、每周、每月进行循环更新。用户可以根据实际情况设定当前的能耗费率，包括电价和气价。也可以自行设计三档阶梯电价进行模拟能耗计量。历史数据经过保存能够根据需要导出到外接存储器，如U盘上的指定位置，数据文件可以用Excel打开和编辑；当能耗数值或温湿度超过设定值时，系统显示报警，提醒用户能耗超标或改善家庭温湿度环境。在数据采集过程中出现通信故障或停电时，系统记录并保存故障信息，通过声光报警，提示用户采取相应措施。

系统的工作流程图如如图2所示，可具体描述为：

步骤S101，上电开机，启动工作流程。

步骤S102，加载驱动，主要包括液晶触摸屏和串口驱动程序等。

步骤S103，启动操作系统，即Microsoft Windows CE.Net 5.0嵌入式操作系统。

步骤S104，自动运行主程序，即家庭能耗数据采集与实时显示系统软件。

步骤S1041，启动各循环子程序，主要包括每秒故障巡检子程序，30s循环子程序，15分钟循环子程序，24小时循环子程序，每月循环子程序，每年循环子程序等。通过不同的循环子程序，将对数据进行不同的处理。

步骤S1042，嵌入式处理器通过串口向各通信模块发送标准ModbusRTU读取指令，各设备的串口参数设置要保持一致，但不同的设备需要分配不同的通信地址，对于所述的基于电力线传输的载波电表和燃气表，通讯等待时间至少为300ms。

步骤S1043，检测通信故障与否。

步骤S1044，如果出现通信故障，则液晶触摸屏上显示相关故障信息，同时对该故障进行记录保存。

步骤S1045，是在无通信故障时，系统各模块，如载波电表、载波燃气表、温湿度传感器等模块将当前的数据通过串口发送给嵌入式处理器，但采到的数据还要进行一定的转换处理才能最终显示和保存。

步骤S1046，根据不同的循环子程序，将采集到的数据分别进行计算、显示或存储。

步骤S105，在系统启动时，设置标志位对启动时间进行标记和保存，从而得到系统运行时间信息等。

步骤S106，系统开机运行后首先加载封面窗口。程序中各个窗口本质上是不同的线程，系统运行的过程中始终保持打开一个窗口同时关闭其他窗口，这样有利于系统的稳定。

步骤S107，判断是否有屏幕触摸动作，进而根据不同的触摸位置，调用不同的动作相应函数。

步骤S108，当系统运行在封面窗口时，自动打开计时器，等待10秒。

步骤S109，当系统运行在封面窗口时，等待触摸动作，或是计时10秒结束后，自动关闭封面窗口，加载启动窗口，该窗口也是系统运行时的门户界面。用来显示当前用电量和用气量、碳排放量、温湿度、人体舒适度、时间等实时数据和曲线。

步骤S110，当系统运行在启动窗口时，同时等待触摸操作，并打开计时器，进行20分钟倒计时。

步骤S1101，是当系统运行在启动窗口时，根据触摸点击到的不同按键，加载其他的窗口，如自动查询窗口、每周能耗窗口、每月能耗窗口、年度能耗窗口、阶梯电价窗口、故障记录窗口等。

步骤S1102，当系统关闭启动窗口，加载了其他窗口时，在个别窗口显示页面上设置了导出数据的选项，可根据需要将相关数据导出。

步骤S1103，根据步骤S1102中的选择，如果触摸了导出按键，这时系统会将相关数据导出到外接U盘的指定路径下，文件名根据导出数据以及时间信息等分别自动命名。文件格式为逗号分隔的.csv文件，该类文件可以用Office Excel软件打开。

步骤S1104，当系统关闭启动窗口，加载了其他窗口时，在这些窗口上设置了返回按键，可根据需要返回启动窗口，同时还将关闭已打开的其他窗口。

步骤S1105，当执行步骤S1101加载了其他窗口时，如果没有任何触摸动作，则计时器计时10分钟后，自动关闭本窗口，同时加载启动窗口。

步骤S111，当执行步骤S109，进入启动窗口后，计时器计时20分钟，期间如果没有任何触摸动作，则进入步骤S112。

步骤S112，加载屏保窗口，该窗口以较大字体凸出显示实时能耗信息，以及室内温湿度，从而对家庭用户形成潜在的节能提醒。

步骤S113，当系统在显示屏保窗口时，同时也处于等待触摸动作的状态，如果发生触摸动作，则关闭屏保窗口，加载启动窗口。

步骤S114，当系统在显示屏保窗口时，如果没有任何动作，则系统将始终保持屏保窗口的显示。

需要注意的是，在步骤S109中所述的人体舒适度采用的是温湿度指数定量计算法，计算方法及数学表达式如下：

DI＝T_d-0.55□(1-R)□(T_d-58)

其中DI为定量的人体舒适度指数；T_d为当前温度，采用华氏温度进行计算；R为相对湿度，即0□100％。当DI为60□65时，大部分人感到舒适；当DI＝75时，一半人感到不适；当DI＞80时，大部分人会感到不适。

而步骤S109中所述的家庭生活碳排放量的估算，主要是对家庭生活中的基础能源，电和气进行换算，其中每度家庭用电折算为0.90438Kg二氧化碳，每立方米家庭用天然气折算为2.16502kg二氧化碳。

在本实例中，低压电力线载波通信技术是通用公开技术，基于电力线传输的载波电表和载波燃气表为现有产品，2010年6月23日申请公开的中国专利ZL200810232504.0有详细的相关说明，因此本发明中对于涉及低压电力线载波通信技术的相关工作原理和设备并未做具体描述

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，包括嵌入式一体化触摸屏、家庭能耗综合显示软件、基于电力线传输的载波电表和载波燃气表、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块模块、开关电源模块、仪器外壳，其特征在于：系统基于Microsoft WindowsCE.Net 5.0嵌入式操作平台；在用户家庭安装电力线载波电表和燃气表；电力线载波数据采集集中器跟家庭中的载波表通过电力线进行数据通讯，其中电力线载波数据采集集中器的输入部分与开关电源模块的输入部分相连，外接220V的交流电源；开关电源模块的输出部分为DC24V，通过导线与嵌入式一体化触摸屏和温湿度传感器模块的电源端口相连；电力线载波数据采集集中器的输出部分与温湿度传感器模块的输出部分相连，接至嵌入式一体化触摸屏上串口的7、8引脚；所述的仪器外壳将嵌入式一体化触摸屏、电力线载波数据采集集中器、温湿度传感器模块、电源模块有机整合在一起，整个装置仅引出一条220V的交流电源线插头。

2.根据权利要求1所述的一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，其特征在于：所述的嵌入式一体化触摸屏供电电源为DC24V，采用低功耗的S3C2410ARM9处理器和7寸真彩色液晶触摸屏；所述的嵌入式一体化触摸屏与电力线载波数据采集集中器、以及温湿度传感器模块之间的数据传输基于RS485总线，遵守标准ModbusRTU通讯协议。

3.根据权利要求1所述的一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，其特征在于：所述的基于电力线传输的载波电表的测量精度为0.01度；载波燃气表的测量精度为0.01方。

4.根据权利要求1所述的一种家庭能耗数据采集与实时显示系统，其特征在于：所述的温湿度传感器模块的测温范围至少为-20℃-85℃，在室温为25℃时的测量精度至少为±0.3℃；湿度测量范围为0-100％RH，测量精度小于等于±3％RH；所述的温湿度传感器模块的供电电压为DC24V。

5.根据权利要求1所述的一种家庭能耗数据采集与实时显示系统的用途，其特征在于：所述的家庭能耗综合显示软件基于MCGS嵌入版组态软件，采集和显示了家庭最小单位时间至少为15分钟的用电量和天然气消耗量；绘制了每天、每周、每月、每年的能耗曲线；估算了整个家庭的日常生活碳排放量和当前室内的人体舒适度；模拟了阶梯电价或峰谷电价的施行效果；系统通过手动更改能耗费率，计算并显示了当前的能耗金额；另外，系统针对各模块的通信和停电等故障进行了报警和记录；系统还保存了至少三年的能耗数据和故障记录等信息，系统将上述信息导出的文件可以用Excel应用软件打开；系统默认运行方式为屏保显示效果，不会妨碍用户的日常生活。

6.基于权利要求1所述家庭能耗数据采集与实时显示系统的使用方法，其特征在于，按照下述步骤：

步骤S101，上电开机，启动工作流程；

步骤S102，加载驱动，主要包括液晶触摸屏和串口驱动程序等；

步骤S103，启动操作系统，即Microsoft Windows CE.Net 5.0嵌入式操作系统；

步骤S104，自动运行主程序，即家庭能耗数据采集与实时显示系统软件；

步骤S1041，启动各循环子程序，主要包括每秒故障巡检子程序，30s循环子程序，15分钟循环子程序，24小时循环子程序，每月循环子程序，每年循环子程序等。通过不同的循环子程序，将对数据进行不同的处理；

步骤S1042，嵌入式处理器通过串口向各通信模块发送标准ModbusRTU读取指令，各设备的串口参数设置要保持一致，但不同的设备需要分配不同的通信地址，对于所述的基于电力线传输的载波电表和燃气表，通讯等待时间至少为300ms；

步骤S1043，检测通信故障与否；

步骤S1044，如果出现通信故障，则液晶触摸屏上显示相关故障信息，同时对该故障进行记录保存；

步骤S1045，是在无通信故障时，系统各模块，如载波电表、载波燃气表、温湿度传感器等模块将当前的数据通过串口发送给嵌入式处理器，但采到的数据还要进行一定的转换处理才能最终显示和保存；

步骤S1046，根据不同的循环子程序，将采集到的数据分别进行计算、显示或存储；

步骤S105，在系统启动时，设置标志位对启动时间进行标记和保存，从而得到系统运行时间信息等；

步骤S106，系统开机运行后首先加载封面窗口。程序中各个窗口本质上是不同的线程，系统运行的过程中始终保持打开一个窗口同时关闭其他窗口，这样有利于系统的稳定；

步骤S107，判断是否有屏幕触摸动作，进而根据不同的触摸位置，调用不同的动作相应函数；

步骤S108，当系统运行在封面窗口时，自动打开计时器，等待10秒；

步骤S109，当系统运行在封面窗口时，等待触摸动作，或是计时10秒结束后，自动关闭封面窗口，加载启动窗口，该窗口也是系统运行时的门户界面；用来显示当前用电量和用气量、碳排放量、温湿度、人体舒适度、时间等实时数据和曲线；

步骤S110，当系统运行在启动窗口时，同时等待触摸操作，并打开计时器，进行20分钟倒计时；

步骤S1101，是当系统运行在启动窗口时，根据触摸点击到的不同按键，加载其他的窗口，如自动查询窗口、每周能耗窗口、每月能耗窗口、年度能耗窗口、阶梯电价窗口、故障记录窗口；

步骤S1102，当系统关闭启动窗口，加载了其他窗口时，在个别窗口显示页面上设置了导出数据的选项，可根据需要将相关数据导出；

步骤S1103，根据步骤S1102中的选择，如果触摸了导出按键，这时系统会将相关数据导出到外接U盘的指定路径下，文件名根据导出数据以及时间信息等分别自动命名。文件格式为逗号分隔的.csv文件，该类文件可以用Office Excel软件打开；

步骤S1104，当系统关闭启动窗口，加载了其他窗口时，在这些窗口上设置了返回按键，可根据需要返回启动窗口，同时还将关闭已打开的其他窗口；

步骤S1105，当执行步骤S1101加载了其他窗口时，如果没有任何触摸动作，则计时器计时10分钟后，自动关闭本窗口，同时加载启动窗口；

步骤S111，当执行步骤S109，进入启动窗口后，计时器计时20分钟，期间如果没有任何触摸动作，则进入步骤S112；

步骤S112，加载屏保窗口，该窗口以较大字体凸出显示实时能耗信息，以及室内温湿度，从而对家庭用户形成潜在的节能提醒；

步骤S113，当系统在显示屏保窗口时，同时也处于等待触摸动作的状态，如果发生触摸动作，则关闭屏保窗口，加载启动窗口；

步骤S114，当系统在显示屏保窗口时，如果没有任何动作，则系统将始终保持屏保窗口的显示。

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