CN102256277A - 一种基于反馈机制的物联网环境下智能节电方法 - Google Patents

Abstract

基于反馈机制的物联网环境下的智能节能方法是一种利用物联网实现电能节约的解决方法。主要用于缓解当前能源储备减少，而需求量日益增大的压力。将各种家用电器和我们周围的网络联系在一起，该系统主要由基于无线传感器网络的物联网接线板、网关设备、基站、终端设备等组成。网关设备负责连接无线传感器网络与局域网、以太网以及手机GSM网，基站负责无线传感器节点。通过对温度和电量的采集和发送，使终端用户可以通过终端设备远程登录上位机系统，实时监控电能消耗情况，并能随时修改耗电量通断阈值，实现简便的自动控制。通过获取的信息，根据对应的反馈机制，影响人的消费习惯，节约能源。

Description

一种基于反馈机制的物联网环境下智能节电方法

技术领域

本发明是提供一种在物联网环境下，利用反馈机制实现电能节约的解决方法。主要用于在当前能源储备减少，而需求量日益增大的情况下，实现节约电能的目的，属于自动化和计算机技术交叉领域。

背景技术

随着能源危机的到来，节能减排已经成为全球共同的目标。我国更将节约能源列为我国的基本国策，标志着节能减排工作的全面展丌，成为全社会参数的国事、大事。

当前，由于没有一个既定的标准，对于个人来说，无法实时的判断电能的使用情况，导致电器在不同地方、不同时间消耗电能的多少很难在常规状态下统计出来；对于各大企业来说无法有效地管理各部门的电器的使用情况，方便快捷地查询当前的统计数据；而供电部门也不能很有效地掌握用户的使用情况，导致投入大量人力、物力、财力用于管理，在后期的电路检修中，也不容易发现用电使用异常情况。

与此同时，物联网作为继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业革命，2009年起吸引全世界的眼球，并开始迅速发展。据美国权威机构预测，物联网将成为下一个万亿级的通信业务。2010年两会期间，温家宝总理在政府工作报告中首次明确提出关注物联网的发展。同时政府也明确表示，将后续继续加大对于物联网技术的政策的扶持力度，继续大量增加在物联网产业中的资金投入。

物联网(Internet of Things，简称IOT)是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业革命。它的定义很简单：就是把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

物联网的概念如图1所示，其在时间、空间和物体三个层面上对现有的互联网做了极大的扩展。物联网技术的实现将智能化嵌入日常物体中，从而能使得用户无论在何时何地都能够取得与任意物体或任意其他用户间的通信，同时也使物体与物体间的通信变得可能。物联网概念的核心是以一种更智慧的方法通过利用新一代信息技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。进一步可总结为3I原则，即：

1、更透彻的感知(Instrumented)：利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程。

2、更全面的互联互通(Interconnected)：先进的系统可按新的方式协同工作。

3、更深入的智能化(Intelligent)：利用先进技术获取更智能的洞察并付诸实践，进而创造新的价值。

物联网的典型体系结构包括一个由传感器和短距离通信设备组成的本地网络，一个已有的可提供公共服务与通信的互联网环境，以及各种移动或固定的丰富的用户终端设备。物联网就是将这三个部分无缝地整合起来，将真实存在的物理世界与虚拟构成的电子信息世界连接起来，从而实现物联网的概念。

反馈机制(feedback)又称回馈，是控制论的基本概念，指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入，进而影响系统功能的过程，即将输出量通过恰当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较的过程。图2是反馈机制、学习能力以及知识的关系模型。在电能消耗中引入反馈机制的目的是为消费者提供一个工具以便更好地控制消费，尽可能的节约电能。图3是反馈机制影响决策图。

随着物联网技术的不断发展，使得人与物的相联越来越紧密，这为实现智能化管理能源使用成为可能，反馈机制的引入使得物联网技术与节能减排领域的结合成为必然的趋势。

电力革命的迅猛发展，不仅改变我们的现代生活，而且还扩大了世界对电力的需求。如何来满足对能源日益增长的需求已成为各国关注的焦点。因此，如何减少能源消费正成为一个工业和学术界的热点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于反馈机制的物联网环境下智能节电方法，弥补了上述情况的不足，利用物联网全面感知、可靠传递和智能处理等特性，可以提高生产效率，改变人类生活方式，积极推进“三网”融合，较好地促进了节能减排。

技术方案：本发明是利用反馈机制而形成的一种节能方法，不管是在何时还是何地，使用者都能获取实时能源消费信息，通过远程控制或者设定阈值实现电能的智能化管理，同时可以和通信运营商合作，丌发新型提醒业务，从而改变人类生活习性，减少能源消耗。调查结果显示通过实施这种方法能够有效地减少能耗。

本发明提出了一种物联网环境下的智能节电方法，包括物联网插座、物联网网关、后台管理平台软件以及优质售后服务。实现了物与物，物与人紧密联系的功能。该系统通过集成高精度电量采集芯片的物联网插座自组织网络，实现电量的采集与信息发送，通过配置有Win-ce操作系统的嵌入式开发平台E-Box3300作为物联网网关，进行数据发布，最后通过广域网或者其他终端设备进行远程查询和控制，实现可对所连接的所有电器进行耗电量的实时监测，并自组成网，将能耗信息在本地和用户终端同时显示，同时提供远程控制通断的功能，实现远程抄表和网络付款。此外，还可根据用户具体用电情况，提供个性化的节电方法。

方法流程

实现基于反馈机制的物联网环境下智能节能方法所包含的步骤：

步骤1)设计物联网插座。物联网插座主要包括电量测量模块、无线通信模块，用于耗电量数据的采集以及发送。

步骤2)设计测量系统通信模块片上程序。片上程序整体控制流程主要包括主程序、定时器和一个看门狗定时器。其中主程序主要负责无线数据的发射，以及数据反馈后的后续处理；定时器主要负责定时向中心节点传输传感数据；看门狗定时器负责监控节点工作情况，必要时将节点复位，保证系统可靠性与稳定性。

步骤3)设计无线传感器的自组织网络。通过多节点的自组织网络，构成数据采集网络，并进行数据的传送。

步骤4)设计基站，也就是数据的汇聚节点。根据分布在各处的无线传感器组成的网络发布的数据，进行数据的汇总，作为网关的前端装置，提供数据源。

步骤5)设计物联网网关。在该模型中eBox作为网关设备处于中心位置，它将ZigBee网络上传的用电量的采集数据通过Internet网络保存到数据库中，当用户想借助于手机获取数据时，eBox通过Internet网络访问数据库获取用户所需要的数据，然后再通过GSM网络将数据传给用户，而当用户想借助于电脑获取数据时，直接以Web的方式通过Internet网络访问数据库，获取用户所需要的数据。

步骤6)配置嵌入式开发平台E-Box3300上win-ce操作系统，提供网关软件开发平台。

步骤7)设计基站与网关接口软件，完成数据转接。通过使用Jave语言，设计数据转接软件，并安装在Windows ce 6.0操作系统上。

步骤8)设计后台管理软件，实现终端设备的数据获取，实现局域网内通信。

步骤9)将数据发布到WEB上，实现广域网内通信。至此，完成反馈机制整个流程的正向操作，也就是获取了进程或者行为的信息。

步骤10)设计专家系统。根据客户需求，进行数据挖掘，制定相关节电标准，有效管理电能使用。

步骤11)通过长时间、频繁地提供顾客信息，通过对比消费和引入激励，影响客户消费行为，在潜移默化中减少能源消耗。

步骤12)通过建立各种加密机制，解决感知节点的本地安全问题、感知网络的传输与信息安全问题和相关业务的安全问题，完善整个节能方法。

有益效果：基于物联网的节电系统，由物联网智能插座自组织形成的本地无线网络可以实时区域内各个电器的用电情况信息，并由本地服务器进行数据汇总，然后通过Internet或GSM网络发送到公网服务器上，用户或电力供应商可以在任意地点任意时间通过各种终端设备浏览所关心的数据，同时也可以远程控制智能插座的通断。此外，整个系统还能够通过分析大量用户的数据，来有针对性地给每位用户提出节能节电的参考方法；用户也可以在网上进行电费缴纳等操作。最根本的是可以从人的心理学出发，从根本上养成节能减排的习惯，治标治本。

该体系结构的优点在于：

◆无须布线，成本低，自动抄表，节省大量人力成本和物力资源；

◆准确性高，实时性好，从人的心理学出发，对养成良好用电习惯有非常大的作用；

◆通过反馈机制，及时获知用电情况，然后通过设置的相关控制策略处理相关情况，引入反馈和激励机制，诱导正确消费方式；

◆通过网内处理实现轻量计算，与外部系统联动性能强，构成无处不在的计算环境；

附图说明

图1是物联网的概念示意图。简单建立了物联网的概念模型。

图2是反馈机制、学习能力以及知识的关系模型，反馈机制促进了学习能力的提升。

图3是反馈机制影响决策示意图。

图4是基于物联网的智能节能系统结构示意图。根据物联网的三层体系建立了智能节能系统。

图5反映了反馈机制对于级联各个子系统的作用。

具体实施方式

整个基于物联网环境的智能节能方法具有低成本、低耗电、高可靠性、高技术含量、快速部署、使用方便等优点，同时可以根据不同的需求进行产品定制与实施。

图4是基于物联网的智能节能系统的典型架构图。用户需要做的唯——件事就是同使用普通插座一样，将电器电源插头连接到物联网智能插座下。物联网智能插座通过内置的传感器自动检测目标电器所消耗的实时电量，并通过内置的无线通信模块自组成网，连同带有物联网无线网卡的本地服务器一起，构成一个小型的本地无线传感器网络。物联网网关将收集到的所有智能插座的实时耗电量信息传送到以GSM手机无线通信网和Internet互联网为代表的外部公网上进行发布。最终用户可以通过各种终端设备(包括普通手机、智能手机、台式或笔记本电脑)，在远程访问到各个电器的耗电量信息。在此基础上，远端电器也能够被远端控制，用户也可获取相关节能建议，达到节电的目的。如图5所示反馈机制贯穿于整个系统中，是系统各部分级联的纽带。

在此，我们以南京邮电大学无线传感器网络研究中心为例，搭建一个整体的智能节能方案实例。首先，改造软件研究室和硬件研究室室内电路，安装物联网插座，使得所有用电设备电源均是来自上述插座。每个用电对象配备有具有独立的编号的插座，由此，基本完成电量采集与数据发送功能。

在实验室主任办公室内配置物联网网关，在E-Box上配置操作系统和相关应用软件，同时，将基站与网关相连，完成数据的汇总与转发。至此，完成数据的聚集与转发。

给每位对象提供一个登陆用户名和密码，可以打开已经申请好的智能节能系统管理平台网页，可以查询到当前本单位的用电量，结合其他单位的用电量，专家系统会给出相关节能建议；可以查看历史数据，分析用电量变化；同时管理员可以实时监测各用电对象，作出宏观调控。

根据反馈机制与激励机制，促进各用电对象节约用电，培养良好的用电习惯，当遇到险情或者用户不在时想远程控制实验室内部电源时，可以通过发送短信或者登陆智能节能系统管理平台网页进行远程控制。

具体方法为：

1)设计电量测量模块：在高精度电量测量芯片的平台上，自主开发出电量测量最小系统板；

2)设计无线通信模块：丌发出集合数据无线发送与接收和微控制处理器的Zigbee数据处理与通信模块；

3)设计物联网插座：在普通插座上开发嵌入电量测量与无线通信模块的物联网插座；

4)设计物联网插座的自组织网络：采用星型网络设计，通过多节点的自组织网络，把不同区域内的物联网插座联系起来，构建成网络，并进行数据的传送；

5)设计基站：设计基于PL2303芯片，实现USB和标准RS-232串行端口数据转换的基站外围电路；

6)设计物联网网关：以嵌入式处理设备E-box为中心，建立Zigbee、GSM、Internet等多类型网络连接，利用WCF异步访问机制，连接数据库；

7)在嵌入式开发平台E-box上自配置Win-ce操作系统，完成网关软件开发平台，同时设计基站与网关接口软件和数据转接软件，完成数据转接；

8)设计后台管理软件：利用WCF和Silverlight的网页设计技术，丌发出以网页形式呈现的数据处理，以Web的访问方式设计对SQL Server的数据库数据获取，实现网页数据刷新；至此，完成反馈机制整个流程的正向操作，也就是获取了进程或者行为的信息；

9)设计专家系统：利用计算机强大的数据处理能力，通过对数据库数据做均值分析、峰值分析、累积分析等数据清算，设计出适合不同客户需求的策略，各用户单独数据挖掘，制定了适合各用户自己的相关节电标准：

①制定自适应的通断电阈值，

②制定电器老化标准，

③制定节能小贴士。

Claims (1)

1.一种基于反馈机制的物联网环境下智能节电方法，其特征是该方法包括：

步骤1)设计物联网插座，物联网插座王要包括电量测量模块、无线通信模块，用于耗电量数据的采集以及发送；

步骤2)设计测量系统通信模块片上程序，片上程序整体控制流程主要包括主程序、定时器和一个看门狗定时器，其中主程序主要负责无线数据的发射，以及数据反馈后的后续处理；定时器主要负责定时向中心节点传输传感数据；看门狗定时器负责监控节点工作情况，必要时将节点复位，保证系统可靠性与稳定性；

步骤3)设计无线传感器的自组织网络，通过多节点的自组织网络，构成数据采集网络，并进行数据的传送；

步骤4)设计基站，也就是数据的汇聚节点，根据分布在各处的无线传感器组成的网络发布的数据，进行数据的汇总，作为网关的前端装置，提供数据源；

步骤5)设计物联网网关，在该模型中eBox作为网关设备处于中心位置，它将ZigBee网络上传的用电量的采集数据通过Internet网络保存到数据库中，当用户想借助于手机获取数据时，eBox通过Internet网络访问数据库获取用户所需要的数据，然后再通过GSM网络将数据传给用户，而当用户想借助于电脑获取数据时，直接以Web的方式通过Internet网络访问数据库，获取用户所需要的数据；

步骤6)配置嵌入式丌发平台E-Box3300上Win-ce操作系统，提供网关软件开发平台；

步骤7)设计基站与网关接口软件，完成数据转接，通过使用Jave语言，设计数据转接软件，并安装在Windows ce 6.0操作系统上；

步骤8)设计后台管理软件，实现终端设备的数据获取，实现局域网内通信；

步骤9)将数据发布到WEB上，实现广域网内通信，至此，完成反馈机制整个流程的正向操作，也就是获取了进程或者行为的信息；

步骤10)设计专家系统，根据客户需求，进行数据挖掘，制定相关节电标准，有效管理电能使用；

步骤11)通过长时间、频繁地提供顾客信息，通过对比消费和引入激励，影响客户消费行为，在潜移默化中减少能源消耗；

步骤12)通过建立各种加密机制，解决感知节点的本地安全问题、感知网络的传输与信息安全问题和相关业务的安全问题，完善整个节能方法。

Images