CN102292618B - 监测和管理公用事业设备使用情况的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使消耗者能智能地管理他们的能量消耗的系统和方法。在一个实施例中，用多个多端口引出口监测设备收集可能在住宅或商业环境内发现的多个器具的波形数据。对所收集的波形数据进行处理和分析，以得到按器具和/或按引出口和/或按用户指示功率消耗的功率消耗概况。

Description

监测和管理公用事业设备使用情况的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及用于公用事业设备使用情况的监测和管理的方法和系统。
背景技术
随着对全球变暖的密切关注，市政和社团改善节能的努力业已不断增大。例如，美国一些主要城市都已各自许诺到2012年将它们的排放水平降低到比1990年低7％。新的开发者或许响应上涨的市场和市政的压力，业已开始遵循美国绿色营建理事会领导在能量和环境设计(LEED)规划中所制定的标准。最后，许多公司启动绿色公司能量推销活动，并且只要可能就增加绿色产品系列。
随着全球变暧媒体新闻报导的增加，普通消费者对降低碳排放物的愿望处于历史最高记录，61％的人口将全球变暖看作现实忧虑。不幸的是，现在还没有成本低、收效大的和系统性的方式来将这个愿望变成严格的可度量的资源保护工作项目。一方面，典型和方便的个体节省资源的方式很难量化(例如，采取较简短的显示)。另一方面，重大的节能工作项目(诸如太阳能转换)是非常昂贵的，并且需要显著地改变生活方式。此外，在消耗者试图节能时，他们不能看到他们集体努力的效果。这种信息的缺乏使人对节能的努力失去信心，这可以部分说明为什么大多数人依赖团体和政府来带领大多数绿色工作项目。
在这个背景内，家庭不幸正在成为不断增长的CO2排放物源。科学家们相信，煤炭型发电厂发电的CO2排放物占美国CO2排放物的25％。按照2005年的统计数字，值得注意的是，分配给住宅、商业、工业各端的电有20％是浪费掉的。这总共每年要放出1.2×1013磅的CO2。随着住宅规模的增大和电子设备的进一步普及，由于住宅部分而浪费的电的份额从1950年的占23％增大到2005年的占30％。
同时，电费的增加已比通货膨胀快得多。全国性的平均公用事业设备开支从2003年到2008年平均增加30％，是自七十年代的能源危机以来最为急剧的暴涨。这对许多家庭预算提出了严厉的挑战，由于公用事业设备支付上跟不上从而停用公用事业设备的家庭业已大量增加。
大部分电费增加是由于燃料费的增加而引起的。许多形式的煤炭的费用从2007年夏季到2008年夏季几乎涨了一倍，而天然气的价格在最近几年中也已暴涨(紧紧跟着石油的价格)。核能是昂贵的，而且需要非常大的投资，还有发展武器的嫌疑和遭到基于NIMBY的反对。水力发电难以规模有进一步扩大，因为大多数可以建坝的河流都已给建了坝。太阳和风能是昂贵的，而且规模仍然是非常小的。因此，不太可能将以上的任何组合在规模上扩大到满足在今后几年内的新的需求，更不用说满足降低煤炭使用的可能方针目标。因此，对我们的能源问题的许多最有效果的解决方案将是使各个个体可以控制和降低他们的电需求的解决方案。
所需要的是一种技术，这种技术可以：(a)通过以足够粒度收集数据帮助使普通消耗者能控制他的电消耗，以促进节能；以及(b)使消耗者能看到他与其他消耗者一起节能的努力可达到的总的定量效果。此外，这种技术应该易于安装和使用，因此激励个体在他们的增长的生态意识和省钱的愿望上采取行动。这样，这种技术将有助于降低现在在能量使用中固有的不自作为的问题和减少我们的整体碳足迹。
本发明考虑到这些关注的问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的是使消耗者能智能地管理在住宅或商业环境内多个用户和/或多个负载的电消耗。
本发明的有关目的是提供一种用一些多端口引出口监测设备(OMD)收集可能在住宅或商业环境内发现的多个器具的波形数据的系统和方法，以得到按器具和/或按位置和/或按用户指示功率消耗的功率消耗概况。
作为一种使消耗者能智能性地管理在住宅或商业环境内多个用户和/或多个负载的能量消耗的方法，本发明的一个实施例包括至少下列操作：用多个多端口监测设备(OMD)独立测量包括由相应多个负载消耗的电能的至少一个特性的波形数据；用多个多端口监测设备(OMD)中的至少一个多端口监测设备(OMD)独立测量包括由至少两个同时与至少一个多端口监测设备(OMD)的各自下引出口和上引出口连接的负载消耗的电能的至少一个特性的波形数据；将波形数据发送给系统控制器；以及在系统控制器处分析波形数据，以确定至少一个能量消耗概况。
作为一种使消耗者能智能性地管理在住宅或商业环境内多个用户和/或多个负载的能量消耗的系统，本发明的一个实施例至少包括多个与收集和分析波形数据的系统控制器无线连接的多端口引出口监测设备(OMD)。每个多端口引出口监测设备(OMD)与一个或多个标识消耗者站点的至少一个电负载的相应普通家用器具关联。系统控制器包括：接收各个多端口引出口监测设备(OMD)所测量的波形数据(例如，电压和电流值)的装置；与系统控制器关联的存储器，用来存储波形数据；至少一个处理器，用来根据波形数据计算与功率消耗有关的参数值，以得到与功率消耗有关的信息；以及将与功率消耗有关的参数值分发给各有关方的装置。
作为一种至少包括使消耗者能智能性地管理在住宅或商业环境内多个用户和/或多个负载的能量消耗的计算机程序代码的计算机可读媒体，本发明的一个实施例至少包括执行下列操作的计算机程序代码：用多个多端口监测设备(OMD)独立测量包括由相应多个负载消耗的电能的至少一个特性的波形数据；用多个多端口监测设备(OMD)中的至少一个多端口监测设备独立测量包括由至少两个同时与至少一个多端口监测设备(OMD)的各自下引出口和上引出口连接的负载消耗的电能的至少一个特性的波形数据；将波形数据发送给系统控制器；以及在系统控制器处分析波形数据，以确定至少一个能量消耗概况。这种计算机代码可以包括按照用户时间、位置或器具或者它们的组合解出波形数据的进一步操作。
附图说明
从以下结合附图所作的对本发明的详细说明中可以清楚地看到本发明的这些及其他一些目的、特征和优点，在这些附图中：
图1为其中可以使用本发明的系统的示范性住宅的示意图；
图2为示出引出口监测设备(OMD)通过操作连接到现有电路上的操作示意图；
图3为按照一个实施例的单引出口监测设备(OMD)的功能电路框图；
图4a和4b为按照本发明的实施例应用切换模块的双端口引出口监测设备(OMD)的功能电路框图；
图5a和5b分别为例示按照本发明的与图4a和4b相同的实施例的切换模块的功能操作的简化框图；
图6a、6b和6c示出了与多个OMD通信的系统控制器和接口；
图7为由系统数据库实现的供本发明配合使用的表的实体关系图；
图8为按照一个实施例的设备功率特征表的栏目说明；
图9为按照一个实施例的使用情况表的栏目说明；
图10为按照一个实施例的用户表的栏目说明；
图11为所设想的用来显示与电消耗和器具使用情况关联的各种参数的示范性GUI(图形用户界面)界面。
具体实施方式
在以下讨论中，给出了许多具体细节，以便对本发明可以有深入的理解。但是，该领域内的技术人员可以看到，本发明可以在脱离这样一些具体细节下实践。在其他一些情况下，一些众所周知的元件以示意图或方框图的形式示出，以便使本发明不致由于不必要的细节而模糊不清。涉及网络通信、电磁信号传送技术之类的细节均已略去，因为这些细节对于完全理解本发明来说并不是必需的。可以认为，这些细节是有关领域内的普通技术人员都是知道的。
本说明书例示了本发明的原理，因此可以看到，该领域内的技术人员将能设计出各种方案，这些方案虽然在这里没有明确说明或示出，但体现了本发明的原理，从而包括在本发明的精神和范围之内。
在这里所列举的所有例子和所叙述的条件性语言都意在教学用途，使得读者可以理解本发明的原理和本发明人所提供的构思对该技术领域都是有益的。可以将这些例子认为并不是对这样具体列举的例子和条件有所限制。
此外，在这里叙述本发明的原理、情况和实施例及其具体例子的所有陈述都意在包括在结构和功能上与其等效的对象。此外，还意味着，这样的等效对象包括当前已知的等效对象，也包括将来开发的等效对象，即所开发的用来执行同样的功能的任何元件，无论其结构如何。
图中所示出的各种元件的功能可以用专用硬件以及与适当软件结合能够执行软件的硬件来提供。在由处理器提供时，这些功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个个体处理器(其中有一些可以是共享的)提供。此外，所谓“处理器”或“控制器”不应该被解释为只是指能执行软件的硬件，而是隐含地包括(但不局限于)数字信号处理器(DSP)硬件、存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。
还可以包括其他硬件，传统的和/或定制的。类似地，图中所示出的任何开关只是概念上的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互作用甚至用手动操作执行，具体技术是可由执行者按对环境更为具体的理解选择的。
定义
所谓器具如在这里所使用的是指任何可以与墙上插座电连接的设备。
所谓多路复用如在这里所使用的是指根据两个或更多个输入数据流产生单个合并数据流的操作。
所谓去多路复用操作如在这里所使用的是指多路复用操作的逆处理，在这个处理中恢复业已被多路复用的原始信号。
所谓波形数据如在这里所使用的是指作为时间函数的电流和/或电压。它还可以指作为时间函数的功率。
I.引言
按照本发明的实施例，提供了一种测量系统和所关联的方法，用来测量在一个住宅或商业环境内的多个负载和/或多个用户的电能消耗。本发明的测量系统适合与现有的住宅配电系统(不需更改)配合使用。
按照本发明的一个方面，可以用能量消耗数据来计算一些消耗者站点(例如，参与家庭)的耗能概况。还可以用这些能量消耗概况来计算一组消耗者站点(例如，一个社区、城镇、县等)的总能量消耗概况。此外，可以用与一个特定的所监测的器具关联的耗能概况与类似的一些器具的总耗能概况一起来标识所监测的这个器具与所监测的这些类似器具的能量消耗之间的实际能量消耗的差别。
按照本发明的另一个方面，能量消耗概况可以从各个消耗者站点汇集后传送给一个专用于消耗者的电和器具使用情况数据的集中式专利性数据库。可以根据这数据产生类属人口统计信息，供在相对个体消耗者耗能数据相互对照中使用。在有些实施例中，可以收集的信息的类型可以包括例如消耗者的电和器具使用模式、器具的电消耗模式和对电消耗模式的地理分类。可以用这信息来告诉客户对于所收集的器具实际使用数据来说在电消耗上是最佳的实践，这将驱使在客户之间交流对购买高能效器具的了解。这又将驱使器具制造商将他们的器具做成能效更高的从而更能引起消耗者兴趣的。在一个实施例中，收集与正在怎样用电的情况有关的地理和人口统计数据，这对于电力公司的价格制定和政府附属机构的决策具有战略性价值。
按照本发明的一个方面，能量消耗还可以按消耗者站点组成部件标识。从特定的消耗者站点展望，系统提供了为社区节能工作项目以及交换节能思想的论坛提供概要数据的能力。系统可以进一步用作减少污染排放物的市政工作项目的平台。例如，城市可以求助于这种系统，使城市的节能工作项目得到官方度量和广泛认识。
对所分析的能量消耗数据感兴趣的各方可以包括消耗者、发电站、电力分析家、电力经纪人、政府机构、管理机构和器具制造商中的任何一方。在一个实施例中，提供了万维网接口，以使有关各方可以得到能量消耗信息。
这种系统的优点可以包括例如按器具和/或按消耗者站点组成部分和/或按站点房间标识能量消耗，从而提供以高粒度跟踪能量消耗的能力。其他优点包括按器具汇总能量消耗数据，以对能效水平进行量化，超过通常已知的“EnergyStar”标记或其他类似的效率评价系统。
住宅实施例
现在参见图1，图中示出了其中可以使用本发明的系统的示范性住宅2的示意图。虽然在这里所说明的系统适合测量在一个包括(但不局限于)单个家庭住宅或多个家庭住宅诸如公寓大楼的住宅环境内的能量消耗，但对于看到在这里所给出的说明的该领域内的技术人员来说显而易见的是，这种系统可以用于其他适当的环境，包括商业、工业和电力部门的应用。
系统包括通用计算机系统，诸如系统控制器50，其中装有通用操作系统(例如，基于Intel的操作系统、基于Unix的操作系统等)，包括提供在这里所说明的操作的必需功能的应用软件。系统控制器50包括通过无线链路、有线链路或它们的组合与系统的多个引出口监测设备(OMD)12-1至12-7通信的接口(未示出)。OMD 12与在住宅2内所发现的各个电引出口通信连接。在住宅内所发现的引出口通常按房间和/或楼层安装。例如，如在这里所示，为简单起见，这些OMD 12示为用于特定的一组房间。
在至少一个实施例中，系统控制器50被配置成接收与分布在整个住宅环境2内的受系统的OMD 12-1至12-7监测的器具所消耗的电能的至少一个特性有关的数据。
这些OMD 12将电消耗的至少一个特性，诸如电流、电压或功率波形数据，发送给系统控制器50的一个接口。这个接口能接收来自每个OMD 12的带时间标记的安全包消息。接口将来自各个OMD 12的数据包传输按它们被接收的次序排队。
在一个实施例中，OMD 12通过使用诸如ZigBee协议之类的低功率无线通信协议的无线链路与系统控制器50通信。ZigBee建立在与约束Bluetooth和Wi-Fi的那些标准类似的电气与电子工程师学会(IEEE)全球标准802.15.4上。
在一个实施例中，电流和电压波形数据从在每个引出口处的分辨率为16比特、采样率为1kHz的OMD 12发送。在这样一个实施例中，因此可以计算出一个给定的OMD 12(用于单引出口配置)的数据率，为32k比特/秒(1kHz＊16比特/数据样本＊2个波形)。对于一个2引出口配置来说，所需的OMD 12的数据传输速度为64k比特/秒，这完全在2.4GHz频带的Zigbee的250k比特/秒的容量之内。
引出口监测设备(OMD)12被配置成周期性地或按需要将测量数据发送给系统控制器50。每个引出口监测设备(OMD)12被配置成通过电引出口测量电压电路。
系统控制器
在一个实施例中，系统控制器50包括配置成保存、组织和分析从一个或多个OMD 12发来的测量数据。每个OMD 12被指配唯一的地址，以使系统控制器50可以确定正在与系统控制器50交互作用的是哪个OMD 12。此外，利用这地址，系统控制器50可以在必要时将通信信号发送给所选的OMD 12。例如，系统控制器50可以选择单个OMD 12来“接通”或“断开”连接到这个OMD 12的任何一个或两个插座上的任何器具。系统控制器50还可以选择OMD 12，请求所选的OMD 12进行传输。
测量数据的组织包括系统控制器50单独地测量和记录例如多个负载中的每个负载或多个用户中的每个用户的能量消耗。汇总能量消耗数据的其他方法在本发明的预期之内，因为对于读者来说这些方法将是显而易见的。例如，用户可以选择按位置(例如起居室)或按一个或多个设备特性(例如可再充电设备)进行汇总。系统控制器50被配置成访问测量数据和记录测量数据，以产生每个负载和/或每个用户的能量消耗的测量数据的汇总。利用测量数据的汇总，可以计算出每个用户和/或每个负载的能量消耗的费用，从而可以更好地管理多个用户和/或多个负载的使用情况和/或能量消耗。
系统控制器50通过用专利性信号处理算法处理来自OMD 12的波形数据来获得测量数据。在一个实施例中，经处理的数据将由专利性的器具检测系统(ADS)分析，通过对OMD信号的分析，识别连接到OMD 12上的器具。如果ADS不能产生明确地识别一个器具，就提醒客户标识这个器具，使ADS可以“学会”将这个OMD信号与新标识的器具关联。在一个实施例中，为客户提供了保证完成人工标识的诱导。在一段学习时间后，ADS将能自动识别被插入OMD的器具。
引出口监测设备(OMD)
现在再回到图2，图中示出了按照本发明的一个实施例适合诸如通过插入墙上插座(电源插座)250与现有电路电连接的引出口监测设备(OMD)12。在操作中，将OMD 12插入墙上插座250后，就可以将负载240与OMD 12电连接。负载240可以具有任何消耗所提供的电能的配置。负载240的例子包括(但不局限于)电视机、计算机、洗衣机、干衣机、烤箱、洗碗机、冷藏箱、冷冻箱、微波炉、垃圾压缩器、机动车、灯和可移动厨房器具(诸如华夫饼干制作器、烤面包器、搅拌器、混合器、食品处理器、咖啡壶之类)。
在一个实施例中，OMD 12可以接纳负载240的标准插头。在这里所示的实施例中，OMD 12被配置成一个双插座OMD 12，引出口监测设备(OMD)12的每个插座与墙上引出口250中的一个相应插座关联。应注意的是，本发明的关键特征是，使用OMD 12允许继续使用多端口墙上引出口的所有引出口，因为OMD 12与它所插入的墙上插座的足迹基本一致，在这个实施例中示出了使用双端口墙上引出口250的两个引出口的情况。
图3为单插座实施例的引出口监测设备(OMD电路)300的功能电路框图。OMD电路300通常包括与控制和通信块(CCB)304通信连接的波形采样器电路302。作为例示，CCB 304含有微控制器单元(MCU)340和存储器344。
波形采样器电路
波形采样器电路302被配置成对负载上的电流和电压波形采样，并进行必要的滤波，以保持高的信噪比。在一个实施例中，波形采样器302可以用诸如模拟器件公司(Norwood，MA)的ADE 7753之类的高度集成的电路实现。在所说明的实施例中，波形采样器电路302包括连接到墙上插座250上的开关322，用来在器具插头插入墙上插座250时将OMD 12接通。在这个实施例中，电流传感器326处于线路的高压侧，而电压传感器328与负载330并联。电流传感器326可以是任何已知的或所设想的电流传感器，例如包括电阻性分流器、电流变压器、霍尔效应传感器或Rogowski线圈。电流传感器326和电压传感器328的输出由前置放大器(未示出)隔离。整流单元(未示出)可以是任何高效整流电路，例如可以建立在反极性转换器上，为使用中的电子线路提供来自AC(交流)线路的功率。一个与整流单元连接的级设置用于对负载进行电压测量的基准电压，如地。信号处理模块332用任何已知的或所设想的方法，包括例如无源和有源模拟滤波、数字信号处理或这些的任何组合，滤除噪声，以增大信噪比。波形采样器电路302包括设置波形采样频率的定时电路(未示出)。波形采样器电路302内所使用的采样率由负载的频率特性确定，可以比无线通信传输速度高至少两个数量级。如果ZigBee是优选的无线通信协议，在ZigBee传输速度为250k字节/秒的情况下，波形采样器电路302内所使用的采样率可以大于100kHz，以缓解在去多路复用过程中差错的增多，如下面所述。MCU 340控制继电器324，从而可以使负载330与墙上插座250处的电源连接/断开。
控制和通信块(CCB)
通信和控制块(CCB)304处理从波形采样器电路302接收到的波形数据，并将经处理的数据发送给系统控制器50。
在一个实施例中，CCB 304包括MCU 340、无线通信模块342和存储器344。MCU 340和存储模块344以足够高的速率对从波形采样器电路302输出的波形采样，使得在系统控制器50处可以执行包括器具检测和功率测量的计算。给无线通信模块342的输入在不同的实施例中可以是电压波形、电流波形、功率波形或含有它们的任何组合的多路复用信号。功率波形可以用模拟电路测量，也可以由MCU 340根据电流和电压波形计算。
无线通信模块
无线通信模块342可以是任何能建立与连接到系统控制器50的接口扩展器端口的无线通信组件通信的任何无线通信组件。除了使用调制/解调之外，无线通信模块342在某些实施例中还可以使用编码/解码和/或加密/解密和/或压缩方法。
在一个实施例中，来自每个OMD 12的电流和电压波形由无线通信模块发送给系统控制器50，由系统控制器50执行功率计算。在另一个实施例中，功率波形由模拟电路根据电流和电压波形构建。在这种情况下，无线通信模块将电流、电压和功率波形发送给系统控制器。
在各个实施例中，无线通信可以包括标准或非标准通信。标准无线通信的一些例子包括：包括(但不局限于)BluetoothTM、IEEE 802，11(无线局域网)、802.15(WPAN)、802.16(WiMAX)、802.20移动无线的链接协议；包括(但不局限于)CDMA和GSM、ZigBee的蜂窝协议；以及超宽带(UWB)技术。这样一些协议支持射频通信，而有些协议支持红外通信。可能的是，可以使用其他无线通信形式，诸如超声或光通信。可以理解，可以使用的标准包括过去和现在的标准。还可以设想，可以使用这些标准的将来版本和新的将来标准，或者可以使用加密，这并不背离本发明的范围。
ZigBee协议是典型的协议，因为它提供多个OMD 12与系统控制器50之间的高效无线联网，但使用非常小的功率(＜100mW)，这与OMD 12的节能的目标一致。ZigBee也是优选协议，因为它有助于自组织网形联网，这导致在具有多个ZigBee发送器的有限空间(诸如住宅)内有高的连接质量。
微控制器(MCU)
微控制器340协调波形采样器电路302、控制和通信块304和切换模块406(见图4a和4b，OMD双插座配置)的操作。微控制器340被配置成接收作为模拟输入的电流和电压波形和/或多路复用信号。主要输出是需发送给存储器344或通信模块342的多路复用信号的数字化版本。微控制器340所产生的其他输出包括给继电器324或信号处理器332的简单操作指令，如在下面结合OMD 12的控制任务所说明的。
除了接收和产生如上所述的信号之外，微控制器340还配置成：(a)对多路复用信号进行模数转换；(b)应用任何类型的滤波器，这可以包括与DSP(数字信号处理)芯片协作，以改进输出数字信号质量；(c)与存储器344连接，以读/写波形；(d)与通信模块342连接，以管理数据通信；(e)与LED(发光二极管)驱动器连接；(f)执行与器具检测有关的简单计算；以及(g)管理整个OMD控制任务。OMD控制任务可以包括例如：(a)按照系统控制器50的请求“接通/断开”给负载的电；(b)管理与LED显示、波形采样和/或MUX(多路复用器)电路有关的用户选项；以及(c)校准内部电路(例如，同步内部时钟)。
存储器
在有些实施例中，OMD 12包括存储器344，用来存储数据，包括(但不局限于)从波形采样器电路302输出的数据。在一个实施例中，存储器344为闪速存储器，从而系统控制器50能个别地使OMD12接通或断开，而不会有丢失数据的危险。在有些实施例中，存储器344是容量至少为32kB、数据存取时间小于或等于1ms的非易失性存储器(诸如EEPROM)。存储器344存储MCU 340输出的数字化波形数据。存储器344在系统控制器50被断开的那些情况下或者在采样频率超过通信频率时存储数字化波形数据。一旦OMD 300的通信模块342检测到系统控制器50被“接通”，OMD 300就将所存储的数据发送给系统控制器50。一旦存储器342被充满，所储存的较老的数据就用较新的数据以先进先出(FIFO)方式盖写。
LED/LCD显示器
在一个实施例中，一个LED或LCD显示器被连接到微控制器340或功率测量IC(未示出)上，以向用户提供器具在使用的功率的即时反馈。在一个实施例中，视觉LCD显示器向用户显示若干所跟踪的参数，包括平均能量使用、瞬时功率使用、功率因子、电压和电流RMS电平。此外，这些参数以各种所关心的单位显示，包括(但不局限于)所花费的美元、千瓦小时、千瓦、伏特和安培。还可以设想用数字LED来指示器具插头的插入。在一个实施例中，用若干LED来指示OMD 12的各个设备状态。例如，绿色LED指示OMD 12接通，红色LED指示OMD 12断开，而绿色LED闪烁指示OMD 12正在发送数据。
双端口OMD
现在参见图4a和图4b，图中示出了双端口插座实施例的OMD 12的详细电路图400。在这样一个实施例中，上、下波形采样器电路402、403连接到切换模块440上，切换模块440被配置成将这两个采样器电路的输出发送给单个控制和通信块404。实际上，切换模块440使来自两个插座的具有适当时间分辨率波形数据能被实时获取。
切换模块
图4a和图4b为例示按照不同的实施例切换模块(MUX 440)与OMD电路400的两个引出口(即，上波形采样器电路402和下波形采样器电路403)连接的情况的功能电路图。有益的是，有了切换模块440，在OMD电路400内就不需要双份关键性组件，否则会使OMD12的成本和占地面积加倍。
OMD电路400的切换模块440使单个OMD 12能用于对来自一个双墙上电源引出口250的两个引出口的电流和电压波形的采样。切换模块440利用多路复用技术(有时称为多路复用)，从而能交替地从两个插座采样，获取具有足够的时间分辨率的两组电流和电压波形。
图5a和5b示出了分别与图4a和4b所示的切换机制相同的两个实施例。然而，图5a和5b以简化框图形式例示了这种切换机制，以免模糊对切换机制的讨论。
在图5a所例示的实施例中，双墙上电源引出口的每个引出口250-a、250-b被接到各自的后面各接有信号处理器504的电压/电流传感器502上，使得来自每个引出口的波形分别得到采样。上、下波形采样器电路510、512所采样的数据流被馈入MUX 505，以产生发送给控制和通信块508的单个合并数据流。
在图5b的实施例中，双墙上电源引出口250的每个引出口被接到各自的电压/电流传感器502上。MUX 505根据来自两个引出口的原始传感器数据流产生单个合并数据流。这个合并数据流然后通过单个信号处理器504采样后，分发给控制和通信块508。
可以设想，将不同的技术用于通过MUX 505多路复用这两个数据流。在一个实施例中，使用时分多路复用，按照来自设备上的内部时钟电路的定时信号交替地从每个信号数据流采样，使两个信号交织在一起。内部时钟可以含有长储存寿命的电池，以避免频繁地用外部时钟源同步。在另一个实施例中，将两个来自各自的信号数据流的信号在用电子移相器将其中一个信号延迟半个周期后再相加在一起。
电源板实施例
在一个实施例中，电源板具有以上在双墙上引出口的背景中所讨论的基本OMD功率测量/无线通信能力。在另一个实施例中，可以设想，用基本OMD功率测量/无线通信能力来处理大电流的器具(诸如洗涤机/干燥机)。
OMD客户机之间的网络通信
图6a为例示在OMDs 12与系统控制器50之间的数据通信的工作情况的框图。在这个实施例中，接口55是一个直接插入系统控制器50的小的USB单元，用来在系统控制器没有被断开时传送数据。
图6b为例示按照第二实施例在OMD 12与系统控制器50之间的数据通信的工作情况的框图。在这个实施例中，接口55包括一个能连续接收和存储来自队列内所有OMD的带时间标记的数据的中间存储单元602。这个存储单元在系统控制器50被接通时将数据传送给系统控制器50。在这个实施例中，OMD单元上的存储器344就不必存储波形数据。
图6c为按照一个实施例的监测和管理公用事业设备使用情况的系统框图600。系统600包括系统管理节点70。系统管理节点70包括：网关计算机76，用来通过因特网60接收来自各个分布客户机计算机(系统控制器)50的通信；第一处理器72，用来从数据库78读取信息(包括设备的特征)和将信息(包括匿名的使用情况信息)写入数据库78；以及第二处理器74，服务于机器或人可读报告，诸如在一段给定时间内一个组所使用的总电量。
网关计算机76将是对具有分布客户机计算机50的系统600的主要接口。网关计算机76被配置成使组成系统600的其他一些元与因特网保持隔离，以保证安全。网关计算机76接收来自分布节点50的信息，例如各个器具的使用模式或能源消耗，以及确认所接收的信息没有受到破坏或呈现安全威胁。网关计算机76将所接收的数据转给计算机72，计算机72是一个可以对数据库78进行读写的计算机。
处理器74接收来自客户机(节点50)或社会联网站点604的对人或机器可读报告的请求。人可读报告的例子包括要看看一组用户在一段特定时间内已使用了多少电的请求。这个请求可以发自节点50(例如，客户机软件给用户的有关一个组已使用了多少能量的更新)，或者发自社会网络节点604(例如，在诸如在与一个特定的组关联的页面上的Facebook之类的社会联网站点的平台上运行的PHP码请求例示这个组它的能源消耗已减少多少的图形)。机器可读报告的例子包括接收特定设备的功率消耗特性的请求。接收到一个报告请求，处理器74就对这个报告请求进行审查，首先确认它不是一个威胁安全、侵犯隐私或其他恶意的请求。然后，它将请求传给可以读数据库78的计算机72，计算机72执行查询后将信息返回给处理器74。接收到返回的信息，处理器74将数据格式化成适当的人或机器可读格式后，通过因特网60传回给提出请求的客户机。
与各个住宅(例如所示的住宅1和2)关联的OMD 12包括通过ZigBee或其他无线协议与系统节点70通信所需的硬件电路和软件组件。在一个实施例中，作为每个OMD 12包括一个的组件的ZigBee模块接收到通信后，通过USB或串行口将信息发送给PC 50，或者在PC 50处于断开状态的情况下将信息高速缓存。PC 50上的守护程序(未示出)接收到信息后将信息传送给在客户机上运行的应用。
软件体系结构
软件(OMD软件)包括一些交互操作件。OMD软件的通信守护程序在用户的计算机上运行，负责通过无线协议(例如，ZigBee)与OMD通信。每当计算机接通时，OMD软件守护程序就连接到设备上，下载所有的被高速缓存的数据。在计算机运行时，它将实时收集信息，并将信息传送给厚客户机。
厚客户机接收来自守护程序的信息，并通过因特网与一个或多个系统服务器连接，以发送和接收信息。厚客户机被配置成实时显示信息、允许用户联合或创建一些组和支持以下所论及的所有功能。系统服务器接收来自所有客户机的信息，并将这些信息存储在关系数据库内。服务器还接受来自客户机的有关每个以器具类型划分的个体的总能量消耗、有关用户组等的中间查询。
瘦客户机可以寄宿在象Ning或Facebook那样的第三方上。它们可以以PHP或类似的语言书写。它们还可以含有带其他数据库的mashup，诸如Google地图。瘦客户机主要用来显示器具或用户性能的信息。
个体用户可以用第三方或在厚客户机上提供的GUI配置瘦客户机。例如，一个领导一个组的用户可以在Ning上设计用于这个组的主页，而用厚客户机来邀请其他用户。
应用编程接口(API)
在一个实施例中，可以提供一个API和程序库组，使第三方软件能与在这里所说明的本发明接口。这个接口的元可以包括什么时侯发生一定事件(引出口被接通、断开或改变功率)的通知以及使第三方能接通或断开OMD。
在不同的实施例中，API可以体现为在寄宿厚客户机的同一个PC上运行的软件，或者用通过Zigbee网络公布用于控制设备的接口体现。
例如，第三方可以利用这个API来设计在周末早晨卧室灯接通时接通的咖啡壶或者跟踪什么时侯保姆断开孩子卧室内的灯的软件。
表说明
除了如所指出的之外，在客户机(系统控制器50)和中央服务机(数据库78)双方将给出以下这些表。这些表可以实现为数据库内的表、存储在盘上的数据、存储在RAM或类似的适当存储装置内的数据结构。
实体关系图
图7例示了按照一个实施例由系统数据库实现的表的实体关系图。在这个实施例中，数据库将处于第三标准形式，以设备表作为主关系表。一些其他的表给出每个设备的附加信息。
设备功率特征表
图8为按照一个实施例的设备功率特征表800的栏目说明。设备功率特征表800描述在住宅环境内通常会发现的多个设备。设备表的栏目包括：连接栏目802，描述与设备类型(例如，照明灯泡)和类别(例如，冷却、照明等)的连接；设备功率特征栏目804-814，描述每个设备的独特的基于波形的标识特征，包括n个不同的参数(和容差)。这n个参数表示对可以用来标识不同设备的参数的“最佳推测”。类似的信息将被本地存储在用户的计算机上，它将含有为用户所拥有的设备专用的信息。
使用情况表
图9为按照一个实施例的使用情况表900的栏目说明。使用情况表存储特定用户的特定设备的特定使用情况。按照一个实施例，使用情况表的栏目包括指向设备(栏目902)和用户(904)的外键码、开始时间栏目906、停止时间栏目908和第三个功率吸取栏目910。例如，如果一个设备从8:00PM到8:01PM吸取100瓦，于是表的第一行就具有登记项8:00PM、8:01PM和100W，而第二行将具有登记项8:01PM、8:05PM和40W。
用户表
图10为按照一个实施例的用户表1000的栏目说明。用户表按用户可以主要按匿名ID(标识)存储信息，用户表的栏目包括至少名称栏目1002和匿名ID 1004。名称栏目1002是OMD的用户的自报名称。匿名ID 1004将由中央数据库指配，为网络标识这个家庭。取决于用户的优先选择，可以不将匿名ID与任何标识信息相关联。在有些实施例中，还可以包括其他标识标志，诸如地址1006、电子邮件1008和电话1010。客户机上的用户表将只有一行，或者最多每个家庭成员一行。因此，信息可以以与表不同的数据结构存储。
GUI界面
图11例示了所设想的用来显示各种与电消耗和器具使用情况关联的参数的示范性GUI界面。在这个实施例中，有一些标记1102，用户可以根据他们的兴趣在这些标记之间来回切换。有些标记设计成示出和处理通过OMD 12收集到的数据(例如“综述”、“我的家”)，而其他一些标记提供有关主题的内容和链接(例如“你的器具的提示”、“了解环境”)。
在图11所示的“综述”标记中，第一表1104示出了用户怎样可以用GUI来对站点周围的OMD 12可以通断的器具的通断状态进行编程。此外，从所编程的通断状态得到的可能节能情况根据OMD 12所收集的数据历史予以预测，因此用户可以按他的爱好优化通断选择。在这个实施例中，器具按消耗者站点房间分组，以便于调度，但是按用户选择，其他组织方法也是可行的。
第二概要显示板1106指示消耗者站点在一段一定时间内已达到的总节电情况，并附有激励性的有关这种节电努力对环境的影响程度的珍闻。此外，还有一个小的时间序列略图，示出了在这个消耗者站点用电情况的总趋势，以提醒用户他们的节电情况是基于实际收集的数据。
最后，第三显示板1108示出了与消耗者站点有关的社区层次的更新，因此OMD用户可以保持社区节电努力和性能的最新情况。
所设想的与本发明配合使用的另一个GUI(未示出)将允许用户请求涉及能量消耗各个方面的粒度信息，例如，器具使用情况趋势、在不同时间刻度的电使用情况的直接比较、交叉对照的数据和对事态“怎么办”的答复。这信息可以通过GUI上的另一个标记例如“我的家”标记接入。
所设想的供本发明使用的其他GUI包括：
·可定制的为用户更新他的最需要的信息的概要表
·与所关心的其他站点(例如社会联网、环境教育或器具提示)的链接
·定期更新的新闻和时事
隐私考虑
应注意的是，对于执行过程流程700来说，从不要求将个人化数据传送给集中式数据库。然而，过程流程确实需要来自集中式数据库的(a)设备功率特征和(b)器具说明/定义。这两个参数是作为随时间从自愿提供个人使用数据的用户或公司(器具制造商/经销商)源所收集的集中数据的平均值得出的。
在所附权利要求书中，任何表示为执行所指定的功能的装置的单元意为包括执行这个功能的任何方式，例如包括a)执行这个功能的电路元件的组合或b)任何形式的与适当执行电路组合以实现这个功能的软件(因此包括固件、微码之类)。如由权利要求书所限定的本发明在于各个所描述的装置所提供的功能以这些权项所要求的方式组合在一起。因此认为，可以提供这些功能的任何装置与在这里所示出的装置等效。

Claims (32)

1.一种用于收集用来确定至少一个能量消耗概况的波形数据的系统，所述系统包括：
(I)系统控制器；以及
(II)多个并置的多端口监测设备，其中每个所述多端口监测设备包括：
a)通信连接装置，用于与系统控制器通信；
b)至少一个插头，被配置成在被插入至少双端口电引出口的插座时与所述至少双端口电引出口电连接，
其中，每个所述多端口监测设备包括至少一个继电器以连接/断开功率负载并且每个所述多端口监测设备被配置成：
a)在单个电器连接到所述多端口监测设备的单个端口的情况下，独立地从所述至少双端口电引出口的所述单个端口测量波形数据；
b)在至少两个电器同时连接到所述多端口监测设备的至少两个端口的情况下，独立地从所述至少双端口电引出口的多个端口测量波形数据；以及
c)将所测量的波形数据无线发送给系统控制器。
2.根据权利要求1的系统，其中，所述波形数据包括所述至少一个电器所消耗的电能的至少一个特性。
3.根据权利要求1的系统，其中，所述波形数据是从包括电流波形、电压波形、电流和电压波形、功率波形的组中选择的。
4.根据权利要求1的系统，其中，所述系统控制器被配置成存储、组织和分析所收集的波形数据，以确定至少一个能量消耗概况。
5.根据权利要求1的系统，其中，所述系统控制器被配置成将通信信号发送给所述多个并置的多端口监测设备中的特定多端口监测设备。
6.根据权利要求1的系统，其中，所述系统控制器被配置成向所述多个并置的多端口监测设备中的特定多端口监测设备请求传输。
7.根据权利要求1的系统，其中，每个多端口监测设备被指配唯一的地址，以使系统控制器能单独地识别与系统控制器交互作用的特定多端口监测设备。
8.根据权利要求1的系统，其中，所述系统物理上被配置成按房间和/或楼层操作，其中每个房间或楼层包括与电引出口电连接的至少一个多端口监测设备。
9.根据权利要求1的系统，其中，所述多个多端口监测设备被配置成周期性地或按需要将所收集的波形数据发送给系统控制器。
10.根据权利要求1的系统，其中，所述多个多端口监测设备被配置成暂时存储所述波形数据。
11.根据权利要求1的系统，还包括：与系统控制器连接的接口，被配置成接收来自所述多个多端口监测设备的带时间标记的安全包消息，并将来自所述多个多端口监测设备的数据包传输按它们被接收的次序排队。
12.根据权利要求1的系统，其中，所述多个多端口监测设备通过无线通信协议与系统控制器通信。
13.根据权利要求1的系统，其中，所述多端口监测设备与所述至少双端口电引出口的占地面积基本上一致。
14.根据权利要求1的系统，其中，所述多端口监测设备被配置为电源板。
15.根据权利要求1的系统，其中，所述能量消耗概况被按用户、按器具或按位置确定。
16.根据权利要求1的系统，其中，所述系统控制器还被配置成按用户、按器具或按位置计算能量消耗的费用。
17.一种多端口监测设备，被配置成与多端口电引出口电连接，所述设备包括：
第一波形采样器电路，被配置成对第一负载上的电流、电压和功率波形中至少一个进行采样，该第一负载通过所述多端口监测设备与所述多端口电引出口的第一端口电连接，并且所述多端口监测设备包括第一继电器以连接/断开第一负载；
至少第二波形采样器电路，被配置成对第二负载上的电流、电压和功率波形中至少一个进行采样，该第二负载通过所述多端口监测设备与所述多端口电引出口的第二端口电连接，并且所述多端口监测设备包括第二继电器以连接/断开第二负载；
与所述第一和至少第二波形采样器电路连接的切换装置，所述切换装置用于多路复用来自所述第一和至少第二波形采样器电路的第一和第二波形数据流；以及
与切换装置通信连接的控制和通信电路，用来接收经多路复用的第一和第二波形数据流，并将所述第一和第二波形数据流传送给远程系统控制器，其中所述设备的第一侧包括用于通过插座接合所述多端口电引出口的插头并且所述设备的第二侧被配置为接收来自至少一个电器的至少一个插头。
18.根据权利要求17的多端口监测设备，其中，所述切换装置是多路复用器。
19.根据权利要求17的多端口监测设备，其中，所述波形采样器电路包括：
与电引出口的插座连接的开关，用来在负载连接到电引出口时将所述多端口监测设备切换到接通状态；
电流传感器，用来感测负载所吸取的电流；以及
电压传感器，用来感测负载所吸取的电压。
20.根据权利要求17的多端口监测设备，还包括：定时电路，用来设置波形采样的频率。
21.根据权利要求17的多端口监测设备，还包括：信号处理模块。
22.根据权利要求17的多端口监测设备，其中，所述控制和通信电路包括：
无线通信模块，被配置成与系统控制器的接口扩展器端口通信连接；
存储器；以及
微控制器，被配置成：
(a)对在该微控制器的输入端处接收的多路复用信号执行模数转换；
(b)应用滤波器来改善所输出的数字化多路复用信号；
(c)与存储器连接以读/写波形；以及
(d)与无线通信模块连接以管理数据通信。
23.根据权利要求22的多端口监测设备，其中，所述微控制器还被配置成：
a)与LED驱动器连接；
b)执行与器具检测有关的计算；以及
c)管理包括下列的引出口监测设备控制任务：
按照系统控制器所维护的调度程序，“接通/断开”给负载的电，
管理与LED显示、波形采样和/或多路复用电路有关的用户选项，以及
校准内部电路。
24.一种收集多个负载的波形数据以确定至少一个能量消耗概况的方法，所述方法包括下列步骤：
使用多个多端口监测设备独立地实时测量相应的多个负载所产生的波形数据从而形成测量的波形数据，其中每个所述多端口监测设备包括至少一个继电器以连接/断开功率负载并且每个所述多端口监测设备被配置成同时测量至少两个负载所产生的波形数据；
将测量的波形数据发送给系统控制器；以及
在系统控制器处分析测量的波形数据，以确定至少一个能量消耗概况，其中每个设备的第一侧包括用于通过插座接合所述多端口电引出口的至少一个插头并且每个设备的第二侧被配置为接收来自至少一个电器的至少一个插头。
25.根据权利要求24的方法，其中，所述波形数据包括所述至少一个电器所消耗的电能的至少一个特性。
26.根据权利要求24的方法，其中，所测量的波形数据被从所述多个多端口监测设备中的每个多端口监测设备无线传送给系统控制器。
27.根据权利要求24的方法，其中，所测量的波形数据被从所述多个多端口监测设备中的每个多端口监测设备通过有线连接传送给系统控制器。
28.根据权利要求24的方法，还包括在将所测量的波形数据传送给系统控制器的步骤之前存储所测量的波形数据的步骤。
29.根据权利要求28的方法，其中，所述存储所测量的波形数据的步骤还包括以压缩格式存储所测量的波形数据。
30.根据权利要求29的方法，其中，所述在系统控制器处分析测量数据以确定至少一个能量消耗概况的步骤还包括：根据所测量的波形数据计算功率消耗参数值以得到功率消耗信息。
31.根据权利要求30的方法，还包括将功率消耗参数值分发给用户的措施。
32.根据权利要求24的方法，其中，所述将每个负载产生的测量数据发送给系统控制器的步骤还包括：在系统控制器接口处将来自每个引出口监测设备的带时间标记的安全包消息发送给系统控制器。
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