CN102292895B - 降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于家用电器和家庭网络设备的能量消耗监测和待机电力节省系统和方法，其能够：不仅自动切断被动待机电力，也切断在居住环境，包括家庭和办公室中不必要地消耗的主动待机电力；实时监测特定电器在特定时间周期内消耗的电能的量；及通过将收集的数据传送给电力供应商和服务提供商而提供各种与电力相关的附加服务。根据本发明的一个特征，其提供了能量消耗监测和待机电力节省系统，该能量消耗监测和待机电力节省系统连接到家用电器上，并检测对应的家用电器的耗电量，其包括多于两个节能节点，其允许应用和切断对应的家用电器电力，以及节能服务器，其连接到所述节能节点中的每一个上，并从所述节点收集对应家用电器的各种状态信息，包括所述耗电量。

Description

降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统及方法
技术领域
本发明涉及用于家用电器和家庭网络设备的能量消耗监测和待机功耗(standby power)节省系统和方法，其能够：不仅自动切断被动待机功耗，也切断在居住环境(包括家庭和办公室)中不必要地消耗的主动待机功耗；实时监测特定电器在特定时间周期内消耗的电能的量；及通过将收集的数据传送给电源供应器和服务提供商而提供各种与电能相关的附加服务。
背景技术
随着数字技术和网络技术的发展，家庭和信息家电正逐渐具备趋向于技术融合和整合的多种功能，这些数字融合设备广泛地应用在家庭和办公地点中。然后，由于功能上的融合和整合以及对网络功能的支持，这些信息家电不仅在与用户意图相违背的不存在用户认可的情况下消耗通信待机功耗(或主动待机功耗)，还在不存在用户通过各种方式的确认(例如等待为便于用户使用而提供的远程控制输入)的情况下消耗队列待机功耗(或被动待机功耗)。
具体地，在家庭的情况下总功率消耗的大约10-20％由待机功率消耗(被动的和主动的)，并且由于家庭网络的发展，主动待机功耗的权重增加，而且预计在将来这样的待机功耗会增长到占20-40％，并且其中，主动待机功耗的权重预计占大约70-80％。因此，显而易见地，将来主动待机功耗节省将是与能源问题相关的重要问题。
然而，用户不能敏锐地感受到紧密节省电能的必要性，这是因为用户不能够得知某个用户设备在特定时间周期内消耗的电量，因此，用户仅会偶尔怀疑每个月的电费账单。最近，能够通过解决用户的疑惑来帮助用户实践节能的技术需求越来越多。
另一方面，关于每个电器的能源消耗监测功能，仅开发了测量数字化、远程测量技术以及测量家庭和建筑单元的功率消耗总量的相关设备，但还没有开发能够监测每个电器在特定时间周期内的功率消耗的技术。
其次，关于待机功耗的自动切断功能，在被动待机功耗的情况下，使用插座或定时器仅开发了：通过使用例如远程控制(当用户选择时)在用户预设的预定时间切断功耗而提供拔出效应的插座，但是，还未开发出具有自动切断功耗的插座。此外，通过负载检测来区别使用功耗和待机功耗，从而切断待机功耗的插座也已经被开发出来，但即使在这种情况下，能自动切断主动待机功耗的技术和产品尚未被开发出来。
再次，关于电源供应器和电力服务提供商的交互工作服务，仅开发了远程测量技术。但还未开发出下述技术：通过与高级电源供应器和服务提供商交互工作的系统反馈收集到的耗电数据，从而提供各种附加服务。
发明内容
技术问题
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种用于家用电器和家庭网络设备的能量消耗监测和待机电力节省系统和方法，其能够：不仅自动切断被动待机电力，也切断在居住环境(包括家庭和办公室)中不必要地消耗的主动待机电力；实时监测特定电器在特定时间周期内消耗的电能的量；及通过将收集的数据传送给电力供应商和服务提供商而提供各种与电力相关的附加服务。
技术方案
根据本发明的一个特征，提供了能量消耗监测和待机功耗节省系统，该能量消耗监测和待机功耗节省系统连接到家用电器上，并检测对应的家用电器的耗电量，其包括多于两个节能节点，允许对对应的家用电器施加或切断功耗，以及节能服务器，其连接到所述节能节点中的每一个上，并从所述节点收集对应家用电器的各种状态信息，包括所述耗电量。
在上述配置中，所述节能节点和所述节能服务器通过电力线通信(PLC)、ZigBee或泛在传感器网络(USN)连接。
另一方面，所述节能服务器可具有通信接口，该通信接口与位于电源供应器中或电力相关服务提供商的高级系统通信，电源供应器将电能供应到家庭或办公室的外部，电力相关服务提供商实现与电能相关的服务。所述节能服务器与家庭网关集成实现，或者可具有与外部家庭网关交互工作的家庭网关接口。
根据本发明的另一特征，提供了一种用于能量消耗监测和待机功耗节省系统的节能服务器，该能量消耗监测和待机功耗节省系统连接到家用电器上，并检测对应的家用电器的耗电量，该节能服务器连接到多于两个节能节点并由其实现，所述多于两个节能节点允许应用或切断家用电器的功耗，该节能服务器包括：从所述节能节点收集包括所述耗电量的对应的家用电器的各种状态信息的功能模块；以及基于所述各种状态信息将对应的家用电器的功率控制信号输出到所述节能节点的功能模块。
上述配置还可包括：其还包括通过与高级系统的通信而将收集到的数据传输的功能模块，该高级系统位于电源供应器中或位于电力相关服务提供商内，其中，电源供应器将电能供应到家庭或办公室的外部，电力相关服务提供商实现电能相关的服务；提供耗电监测或设置功能的RS-232通信接口、通过使用PC和网络浏览器的IP网络的接口或经由家庭网络由节能服务器自身提供的应用程序的用户接口；能量消耗监测功能模块，通过该能量消耗监测功能模块，用户可在计算特定时间周期、或特定电器、或特定电器在特定时间周期内的耗电量之后通过所述用户接口验证能量消耗状态、使用的累积电量或基于所述各种收集的状态信息估计的电成本数据；通过所述用户接口支持各种用户设置并且基于所述用户设置发出警报的功能模块；将信息电器的当前运行状态与家庭网关功能模块或家庭网关进行交互工作的功能模块。
此外，输出所述功率控制信号的所述功能模块能将所述功率控制信号输出给所述节能节点，以基于所述各种状态信息切断对应的家用电器的待机功耗。
同时，当所述待机功耗是通信待机功耗时，输出所述功率控制信号的所述功能模块能将所述功率控制信号输出给所述节能节点，以当所述功能模块从所述节能节点接受电器的待机状态以切断所述待机功耗时切断所述待机功耗；并为对应的电器准备停止命令以将各种情景存储在内置存储器中，或推向家庭网关或节能服务器，所述情景例如是当对应的电器被激活时需要的网络设置或设备设置；并从对应的电器接收停止准备已经完成的报告。
根据本发明的另一特征，提供的每一节能节点包括：用于检测供应到家用电器的电压和电流的检测装置；用于应用或切断家用电器的AC功耗的电源输出装置；通知装置，该通知装置用于在基于从所述检测装置输入的电压和电流值计算包括电器的耗电量的各种状态信息之后，以视听方式输出包括电器的耗电量的各种状态信息；及集中控制装置，用于基于所述信息控制所述电源输出装置。或者，节能节点包括：检测装置，其位于AC电源和家用电器之间，用于检测提供到家用电器的电压和电流；用于施加或切断家用电器的AC电源的电源输出装置；网络接口装置，在基于从所述检测装置输入的电压和电流值生成包括电器的耗电量的各种状态信息并在随后将其通过所述网络接口装置传输给网络存储服务器之后，负责高级网络存储服务器和集中控制装置之间的通信以控制所述电源输出装置。
在上述配置中，所述电源输出装置包括始终保持在接通状态的继电器开关，该继电器开关在不供电时变为接通状态。
所述检测装置由基于MEMS的电压和电流传感器组成。
所述集中控制装置根据自身的决定或所述节能服务器的命令控制所述电源输出装置的运行。
同时，网络接口装置由电力线通信(PLC)、ZigBee或泛在传感器网络(USN)组成。
所述节能节点可由下列插座类型中的任一种组成：嵌入式或多抽头类型；或能够通过插入到传统插座中使用的适配器类型；或可安装在家用电器内部的内置类型。
有益效果
用于家用电器和家庭网络设备的能量消耗监测和待机功耗节省系统和方法，可实现下列反应和效果。
(1)在节能，尤其是节约电能中，用户实践是最终基础。然而，由于家庭或办公室中的家用电器和信息电器的类型和数量均处于增长状态，每次完成电器的运行时拔出不是一件简单的任务。出于该原因，不运行的电器的被动待机功耗被消耗，但本发明提供了自动拔出效应。
(2)由于信息电器的网络连接和融合，各种功能被安装并总是连接到网络上，因此，相比于常规的不联网的电器来说，消耗了更多功耗和通信待机功耗。对于不处于运行状态的信息电器来说，为维持网络连接性而消耗的通信待机功耗远大于被动待机功耗，并预计在将来持续增加。本发明可有效地切断这种通信待机功耗并致力于节能和防止全球变暖。
(3)本发明的节能服务器不仅能通过与高级电源供应器或电力服务供应商交互工作创建各种附加服务，也可以对各种工业产生影响，例如电源供应器建立电源供应计划和家用电器制造商设计家用电器。
(4)由于要被制成插头型的本发明的节能节点需要在建立构建的早期考虑，因此其能够根据规则和政策的变化通过形成非常大的市场来促进相关工业的发展。
附图说明
图1是本发明的降低家用电器和家庭网络设备待机功耗和监测消耗的电能的系统的整体框图。
图2是图1中示出的节能服务器的功能性结构和总体系统框图。
图3是图1中示出的节能节点的框图。
<附图标记说明>
100：节能服务器    110：节能服务器功能单元
120：家庭网关功能单元    130：家庭网关接口
140：家庭网络接口    150：WAN接口
160：无线网络接口    200：节能节点
210：电源输入单元    220：AC-DC转换单元
230：电流/电压检测单元    240：集中控制单元
242：数据处理功能单元
244：功率消耗测量功能单元
246：被动待机模式检测功能单元
248：电源控制功能单元
250：网络接口    260：电源输出单元
300：家用电器    400：高级系统
具体实施方式
下文中，根据本发明的优选实施方式，将结合附图详细描述降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统和方法。
图1是是本发明的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的整体框图。如图1所示，本发明的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统和方法可由多个节能节点200和节能服务器100组成。此处，每个节能节点200和节能服务器100通过不需要新接线的网络技术连接，并具有能够进行相互传输和接收数据及命令的结构，其中，网络技术例如电力线通信(PLC)、ZigBee或泛在传感器网络(Ubiquitous Sensor Network USN)。每个节能节点200连接到每个家用电器300，在这种状态下，每个节能节点200施加或切断对每个对应家用电器300的AC电源。
图2是图1中示出的节能服务器的功能性结构和总体系统框图。本发明的节能服务器100除了其独特的功能110之外还具有与家庭网关(家庭服务器)服务器120或家庭网关(家庭服务器)的交互工作功能130，因此，本发明的节能服务器100位于需要能量管理的单元中，例如家庭或办公室，并且与现有家庭网关或家庭服务器交互工作，并且能量服务器自身可起网关或家庭服务器的作用。换句话说，可实施附加有能量管理功能的现有家庭网关或家庭服务器的配置，在这种情况下，节能服务器不仅与节能节点200通信且交互工作，也与家庭中的电器和高级系统400通信且交互工作。
上述的节能服务器100可具有通过不需要新接线的网络接口160与节能节点200通信的功能，并通过与节能节点200通信获取数据，例如从节能节点200收集的耗电量的数据，或获取诸如运行时间的状态信息，并执行功能，例如开始、完成、和初始化数据、和状态信息初始化和通过将具体命令传送给节能节点200而执行的传输请求。
节能服务器100具有通过广域网(WAN)接口150与高级系统400通信的功能，其中，高级系统400是位于电源供应器或电力服务提供商内部的系统，电源供应器将电能提供到家庭或办公室的外部，电力服务提供商提供与电力相关的服务。因此，节能服务器100与高级系统400通信并且能够根据电力服务提供商的服务目的和必要性将其收集的数据发送，其中，电力服务提供商即为高级系统400。
为了提供耗电监测和设置功能等，节能服务器100也具有用户接口，对些这些用户接口来说，存在与节能服务器100直接连接的RS-232通信接口、通过使用PC和网络浏览器的IP网络的接口以及由节能服务器自身经由其他家庭网络提供的应用程序的用户接口，等等。
节能服务器100还具有能量消耗监测功能，通过该功能，用户可确定在特定时间周期内、特定电器、特定电器在特定时间内消耗的电量，并可以通过用户接口进一步提供数据，例如使用的累积电量或估计的电成本数据。
节能服务器100也提供用户设置和警报功能，用户可通过用户接口在节能服务器100中设置不同的用户设置，如果需要，可根据该设置提供警报功能。例如，通过为用户提供警报功能，如果特定家电消耗的瞬时功率超出特定值或估计电成本超出特定值，则节能服务器100可帮助用户由其自己实施节能措施。
节能服务器100也提供主动待机功耗(通信待机功耗)切断功能，当节能服务器功能添加到家庭网关(或家庭服务器)时或节能服务器自身提供家庭网关(或家庭服务器)功能时，该功能使节能服务器能够确定家用电器300的当前运行状态，并且其能够在没有特定操作的情况下得出与网络有关的主动待机功耗(通信待机功耗)消耗状态。在这种情况下，家用电器通过与对应家用电器的通信而准备好停止，并且可通过下述方法切断主动待机功耗(通信待机功耗)：通过命令连接到对应家用电器300的节能节点200而切断AC电源。
当接收到停止准备命令时，家用电器300可将当前情景(不同的设置和状态信息等)存储在其自身或准备重新施加电能的节能服务器100中，因此，当重新施加电能时，可通过重新读取存储的用户设置值而完成设置，从而运行装置等。
同时，如上所述，节能服务器100可由下述形式实施：家庭网关(家庭服务器)集成型，即节能服务器功能被添加到现有家庭网关(家庭服务器)，或相反地，家庭网关(家庭服务器)功能被添加到节能服务器的类型；家庭网关(家庭服务器)网络型，即能够与提供除家庭网关(家庭服务器)功能之外的单纯节能服务器功能的家庭网关(家庭服务器)网络连接的单一类型；或单纯的单一类型，即仅提供单纯的节能服务器功能而不提供家庭网关(家庭服务器)功能的单一类型，因此，其不能够与家庭网关(家庭服务器)交互工作。
图3是图1中示出的节能节点的框图。如图3所示，本发明的节能节点200可由下述部件组成：从AC电源输入提供电能的电源输入单元210；将来自电源输入单元210的AC电输入转换为低压DC电的AC-DC转换单元220；检测连接到节能节点200的家用电器300中消耗的电流和电压的电流/电压检测单元230；集中控制单元240，如下所述，其通过控制节能节点200的整体运行而执行各种功能；负责与外部节能服务器100之间的通信的网络接口250；及电源输出单元260，其用于为外部家用电器300施加或切断通过电源输入单元210输入的AC电。
在上述的配置中，电源输入单元210可例如由电源连接器组成，电源输出单元260可由继电器开关组成并还包括驱动单元以驱动继电器开关。在这种情况下，优选地，即使在节能节点200异常工作或发生故障的情况必须提供AC电用于家用电器300的正常运行，为了这个目的，期望采用始终接通的开关作为继电器开关，当没有提供电能时，继电器开关变为接通状态。电流/电压检测单元230可采用基于非接触型微机电系统(MEMS)实施的电流和电压传感器，以降低其自身电能消耗。集中控制单元240可由MCU实施，集中控制单元240执行各种功能，例如日常数据处理242、功率消耗测量244、被动待机模式检测246或通过电源输出单元260的电源控制248。
如果详细解释，每个节能节点200具有对连接到所述节点的家用电器300的AC供电功能。
节能节点200也具有通过自身决定或来自节能服务器100的外部命令而切断传输到家用电器300的AC电源的功能，以及自动被动待机功耗切断功能，如果连接到节能节点200的家用电器300处于被动待机模式，该自动被动待机功耗切断功能通过自动切断功耗而切断被动待机功耗。
节能节点200也具有家用电器的被动待机模式决定功能，无论通过电流/电压检测单元230和功率消耗测量功能的检测值确定连接到节能节点200的家用电器300是处于被动待机模式还是处于主运行模式，节能节点200还具有功率消耗测量功能，测量连接到节能节点200的家用电器300消耗的功率。
节能节点200还具有与节能服务器100通信的功能，通过该功能，测量的功率消耗的量可通过来自节能服务器100的命令而被发送到节能服务器100。
同时，这样的节能节点200可由下述形式实施：插座类型，其包括嵌入式或多抽头类型，其中，节能节点功能被添加到传统插座上；适配器类型，能够通过插入传统插座而使用该适配器类型，其中，结合有可插入传统插座的节能节点功能；或内置型，其可安装在家用电器的内部，其中，节能节点功能结合在模块化组件的形式。
本发明的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统和方法不限于上述示例性实施方式，并可在本发明的技术精神所涵盖的范围内通过各种修改而实施。例如，在包括节能节点和节能服务器的节能系统配置中，仅节能节点具有自动被动待机功耗切断功能，而节能服务器不具有自动被动待机功耗切断功能。此外，如所描述的那样，当节能系统仅由节能节点组成时，功耗监测功能可被额外安装在节能节点的内部，以具有附加功能(装置)，从而以视听方式将监测的功耗信息通知给用户，因此，在这种情况下，对于仅一个家用电器来说，功耗监测是可能的。

Claims (11)

1.一种降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统，包括：
多于两个的节能节点，所述节能节点连接到家用电器并配置以检测对应的家用电器的耗电量，并允许应用或切断对应的家用电器的功耗；及
节能服务器，连接到所述节能节点中的每一个节能节点上，并适于从所述节点收集对应的家用电器的各种状态信息，包括所述耗电量,
其特征在于当所述待机功耗是通信待机功耗时，所述节能服务器向连接到对应的家用电器的节能节点输出功率控制信号并为所述对应的家用电器准备和发送停止准备命令，所述停止准备命令用于使所述对应的家用电器将当前情景存储在其自身或准备重新施加电能的节能服务器中，所述节能服务器从所述对应的家用电器接收停止准备已经完成的报告并从所述节能节点接收用于切断所述待机功耗的待机状态，从而所述节能服务器在接收所述待机状态时通过命令节能节点而切断所述待机功耗。
2.如权利要求1所述的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统，其特征在于，所述节能节点和所述节能服务器通过电力线通信（PLC）或泛在传感器网络（USN）连接。
3.如权利要求2所述的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统，其中，所述节能服务器包括通信接口，所述通信接口与位于电源供应器中或电力服务提供商处的高级系统进行通信，所述电源供应器将电能供应到家庭或办公室的外部，所述电力服务提供商实现与电能相关的服务。
4.如权利要求3所述的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统，其特征在于，所述节能服务器与家庭网关集成实现。
5.如权利要求3所述的降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统，其特征在于，所述节能服务器包括与外部家庭网关交互工作的家庭网关接口。
6.一种用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，所述节能服务器连接到多于两个的节能节点，所述节能节点连接到家用电器并配置以检测对应的家用电器的耗电量并允许应用或切断对应的家用电器的功耗，所述节能服务器包括：
适于收集包括对应的家用电器的所述耗电量的各种状态信息的功能模块；及
基于所述各种状态信息适于将用于对应的家用电器的功率控制信号输出到所述节能节点的功能模块，
其特征在于当所述待机功耗是通信待机功耗时，输出所述功率控制信号的所述功能模块向连接到对应的家用电器的节能节点输出功率控制信号并为所述对应的家用电器准备和发送停止准备命令，所述停止准备命令用于使所述对应的家用电器将当前情景存储在其自身或准备重新施加电能的节能服务器中，所述输出所述功率控制信号的所述功能模块从所述对应的家用电器接收停止准备已经完成的报告并从所述节能节点接收用于切断所述待机功耗的待机状态，从而所述输出所述功率控制信号的所述功能模块在接收所述待机状态时通过命令节能节点而切断所述待机功耗。
7.如权利要求6所述的用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，其特征在于，还包括通过与高级系统的通信而将收集到的数据传输的功能模块，所述高级系统位于电源供应器中或电力服务提供商处，其中，所述电源供应器将电能提供到家庭或办公室的外部，所述电力服务提供商实现电能相关的服务。
8.如权利要求7所述的用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，其特征在于，还包括提供耗电监测或设置功能的RS-232通信接口、使用PC和网络浏览器通过IP网络的接口，或者经由家庭网络通过节能服务器自身提供的应用程序的用户接口。
9.如权利要求8所述的用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，其特征在于，还包括能量消耗监测功能模块，通过所述能量消耗监测功能模块，用户能够在计算特定时间周期、或特定电器、或特定电器在特定时间周期的耗电量之后通过用户接口验证能量消耗状态、或使用的累积电量、或基于收集的所述各种状态信息估计的电成本数据。
10.如权利要求9所述的用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，其特征在于，还包括通过所述用户接口支持各种用户设置并且基于所述用户设置发出警报的功能模块。
11.如权利要求10所述的用于降低家用电器和家庭网络设备的待机功耗和监测消耗的电能的系统的节能服务器，其特征在于，还包括将信息电器的当前运行状态与家庭网关功能模块或家庭网关进行交互工作的功能模块。
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