CN103064374A - 基于物联网技术的家庭能耗监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的家庭能耗监控系统，该系统包括无线能耗检测仪、家庭无线网关、楼层交换机、本地服务器、家庭显示终端和远程终端；无线能耗检测仪对家用电器的能耗信息进行采集，并将信息发送给家庭无线网关，经过家庭无线网关的协议转换，能耗信息被传送至楼层交换机；楼层交换机将接收到的能耗信息发送至家庭显示终端和本地服务器，本地服务器在接收到家用电器的能耗信息以后对信息进行存储和处理，并构建访问平台，以供远程终端进行访问控制。本系统能够实现用户对家电能耗的实时监控和管理，方便用户了解自己的家电能耗信息，减少不必要的能源浪费。

Description

基于物联网技术的家庭能耗监控系统

技术领域

本发明属于智能控制系统领域，涉及一种家庭能耗监控系统。 

背景技术

家庭能耗监控系统是智能家居不断发展的产物，也是智能家居众多子系统之一。社会经济的快速发展致使人们对电力的需求日益增加，鉴于发电过程带来的环境污染问题和用电侧的电能浪费现象，如何有效地控制能耗是重要的研究课题。随着民用能源需求的不断增大，家庭能耗管理越来越引起重视。 

一般的家庭用户都是通过查看电力公司安装的电能表或月结账单来了解家庭电能的消耗情况，但是，电能表提供的数据只代表整个家庭总的用电量，用户无法了解各电器的具体耗电情况，无法达到有计划的节约用电的情况。目前，所存在的能耗管理系统都有各自的局限性，发明专利CN102253650A《能耗监控装置及系统》涉及将家庭中的能耗计量表的值及状态实时显示和存储，没有涉及到对家电设备的能耗采集和控制；实用新型CN201638376U《基于物联网的能耗控制系统》涉及一种节能装置，主要对用户超负荷用电进行监控，以防止过量用电造成线路损坏或影响它正常用户并及时对超负荷用电进行限电控制。其采用的通信方式和数据传输的协议都比较单一，对家电参数和类型不能进行智能识别，没能很好的解决无线传感网与Internet间的互连互通问题，家电和用户之间的信息交流不够完善，且不能很好的集成到整个智能家居系统中，不便于智能家居的发展，也不便于用户给家电的智能管理。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于物联网技术的家庭能耗监控系统，该系统支持无线通讯电能采集设备，对家庭电器的实时功率信息、电量信息、电费信息、供电状态信息进行检测；同时，配合多协议家庭无线网关和家庭服务器，支持多种协议无线通信，实现本地监控、远程网页监控、智能手机监控的物联网家居能耗监控，实现多途径家庭节能控制的目标。 

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案： 

一种基于物联网技术的家庭能耗监控系统，包括无线能耗检测仪、家庭无线网关、楼层交换机、本地服务器、家庭显示终端和远程终端； 

无线能耗检测仪用于对与其相连的外部家庭电器供电，并实时采集其能耗信息，这些信息包括：实时功率信息、电量信息、电费信息、供电状态信息等，家电的能耗信息中还包括 家电的类型和通信地址进行标识，所采集到的能耗数据信息被发送至家庭无线网关； 

家庭无线网关用于实现通信协议转换和数据交换，将接收到的能耗数据信息经过解析后传送至楼层交换机，接收楼层交换机传输的以太网数据，将其转换成无线协议数据后转发至无线能耗检测仪； 

楼层交换机用于接收家庭无线网关转发的能耗数据信息，并将数据发送至本地服务器和家庭显示终端； 

本地服务器接收楼层交换机传输的能耗数据信息，对数据信息进行解析、组织、处理和储存，并为远程终端提供访问控制平台； 

家庭显示终端用于接收楼层交换机传送的家庭电器的能耗数据信息，并对上述数据信息进行显示； 

远程终端通过对本地服务器的访问控制平台进行访问，实现对家庭电器能耗情况的实时监测和控制。 

进一步，所述无线能耗检测仪采集的能耗信息包括：实时功率信息、电量信息、电费信息、供电状态信息。 

进一步，所述家庭无线网关支持多种无线协议，包括：zigbee、6LowPan、802.15.4E协议。 

进一步，所述远程终端采用个人电脑或智能手机。 

进一步，所述楼层交换机通过RJ45网线与本地服务器和家庭显示终端相连接。 

进一步，所述家庭显示终端显示的信息包括功率信息和耗电量信息。 

进一步，所述能耗数据信息中包含有设备类型和设备号。 

本系统的工作过程为：无线能耗检测仪与家庭无线网关组成无线传感网，无线能耗检测仪采集家庭电器的能耗信息和设备信息，将此信息作为负载封装成（zigbee、6LowPan、802.15.4E）协议帧发送至家庭无线网关，家庭无线网关中的无线协调器将收到的协议帧数据进行解析处理,提取出负载信息将其加载到Internet通信协议（TCP/IP、UDP）帧中，并通过楼层交换机把数据帧转发给家庭显示终端和本地服务器，家庭显示终端在接收到数据帧后，对家电能耗数据信息进行解析并进行显示，本地服务器在接收到能耗数据信息后，对数据帧进行解析并将其存储在本地后台数据库，构建远程访问网页，同时将实时数据发送给远程终端，PC可以通过远程访问服务器网页对家电能耗信息进行监视，智能手机上的能耗检测软件可以实时收到家电的能耗信息，同时点击远程终端的家电控制按钮，PC电脑和智能手机下发的控制指令通过本地服务器转发给家庭无线网关，家庭无线网关将Internet帧格式的控制指 令转换成无线通信协议（zigbee、6LowPan、802.15.4E）指令发送给无线能耗检测仪，无线能耗检测仪根据相应的指令控制家电工作。 

本发明的有益效果在于：利用物联网感知识别普适化、异构设备互联化、管理调控智能化等特点，实现了家庭电器的能耗信息、工作信息以及设备信息的采集，通过互联网、无线传感网来实现每一个家庭电器可寻址、可通信、可控制，实现家电和用户的信息交流，从而实现对家电能耗的智能管理，减少不必要能耗浪费。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明： 

图1为本发明的系统结构图。 

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。 

如图1所示，本发明所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统包括无线能耗检测仪、家庭无线网关、楼层交换机、本地服务器、家庭显示终端和远程终端，在本实施例中家庭无线网关支持多种无线协议，远程终端采用个人电脑PC和智能手机。 

无线能耗检测仪采集家庭电器的能耗信息和设备信息，将此信息作为负载封装成（zigbee、6LowPan、802.15.4E）协议帧进行发送，家庭无线网关中的无线协调器将收到的协议帧数据进行解析处理,提取出负载信息通过串口发送到网关内部加载到Internet通信协议帧（TCP/IP、UDP）中，实现无线传感器网络与Internet间的互连互通，并通过楼层交换机把数据帧转发给家庭显示终端和本地服务器，家庭显示终端在接收到数据帧后，对家电能耗数据信息进行解析并进行显示，本地服务器在接收到能耗数据信息后，对数据帧进行解析并将其存储在本地后台数据库，构建远程访问网页，同时将实时数据发送给远程终端，PC可以通过远程访问服务器网页对家电能耗信息进行监视，智能手机上的能耗检测软件可以实时收到家电的能耗信息，同时点击远程终端的家电控制按钮，PC电脑和智能手机下发的控制指令通过本地服务器转发给家庭无线网关，家庭无线网关将Internet帧格式的控制指令转换成无线通信协议（zigbee、6LowPan、802.15.4E）指令发送给无线能耗检测仪，无线能耗检测仪根据相应的指令控制家电工作。 

家庭无线网关支持多种无线协议数据接收和转发，根据用户采用的无线协议（zigbee、6LowPan、802.15.4E）与多个无线能耗检测仪进行无线通信，要实现家庭电器的管理一体化和智能识别，需要在其应用层上制定一套属于智能家庭网络自主的应用协议规范，其中协议 规范如下表。 

表1智能家庭网络数据协议规范 

在智能家庭网络数据协议规范，包括：包头、数据长度、路由地址、设备类型、子设备号以及数据等信息，其中设定的值包括路由、设备类型参数、子设备协议规范，数据包含能耗信息和控制指令。 

无线能耗检测仪采用动态路由自组网方式，网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输，防止因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送，加强整个无线传感网络的稳定性、可靠性。路由器地址如表2所示。 

表2路由器地址设置 

路由器标号	路由地址编号
		路由1	0x310x01
路由2	0x310x02
		路由3	0x310x03
路由4	0x310x04
		路由5	0x310x05

无线能耗检测仪采集的能耗信息的同时加入设备类型信息，通过无线能耗检测仪中的无线通信模块发送出去，经路由传递到家庭无线网关进行协议转换，传递到服务器和家庭显示终端，服务器和家庭显示终端解析出相应的家电类型和能耗值（实时功率、耗电量、电费、供电状态等），例如收到的数据中设备类型号为“0xa0”，子设备号“0x310xa1”，就表示此数据为电视能耗信息，此信息将被存储，显示在家庭显示终端上，不同的设备能耗信息将会在UI界面的不同位置显示，同时此信息被服务器发送到远程终端，远程终端通过Ethernet、Wi-Fi、3G、GPRS查看各家电能耗信息。终端对每个设备的控制命令都会加载相对应设备号和子设备号，经网关发送到家庭无线传感器网络中，每一个无线能耗检测仪的无线通信模块都有一个专一的设备号和子设备号，无线能耗检测仪能自动识别出相应的设备控制指令，进行相应的控制。（深入描述如何识别、控制）表3为设备类型参数。 

表3设备类型参数 

设备类型	设备类型编号	子设备编号
			电视	0xa0	0x31 0xa1~0xaf
空调	0xb0	0x31 0xb1~0xbf
			冰箱	0xc0	0x31 0xc0~0xcf
风扇	0xd0	0x31 0xd0~0xdf

本地服务器采用B/S构建，将楼层交换机发送过来的能耗数据解析出来放入缓存，连接数据库并把数据存到数据库中，本地服务器主要提供数据远程网页访问，数据的存储与转发，提供远程终端进行数据查询。 

家庭显示终端、个人PC和智能手机，作为这个系统的智能监控终端设备，家庭显示终端接收来自楼层交换机的能耗数据，经过对以太网数据进行解析后转换成终端可以直接调用的数据并存储在内部存储器上，同时进行实时显示；PC电脑通过互联网可以直接访问本地服务器网页进行远程监控；智能手机中的能耗监控软件，通过3G、WIFI接入互联网，实现对家电能耗数据的接收和控制指令的下发，方便用户对家电的实时监控。 

在本实施例中无线能耗检测仪支持热插拔，即插即用，主要包括：主控CPU，用于能耗数据的处理和控制；无线通信模块，用于无线数据的收发；能耗采集模块，用于采集电器能耗数据采集；数据存储模块，用于记录当前耗信息防止断电数据丢失；电源转换模块，从电力线取电，经过转换给电路芯片供电；液晶显示模块，用于对功率信息、耗电信息、电费信息、工作状态进行显示；功能按键模块，用于对电费单价、过电量报警、定时断电、手动断电、数据保持/清零进行设置；本地通信模块，提供SPI、RS485、RS232等常用接口与外围终端进行数据交换；通断保护模块，包括过零检测电路和继电器电路。 

本发明实施例的有益效果在于采用物联网四层网络结构（感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层），支持多协议无线模块无线能耗检测仪，采集家庭电器的能耗信息和设备信息来实现物联网的感知识别层功能；家庭多协议无线网关和楼层交换机将无线能耗检测仪采集的数据上传互联网，实现网络构建层的功能；在本系统中，楼层交换机把家庭电器的能耗信息发送给本地服务器和家庭显示终端进行数据存储和处理来实现管理服务层；远程终端，实现智能家庭电器能耗监控，实现了物联网的综合应用。采用物联网四层网络结构，使本系统能够很好的集成到其他物联网系统中（如智能家居系统），大大节约了现有资源。 

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 

Claims (7)

1.一种基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：包括无线能耗检测仪、家庭无线网关、楼层交换机、本地服务器、家庭显示终端和远程终端；

a)所述无线能耗检测仪用于对与其相连的外部家庭电器供电，并实时采集其能耗信息，所采集到的能耗数据信息被发送至家庭无线网关；

b)所述家庭无线网关用于实现通信协议转换和数据交换，将接收到的能耗数据信息经过解析后传送至楼层交换机，接收楼层交换机传输的以太网数据，将其转换成无线协议数据后转发至无线能耗检测仪；

c)所述楼层交换机用于接收家庭无线网关转发的能耗数据信息，并将数据发送至本地服务器和家庭显示终端；

d)所述本地服务器接收楼层交换机传输的能耗数据信息，对数据信息进行解析、组织、处理和储存，并为远程终端提供访问控制平台；

e)所述家庭显示终端用于接收楼层交换机传送的家庭电器的能耗数据信息，并对上述数据信息进行显示；

f)所述远程终端通过对本地服务器的访问控制平台进行访问，实现对家庭电器能耗情况的实时监测和控制。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述无线能耗检测仪采集的能耗信息包括：实时功率信息、电量信息、电费信息、供电状态信息。

3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述家庭无线网关支持多种无线协议，包括：zigbee、6LowPan、802.15.4E协议。

4.根据权利要求1所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述远程终端采用个人电脑或智能手机。

5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述楼层交换机通过RJ45网线与本地服务器和家庭显示终端相连接。

6.根据权利要求1所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述家庭显示终端显示的信息包括功率信息和耗电量信息。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于物联网技术的家庭能耗监控系统，其特征在于：所述能耗数据信息中包含有设备类型和设备号。

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