CN103138394A - 基于3g网络的居民智能用电管理系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置，所述系统包括家用电器、智能用电装置、3G网络、远程应用服务器、用电互动终端，其中所述智能用电装置串接在家用电器和电源插头之间的供电回路中，通过红外或者RS-485总线与家用电器通信，通过3G网络和远程应用服务器与用电互动终端通信，实现对家用电器的智能用电管理和控制。智能用电装置包括主控模块、A/D采样单元、智能用电单元、负荷控制继电器电路、RS-485接口、即插即用的3G通信与级联通信单元，提供电能质量监测、电能计量、负荷控制、以及3G通信的功能，有效地解决了家电使用寿命相对较长和通信产品使用寿命相对较短的问题，实现了智能用电装置对家电的长期有效控制。

Description

基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置

技术领域

本发明涉及一种智能用电管理系统及装置，尤其涉及一种基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置。

背景技术

智能用电是智能电网的重要组成部分，建设智能电网要求鼓励和促进用户参与电力系统的运行和管理，随着智能电网发展不断推进和规模不断扩大，居民智能用电受到越来越多的重视。人们希望通过信息化的手段，结合自身用电需求和电力系统负荷状况，合理选择家电的用电时间。智能电网通过削峰填谷的方式来平衡供求关系，用户可以实现经济消费，电网实现稳定运行，社会实现低碳环保，最终形成用户、电网、社会三方共赢的局面。

国家电网公司正在积极推进居民智能用电建设，实现智能用电的互动化，首先要求家电能够和用户进行双向互动。然而，大多数现有家电都不具备电能计量、电能质量监测、负荷控制、远程通信等功能，无法实现家电与用户的互动。为了实现智能用电而一次性更新淘汰现有家电是不现实的，更不符合建设资源节约型社会的要求。因此，如何以最小的成本让现有家电具有智能用电功能，是我们急需解决的问题。另外，家电和通信产品属于不同的技术领域，使用寿命也相差很大，例如冰箱的使用寿命可以达到15年以上，而通信产品例如无线上网卡通常3年左右就需要更新，如何解决家电和通信产品之间的使用寿命的相差较大也是在实现现有家电的智能用电中需要考虑的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置，可以在不对现有家电做较大改变的基础上基于智能用电装置和3G网络实现对家电的智能用电管理，通过即插即用的3G通信与级联通信单元有效地解决了家电和通信产品使用寿命相差较大的问题，另外通过外接微功率无线通信模块和3G上网卡方便多个家电的级联通信和网络接入，另外通过引入智能用电软件升级模块还可以实现对产品的不断更新完善。

为实现上述目的，本发明提供了基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置。

本发明提供了如下技术方案。

一种居民智能用电管理系统，包括：一个或多个家用电器和电源插头、智能用电装置、3G网络、Internet上的远程应用服务器以及用电互动终端，其中：

所述智能用电装置，串接在家用电器和电源插头之间的供电回路中，连接智能用电装置与电源插头的是由火线、中线以及保护地线三根线组成的普通电源线，连接智能用电装置和家用电器的是由火线、中线以及保护地线、外加两根数据线组成的数据电源线；所述智能用电装置采集家用电器用电信息并且通过3G网络传送给Internet上的远程应用服务器，用电互动终端访问远程应用服务器，根据该用电信息，向智能用电装置发送控制命令，然后所述智能用电装置通过红外或者RS-485总线实现对家用电器的控制操作，从而实现用电互动终端对家用电器的智能用电管理和控制。

一种智能用电装置，用于实现用电互动终端通过3G网络对家用电器进行管理控制，包括A/D采样单元、智能用电单元、主控模块、负荷控制继电器电路、以及3G通信与级联通信单元，其中：

A/D采样单元，对220V交流电进行A/D转换，变成数字信号然后提供给智能用电单元；

智能用电单元，在主控模块的控制下完成电能质量监测、电能计量或各用电参数的测量，为用户提供实时用电信息；

主控模块，是智能用电装置的核心控制模块，将CPU、RAM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，连接并且控制A/D采样单元、智能用电单元、负荷控制继电器电路、3G通信与级联通信单元的工作；

负荷控制继电器电路，在主控模块的控制下，控制家电电器的工作电源的接通或断开；

3G通信与级联通信单元，采用即插即用工作方式，实现智能用电装置与3G网络之间的无线通信。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的基于3G网络的居民智能用电管理系统及装置，通过在家用电器与插座之间引入智能用电装置，可以实现对家电的用电进行计量及监测功能，并且通过该装置中的3G通信与级联通信单元可以实现家电与用户之间基于3G网络的互动；其中3G通信与级联通信单元即插即用，有效地解决了家电和通信产品使用寿命相差较大的问题，也方便了多个家电的级联通信和网络接入；另外该智能用电装置的体积可以做的很小，实现与电源线的一体化。

附图说明

图1是现有技术的常规的家用电器用电结构框图；

图2是本发明提供的基于智能用电装置的家用电器用电结构框图；

图3是本发明提供的基于3G网络的居民智能用电管理系统的结构框图；

图4是本发明提供的智能用电装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明的实施例做进一步的详细说明。

图1是现有技术的常规的家用电器用电结构框图。其中家用电器11通过接线端子12、普通的电源线13、电源插头14接入工作电源，在这种结构下，用户无法知晓家用电器11的实际用电情况，也不能实现对该电器的远程控制，因此不能满足如前面背景技术中提到的新形势下智能电网对智能用电的新要求。

图2是本发明提供的基于智能用电装置20的家用电器用电结构框图，这里家用电器21可以是上面图1中所示的家用电器11，只是其内部的接线端子22有别于家用电器11的接线端子12。与图1所示的结构不同之处在于，家用电器21和电源插头14之间的电源线中串接了智能用电装置20，该智能用电装置20和电源插头14之间是普通电源线13，通常包括保护地线(E)、中线(N)和火线(L)，与家用电器21相连的是数据电源线23，和普通电源线13相比，数据电源线23中增加了两根用于控制家电的数据线。其中智能用电装置20通过接线端子12连接到普通电源线13上，并且通过接线端子22连接到数据电源线23上，数据电源线23又通过另一接线端子22连接到家用电器21上。通过该智能用电装置20，可以实现对该家用电器21的用电信息采集、电能质量实时监测、开关负荷控制、红外遥控、3G上网等功能，使得用户可以通过3G网络实现与该家用电器21的互动。该智能用电装置20的具体结构及其工作原理在后面将结合图3和4进行阐述。这里，该智能用电装置20的体积可以做的很小，实现与电源线的一体化。

图3是本发明提供的基于3G网络的居民智能用电管理系统的结构框图。该居民智能用电管理系统包括：一个或多个家用电器21和电源插头14、连接家用电器21和电源插头14的智能用电装置20、3G网络15、远程应用服务器16以及用电互动终端17，智能用电装置20可以实现对家用电器21的电能计量、监测功能，还可以使得用户通过3G网络15、位于Internet上的远程应用服务器16以及用电互动终端17，实现对家用电器21的远程控制与管理。此外，通过智能用电装置20提供的USB接口，外接微功率无线通信模块后，能够完成多个家电电器21的级联通信，外接3G上网卡后能够通过3G网络15和Internet上的远程应用服务器16与远程的用电互动终端17通信，多个家用电器21还可以仅使用一个3G上网卡访问3G网络15。

图4是本发明提供的智能用电装置20的具体结构框图，包括A/D采样单元201、智能用电单元202、主控模块203、负荷控制继电器电路204、智能用电软件升级模块205、3G通信与级联通信单元206、RS-485接口207、红外遥控208、辅助功能电路209、电源电路210，另外智能用电装置20还可以提供USB接口，来外接微功率无线通信模块25和3G上网卡24。下面分别对各部件进行详细说明。

(1)普通电源线13、数据电源线23：

智能用电装置20与电源插头14之间相连的是普通电源线13，包括三根线：火线(L)、中线(N)以及保护地线(E)。从智能用电装置20引出的数据电源线23为五根线：除了上述三根L、N、E线之外，又增加了与RS-485接口相连的两根数据线A、B线，一起用于实现为家电供电和与家电的通信与控制功能。

(2)A/D采样单元201、智能用电单元202：

220V电源经A/D采样单元201实现A/D转换处理之后，变成数字信号提供给智能用电单元202，智能用电单元202在主控模块203的控制下，完成电能质量监测、电能计量或各用电参数的测量，为用户提供实时用电信息，该单元通常采用专用的电能计量芯片，该芯片与主控模块203的连接通常采用SPI或者I2C接口。其中的电能质量监测功能，是目前标准电能表及智能插座所不能提供的。

(3)主控模块203：

主控模块203是将CPU、RAM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，主控模块203可以向用户提供多个I/O接口，每个I/O接口可以根据用户的需求，定义成输入、输出或者输入输出双向形式。

主控模块203控制智能用电单元202时，如果采用I2C接口则需要提供时钟线和数据线，如果采用SPI接口则需要提供片选、时钟线、数据输入和数据输出线；主控模块203在控制负荷控制继电器电路204时，需要提供一根继电器控制线，可以使继电器闭合或断开；主控模块203在连接RS-485接口207时，需要提供一个串口接口，包括发送数据线和接收数据线；主控模块203在连接红外遥控208时，可以采用串行接口方式，也可以直接采用I/O，按照位操作的方式接收或发送数据；主控模块203在连接3G通信与级联通信单元206时，采用总线工作方式连接，提供片选、中断、地址等控制信号，同时提供并行数据接口，在控制信号的作用下，完成数据的并行写入或读出；主控模块203在连接辅助功能模块209时，采用直接I/O方式；主控模块203在连接智能用电软件升级模块205时，采用SPI接口。

(4)负荷控制继电器电路204：

负荷控制继电器电路204在主控模块203的控制下，控制家电电器21的工作电源的接通或断开，家用电器21的工作电源通常为交流220V，负荷控制继电器电路204可以选择机械方式的，也可以选择电子方式的。

(5)RS-485接口207：

RS-485接口207在主控模块203的控制下，通过两根数据线(A、B线)实现主控模块203和家用电器21之间的通信。

(6)红外遥控208：

红外遥控208包括红外接收和红外发送数据线，主控模块203在连接红外遥控时直接采用I/O接口，按照位操作的方式接收或发送数据，主控模块203通过控制红外遥控208的接收或发送数据操作，实现对与该智能用电装置20相连接的家用电器21的控制或对在红外遥控208的红外通信范围内的另一家用电器21的控制。

(7)3G通信与级联通信单元206、微功率无线通信模块25和3G上网卡24：

3G通信与级联通信单元206与主控模块203之间的连接采用总线工作方式，实现智能用电装置20与3G网络15之间的无线通信，它提供USB接口，可外接微功率无线通信模块25和3G上网卡24，通过微功率无线通信模块25之间的无线中继实现多个家用电器21的级联通信，通过3G上网卡24接入到3G网络15，多个级联通信的家用电器21可以共用一个3G上网卡24。主控模块203提供片选、中断、地址等控制信号控制3G通信与级联通信单元206的工作，同时提供并行数据接口，在控制信号的作用下，完成数据的并行写入或读出。需要指出的是，其中的3G上网卡24、3G通信与级联通信单元206采用即插即用方式连接到智能用电装置20上，有效地解决了家电使用寿命相对较长和通信产品使用寿命相对较短的问题，实现了智能用电管理系统对家电的长期有效的控制。

(8)智能用电软件升级模块205：

智能用电软件升级模块205和主控模块203通过SPI相连，可以通过3G上网卡24接入3G网络15以及Internet上的远程应用服务器16，实现智能用电软件的升级和更新，满足智能用电的新需求。

(9)辅助功能模块209：

辅助功能模块209可以根据需要，提供显示、按键以及存储等功能；

(10)电源电路210：

电源电路210将220V电源，经过降压、整流和稳压，变成5V和3.3V，为智能用电装置20提供直流工作电源。

下面结合图3和图4描述一下基于3G网络的居民智能用电管理系统的工作原理以及智能用电装置的工作原理。

该系统的工作原理如下所述：当家用电器21接通电源时，智能用电装置20自动计量家用电器21消耗的电能，并可以实时采集电压、电流、有功以及无功等用电信息，该用电信息可以由智能用电装置20通过3G网络15传送给Internet上的远程应用服务器16，用电互动终端17可以登录远程应用服务器16访问该用电信息；用电互动终端17可以通过远程应用服务器16以及3G网络15向智能用电装置20发送控制命令，然后由智能用电装置20利用串行接口或红外遥控实现与家用电器21的通信和/或控制，例如接通或者切断家用电器21的工作电源；智能用电装置20通过USB接口连接微功率无线通信模块25和/或3G上网卡24，通过微功率无线通信模块25可以实现多个家用电器21之间的级联通信，3G上网卡24在智能用电装置20的控制下，进行初始化操作，打开USB端口，用USB接口进行PPP(Point-to-Point Protocol，点到点协议)协议通信，获取IP地址，通过3G网络和Internet上的远程应用服务器16连接，这样，用电互动终端17登录远程应用服务器16，通过3G网络15实现对家电的远程管理和控制。

智能用电装置20的工作原理如下所述：220V电源经A/D采样单元201实现A/D转换处理之后，变成数字信号提供给智能用电单元202；智能用电单元202在主控模块203的控制下，完成能质量监测、电能计量或各用电参数的测量，为用户提供实时用电信息；主控模块203通过负荷控制继电器电路204控制家用电器21的工作电源的接通或者切断，主控模块203通过RS-485接口207或红外遥控208控制与家用电器21之间的通信和/或控制，主控模块203通过3G通信与级联通信单元206以及3G上网卡24实现到3G网络15的接入，以及通过3G通信与级联通信单元206提供的USB接口，外接微功率无线通信模块25，实现多个家用电器21之间的级联通信。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及装置；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种居民智能用电管理系统，包括：家用电器和电源插头、智能用电装置、3G网络、Internet上的远程应用服务器以及用电互动终端，其中：

所述智能用电装置，串接在家用电器和电源插头之间的供电回路中，连接智能用电装置与电源插头的是由火线、中线以及保护地线三根线组成的普通电源线，连接智能用电装置和家用电器的是由火线、中线以及保护地线、外加两根数据线组成的数据电源线；所述智能用电装置采集家用电器用电信息并且通过3G网络传送给Internet上的远程应用服务器，用电互动终端访问远程应用服务器，根据该用电信息，向智能用电装置发送控制命令，然后所述智能用电装置通过红外或者RS-485总线实现对家用电器的控制操作，从而实现用电互动终端对家用电器的智能用电管理和控制。

2.如权利要求1所述的居民智能用电管理系统，其中所述智能用电装置包括A/D采样单元、智能用电单元、主控模块、负荷控制继电器电路、3G通信与级联通信单元，其中：

A/D采样单元，对220V交流电进行A/D转换，变成数字信号然后提供给智能用电单元；

智能用电单元，在主控模块的控制下完成电能质量监测、电能计量或各用电参数的测量，为用户提供实时用电信息；

主控模块，是智能用电装置的核心控制模块，将CPU、RAM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，连接并且控制A/D采样单元、智能用电单元、负荷控制继电器电路、3G通信与级联通信单元的工作；

负荷控制继电器电路，在主控模块的控制下，控制家电电器的工作电源的接通或断开；

3G通信与级联通信单元，采用即插即用工作方式，实现智能用电装置与3G网络之间的无线通信。

3.如权利要求2所述的居民智能用电管理系统，其中所述智能用电装置进一步包括RS-485接口和/或红外遥控，通过RS-485接口和/或红外遥控实现与家用电器之间的通信，其中：

RS-485接口，在主控模块的控制下，通过两根数据线实现主控模块和家用电器之间的通信；

红外遥控，包括红外接收和红外发送数据线，主控模块通过控制红外遥控的接收或发送数据操作，实现智能用电装置对家用电器的控制。

4.如权利要求2所述的居民智能用电管理系统，其中所述3G通信与级联通信单元还提供USB接口，外接微功率无线通信模块和/或3G上网卡，通过微功率无线通信模块之间的无线中继实现多个家用电器的级联通信，通过3G上网卡接入到3G网络。

5.如权利要求3或4所述的居民智能用电管理系统，其中所述智能用电装置进一步包括智能用电软件升级模块，其中：

智能用电软件升级模块和主控模块相连，通过3G上网卡接入3G网络以及Internet上的远程应用服务器，实现智能用电软件的升级和更新。

6.一种智能用电装置，用于实现用电互动终端通过3G网络对家用电器进行管理控制，包括A/D采样单元、智能用电单元、主控模块、负荷控制继电器电路、以及3G通信与级联通信单元，其中：

A/D采样单元，对220V交流电进行A/D转换，变成数字信号然后提供给智能用电单元；

智能用电单元，在主控模块的控制下完成电能质量监测、电能计量或各用电参数的测量，为用户提供实时用电信息；

主控模块，是智能用电装置的核心控制模块，将CPU、RAM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，连接并且控制A/D采样单元、智能用电单元、负荷控制继电器电路、3G通信与级联通信单元的工作；

负荷控制继电器电路，在主控模块的控制下，控制家电电器的工作电源的接通或断开；

3G通信与级联通信单元，采用即插即用工作方式，实现智能用电装置与3G网络之间的无线通信。

7.如权利要求6所述的智能用电装置，进一步包括RS-485接口和/或红外遥控，通过RS-485接口和/或红外遥控实现与家用电器之间的通信，其中：

RS-485接口，在主控模块的控制下，通过两根数据线实现主控模块和家用电器之间的通信；

红外遥控，包括红外接收和红外发送数据线，主控模块通过控制红外遥控的接收或发送数据操作，实现智能用电装置对家用电器的控制。

8.如权利要求6所述的智能用电装置，其中所述3G通信与级联通信单元还提供USB接口，外接微功率无线通信模块和/或3G上网卡，通过微功率无线通信模块之间的无线中继实现多个家用电器的级联通信，通过3G上网卡接入到3G网络。

9.如权利要求7或8所述的智能用电装置，进一步包括智能用电软件升级模块，其中：

智能用电软件升级模块和主控模块相连，通过3G上网卡接入3G网络以及Internet上的远程应用服务器，实现智能用电软件的升级和更新。

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