CN105122584A

CN105122584A - 用于监控和控制电器的系统和方法

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Publication number: CN105122584A
Application number: CN201480021050.6A
Authority: CN
Inventors: 斯皮里宗·里瓦达拉斯; 伊万·尼尔·哈立德格; 沙瓦耶·卡尔拉姆科特
Original assignee: Tan Gui Private LP
Current assignee: Tan Gui Private LP
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-12-02
Also published as: US10700549B2; AU2014218321A1; AU2018201515A1; WO2014124490A1; EP2954608A1; JP2016510587A; AU2020205250A1; WO2014124490A9; US20150372539A1; EP2954608A4

Abstract

一种用于监控和控制至少一个电器的系统。该系统包括计算机服务器系统和远离计算机服务器系统安装的并且与计算机服务器系统无线通信的电子接口装置。接口装置被配置为监控至少一个电器的电力消耗并且控制对至少一个电器的电力供应。接口装置进一步被配置为将监控的电力使用数据周期性地发送至计算机服务器系统，以从计算机服务器系统接收数据和命令中的至少一个并且基于所接收的数据和命令中的至少一个控制至至少一个电器的电力。

Description

用于监控和控制电器的系统和方法

技术领域

所描述的实施方式整体涉及能量收集和/或消耗系统和用于这种系统的接口装置。具体地，这种能量收集系统可被配置为从环境中收集诸如风能、水能，波能或地热能的动能或者收集如太阳辐射的电磁能。实施方式还涉及便于包括接口装置的系统的远程监控和/或控制的系统和方法。

背景技术

所谓的可再生能源系统(诸如太阳能电池阵列、太阳能热水系统、风，水和波轮机系统)正变得越来越普遍。这种技术通常被认为是无污染技术，因为它们避免或减少了化石燃料的消耗。对于许多这样的技术，可以产生其中可代替通常通过化石燃料的消耗提供的能量而使用来自这种系统的能量的碳信用额度(carboncredit)。这样的碳信用额度被认为具有价值且越来越作为商品而被交易。

然而，许多可再生能源系统不能实际测量由能量收集系统所产生的能量、不能测量实际使用的所产生的再生能源的量和/或不能利用任何这种测量数据来跟踪碳信用额度。

家庭的能源使用可通常是效率低的或者浪费的。例如，热水器经常开着，当不需要热水器时其仍然消耗能源并且加热水。其他电器在不需要它们开着时也依然开着。另外，电器的使用会发生在高峰需求(以及高峰费率)的时候，但实际它们可以在另一个时间更经济地使用。

期望解决或改善与先前系统相关联的一个或多个缺点或者劣势，或者至少提供一种对其的有用的替代方案。

发明内容

某些实施方式涉及用于监控和控制至少一个电器的系统，该系统包括：

计算机服务器系统；

电子接口装置，从计算机服务器系统远程地安装并且与计算机服务器系统无线通信，其中接口装置被配置为监控至少一个电器的电力消耗并且控制对至少一个电器的电力供应，并且其中接口装置被配置为将监控的电力使用数据周期性地发送至计算机服务器系统，以从计算机服务器系统接收数据和命令中的至少一个并且基于所接收的数据和命令中的至少一个控制至至少一个电器的电力。

该系统可以进一步包括：至少一个电子控制单元，与电子接口装置通信并且布置为接通或断开至至少一个电器的电力。至少一个电子控制单元可以使用局域通信协议与接口装置无线通信。至少一个电子控制单元可以包括电流传感器以当接通至至少一个电器的电力时监控由至少一个电器汲取的电流，其中电子控制单元被配置为将监控的电流数据传送至接口装置。

该系统可进一步包括：数据存储器，计算机服务器系统可访问其以存储和提供基于从接口装置周期性接收的电力使用数据的历史电力使用数据。计算机服务器系统可被配置为从历史电力使用数据计算统计数据并且响应于从接口装置接收的请求将计算的统计数据的至少一些发送至接口装置。至少一些统计数据例如可包括关于电器设定点的标准偏差。

计算机服务器系统可以包括客户端接口模块以允许用户经由与计算机服务器系统通信的客户端装置与计算机服务器系统交互。计算机服务器系统可被配置为经由客户端接口模块允许配置接口装置的监控和控制功能。

计算机服务器系统；

电子接口装置，从计算机服务器系统远程地安装并且与计算机服务器系统无线通信，其中，电子接口装置可以被配置为：从至少一个电器接收电力使用信息，将与电力使用信息有关的电力使用数据周期性地发送至计算机服务器系统，以从计算机服务器系统接收数据和命令中的至少一个，并且基于所接收的数据和命令中的至少一个控制至至少一个电器的电力，并且其中，服务器系统可被配置为访问数据存储器以存储和检索基于周期性地从接口装置接收的电力使用数据的历史电力使用数据；以及

自适应学习模块，被配置为基于配置信息和历史电力使用数据生成用于接口装置的命令以控制至至少一个电器的电力。

根据某些实施方式，服务器系统可以承载自适应学习模块。在某些实施方式中，配置信息可由自适应学习模块从客户端装置接收。

根据某些实施方式，计算机服务器系统可包括客户端接口模块，以允许用户经由与计算机服务器系统通信的客户端装置与计算机服务器系统交互，其中，计算机服务器系统可以经由客户端接口模块接收配置信息，配置信息包括与接口装置的监控和控制功能的配置有关的信息。

某些实施方式可以进一步包括：至少一个电子控制单元，其与电子接口装置通信并且布置为控制至至少一个电器的电力。根据某些实施方式，至少一个电子控制单元使用局域通信协议与接口装置无线通信。根据某些实施方式，至少一个电子控制单元可包括电流传感器，以在接通至至少一个电器的电力时监控由至少一个电器汲取的电流，其中电子控制单元可被配置为将监控的电流数据传送至接口装置。

根据某些实施方式，计算机服务器系统可以被配置为从历史电力使用数据计算统计数据，并且响应于从接口装置接收的请求将计算的统计数据的至少一些发送至接口装置。根据某些实施方式，至少一些统计数据可包括关于电器设定点的标准偏差。

某些实施方式涉及一种控制供应至至少一个电器的电力的方法，该方法包括以下步骤：

接口装置监控至少一个电器的电力消耗；

接口装置将与至少一个电器的电力消耗有关的电力消耗信息发送至服务器系统；

接口装置从服务器系统接收命令；并且

接口装置基于所接收的命令控制至至少一个电器的电力。

根据某些实施方式，监控电力消耗的步骤可以包括从与电子接口装置通信的至少一个电子控制单元接收电力消耗数据。

根据某些实施方式，至少一个电子控制单元可包括电流传感器以在接通至至少一个电器的电力时监控由至少一个电器汲取的电流，并且接口装置监控至少一个电器的电力消耗的步骤可包括接口装置从电子控制单元接收监控的电流数据。

根据某些实施方式，控制电力的步骤可以包括，将一个或多个控制命令发送至至少一个电子控制单元，电子控制单元被布置为响应于一个或多个控制命令控制至至少一个电器的电力。

服务器系统接收配置信息；

服务器系统从接口装置接收与至少一个电器有关的电器电力消耗信息并且将该信息存储在数据存储器中；

服务器系统从数据存储器检索电力消耗信息；

服务器系统处理电力消耗信息和配置信息以生成一个或多个命令；并且

服务器系统将一个或多个命令发送至接口装置以使接口装置控制至至少一个电器的电力。

根据某些实施方式，配置信息可以经由客户端接口模块从客户端装置接收，配置信息包括与接口装置的监控和控制功能的配置有关的信息。

根据某些实施方式，接口装置可被配置为通过将一个或多个控制命令发送至至少一个电子控制单元来控制至至少一个电器的电力，电子控制单元被布置为响应于一个或多个控制命令控制至至少一个电器的电力。

某些实施方式涉及一种与能量收集系统连接的接口装置，该接口装置包括：

至少一个处理装置；

存储器，存储由至少一个处理装置可执行的程序代码以控制接口装置的测量、通信和定位功能；

测量部件，测量由能量收集系统产生的电能；

定位部件，确定接口装置和能量收集系统的位置；以及

通信部件，向和从外部网络无线通信。

至少一个处理装置；

存储器，存储由至少一个处理装置可执行的程序代码以控制接口装置的测量、通信和可选择的定位功能；

测量部件，测量由能量收集系统产生的电能并确定由本地功率耗散器(powersink)消耗的所产生的电能的量；

可选的定位部件，确定接口装置和能量收集系统的位置；以及

通信部件，向和从外部网络无线通信。

某些实施方式可涉及温度传感器的使用，该温度传感器被布置为感测与能量收集系统相关联的储水装置的水温。接口装置可被配置为接收来自温度传感器的输出以确定所感测的水温。在这种实施方式中，接口装置可被配置为监控水温。在某些实施方式中，接口装置还可被配置为向能量收集系统和备用加热系统中的至少一个发送控制信号以控制在热水装置中的水的加热，从而使水保持在或高于设定温度达设定的最小时间段。

某些实施方式涉及一种用于能量收集系统的远程监控的系统，包括：

接口装置，安装在能量收集系统的站点处并被配置为连续监控由能量收集系统汲取和/或产生的能量并计算能量收集系统的电力贡献，接口装置包括无线通信部件并被配置为将表示所计算的电力贡献的数据周期性地通过网络发送至某一地址；以及

服务器，远离接口装置并从接口装置接收表示所发送的电力贡献的数据，服务器被配置为存储数据并允许实时地对数据的授权访问。

服务器可进一步被配置为基于所接收的表示电力贡献的数据来计算与能量收集系统相关联的碳信用额度。接口装置可被进一步配置为计算在能量收集系统的站点处的助推器(booster)系统的电力消耗并将表示电力消耗的数据发送到服务器。

能量收集系统可包括协作地向站点供应加热的水的太阳能热水系统和电热水系统。该系统可进一步包括感测在太阳能加热系统中的水温的第一温度传感器和感测在电热水系统中的水温的第二温度传感器。接口装置可被布置为接收来自第一和第二温度传感器的指示所感测的温度的输出信号。接口装置可被配置为控制对电热水系统的电力供应。接口装置可被配置为响应于从服务器接收的特定命令切断至电热水系统的电力。

服务器可被配置为允许经由客户端计算装置从授权用户接收输入以切断对电热水系统的电力，并且响应于所接收的输入来产生特定命令并将其发送到接口装置以使接口装置切断至电热水系统的电力。

该系统可进一步包括在太阳能热水系统与电热水系统之间循环水的循环泵，其中循环泵的操作由接口装置来控制。

接口装置和服务器都可被配置为使用数据传输协议来将具有消息报头和消息数据的消息发送给彼此，消息报头具有仅单个字节或单个字的报头大小。数据传输协议的每个消息可包括以下的其中一个：尾随校验和字节；以及无尾随字节。

某些实施方式涉及一种用于电力消耗管理的系统，包括：

多个地理上散布的电热水系统，分别安装在某一站点处以向该站点供应热水；

多个接口装置，分别安装在相应的站点处，其中，每个接口装置具有无线通信部件以从服务器接收控制命令，并且每个接口被配置为响应于控制命令控制对相应电热水系统的电力供应；以及

服务器，该服务器允许接收控制输入以使服务器将控制命令发送至接口装置。

每个接口装置可进一步被配置为确定在相应站点处的电热水系统的电力使用并定期地将指示所确定的电力使用的数据发送至服务器。

该系统可进一步包括每个站点处的温度传感器，该温度传感器被布置为感测电热水系统的水温并将指示所感测的水温的信号提供至相应的接口装置。在每个站点处的接口装置可被配置为将指示所感测的温度的数据定期地发送至服务器。

服务器可被配置为将所感测的相应热水系统的水温与温度阈值相比较并基于比较的结果将控制消息发送至与相应热水系统相关联的接口装置。服务器可被配置为将控制消息发送至相应的接口装置以使相应的接口装置在特定的每日的时间段期间(诸如高峰用电期间)切断至相应电热水系统的电力。

某些实施方式涉及一种电力消耗管理的方法，包括：

在服务器处从多个远程站点(其具有相应电热水系统和被布置为控制至相应电热水系统的电力的相应接口装置)接收感测的水温数据，其中，每个接口装置被配置为将所感测的水温数据传送至服务器；

从所感测的水温数据确定所感测的相应电热水系统的水温是否处于或高于阈值温度；并且

在特定的每日的时间段期间，向其中所感测的水温处于或高于阈值温度的站点处的那些接口装置发送控制命令，控制命令使相应的接口装置切断至相应站点处的电热水系统的电力。

某些实施方式涉及一种热水系统，包括：

太阳能热水系统；

电热水系统，耦接到太阳能热水系统以在太阳能热水系统与电热水系统之间循环水；温度感测器件，感测在太阳能热水系统和电热水系统中的水温；

接口装置，耦接该装置以从温度感测器件接收输出信号并且从输出信号确定太阳能热水系统中的水温的变化率，其中，对于预定的每日时段，接口装置被配置为当电热水系统断开并且确定的变化率指示太阳能热水系统中的水温在预定时间不会到达目标温度时，使至电热水系统的电力接通。

某些实施方式涉及包括上述接口装置的能量收集系统。某些实施方式涉及一种如本文中所述的接口装置的使用方法。

附图说明

下面通过实例的方式并参照附图来进一步详细描述实施方式，其中：

图1是用于能量收集和跟踪的系统的框图；

图2是在图1的系统中使用的接口装置的框图；

图3是图2的接口装置的使用方法的流程图；

图4是根据进一步的实施方式的接口装置的框图；

图5是具有DC测量单元的接口装置的某些部件的示意性电路图；

图6A是图5的接口装置的DC测量单元的示意性电路图；

图6B是图5的接口装置的替代AC测量单元的示意性电路图；

图7是在使用GSM模块过程中的电流和电池电压的示意性图示；

图8是接口装置的SRAM存储器的实例数据结构的示意性图示；

图9是在由接口装置执行的串行通信中的字符成帧的实例的示意性图示；

图10是根据某些实施方式的接口装置的操作方法的流程图；

图11是GSM电力接通序列的流程图；

图12是GSM电力断开序列的流程图；

图13是从接口装置向远程服务器发送数据的方法的流程图；

图14是从接口装置向远程装置或网络节点发送文本消息的方法的流程图；

图15是根据某些实施方式的采用结合接口装置的太阳能热水系统的系统的框图；

图16是示出结合图15的系统的计算机化控制和监控系统的示意图；

图17是示出如由能量分配器(energydistributor)所看到的图16的系统的控制功能的示意图；

图18是进一步详细示出服务器系统的各方面的框图；

图19是示出图16的系统的远程监控功能的示例性用户接口显示器；

图20是示出图16的系统的远程控制功能的示例性用户接口显示器；

图21是示出图16的系统的远程数据下载功能的示例性用户接口显示器；

图22是示出在其中助推加热器(boosterheater)由某些实施方式的接口装置来控制的第一场景下的太阳能热水系统的温度随时间变化的曲线图；

图23是示出在其中助推加热器由某些实施方式的接口装置控制的第二场景下的太阳能热水系统的温度随时间变化的曲线图；

图24是根据某些实施方式的接口装置的微控制器的示意性电路图；

图25是根据某些实施例的接口装置的通信模块的示意性电路图；

图26是根据某些实施方式的接口装置的电力和电池管理电路的示意性电路图；

图27是根据某些实施方式的接口装置的稳压电源电路的示意性电路图；

图28是根据某些实施方式的接口装置的温度传感器接口电路的示意性电路图；

图29是根据某些实施方式的接口装置的电流传感器接口电路的示意性电路图；

图30是根据某些实施方式的接口装置的精密电压参考电路的示意性电路图；

图31是根据某些实施方式的接口装置的控制和传感器接口电路的示意性电路图；

图32是根据某些实施方式的接口装置的流量传感器接口电路的示意性电路图；

图33是根据某些实施方式的接口装置的串行监控端口的示意性电路图；

图34是根据某些实施方式的接口装置的尖峰(spike)保护电路的示意性电路图；

图35是用于监控和控制电器的系统的框图；

图36是更详细地示出图35的系统的控制单元的框图；

图37是自适控制过程的主回路的流程图；

图38是公共实体(utility)控制过程的流程图；

图39是温度控制过程的流程图；以及

图40是能量节约过程的流程图；

图41是由图1的接口装置执行的控制供应至至少一个电器的电力的过程的流程图；并且

图42是由图1的服务器系统执行的控制供应至至少一个电器的电力的过程的流程图。

具体实施方式

所描述的实施方式整体涉及能量收集系统和用于这种系统的接口装置。具体地，这种能量收集系统可被配置为从环境中收集诸如风能、水能，波能或地热能的动能或者收集如太阳能辐射的电磁能。在该背景下，能量收集可涉及能量从一种形式到另一种的转换。例如，太阳的EM辐射可在物质(诸如水)中以增加的热量的形式转化为动能。在另一实例中，太阳EM辐射或动力风能可被转换为电能。

描述的与能量收集系统的接口装置有关的实施方式涉及这样的接口装置以内的硬件和软件部件以便使得能够测量产生的电力、位置确定(即使用GPS)、与远程系统无线通信并且还可选地执行与和接口装置共同定位和/或集成的能量收集系统有关的功能。所描述的实施方式的接口装置可提供应用程序接口(API)功能(其具有开放性规范以允许利用多个不同的外部功能部件来设计和使用接口装置)。

如图1所示，用于能量收集跟踪的系统100包括能量收集系统110，作为非限制性实例，该能力收集系统110可以是太阳能电池阵列组件、太阳能热水系统、风力涡轮机、波能量收集机(waveenergyharvester)、次表面水涡轮机、热能量提取系统或其它非化石燃料系统。能量收集系统110可被表征为可再生能源系统、设备或装置并且通常旨在例如将本地环境中的以移动体或移动粒子的动能(包括热能)或电磁辐射的形式的能量转化为用于存储或传输的电能或物质(诸如水)中的动能。

能量收集系统110包括能量转换系统120和接口装置130，接口装置130可与能量转换系统120物理地集成或与能量转换系统120靠近地定位，或者可替代地物理地独立但地理上共置。能量转换系统120是能量收集系统110的将环境中的电磁或动能转化为动能或电能输出125的部分。该动能或电能输出125由接口装置130来监控和测量。通过电路的电力的量由所测量的电流和电压的乘积来计算。使用传感器电路(具有嵌入其中的作为测量仪器的变压器)来测量电流和电压。下面进一步详细地描述从太阳能热水系统获得的热能的监控和测量。

接口装置130可具有其自身的电源(诸如电池)和/或可从能量输出125获得电力。接口装置130可被配置为输出控制信号135以对能量转换系统120的功能的一个或多个方面施加控制。例如，接口装置130可切换能量转换系统120的操作模式或者可将控制信号传输至与能量转换系统120相关联的电机以改变其位置。例如，如果能量转换系统120是太阳能电池阵列，则接口装置130可输出控制信号135以使伺服电机来改变太阳能电池阵列的方位以最大化一天的特定时间的在其上的日光照射量。在另一实例中(其中能量转换系统120包括太阳能热水器)，可施加控制信号135以控制由电动或气体燃料热水器加热的水的补充。

接口装置130配备有通信子系统260(图2)，通信子系统260具有一个或多个有线或无线接口265(诸如局域无线(Wi-Fi)无线电部件267)和/或使用用户识别模块(SIM)269以通过无线分组网络来通信的移动电话部件。可替代地，通信子系统260可以有线方式与已经在附近建立的通信系统(诸如家庭互联网连接)通信。

接口装置130使用通信子系统260以通过公共网络160与远程服务器170通信。公共网络160包括常规的公共数据网络并且还可能包括本地无线数据网络。因此接口装置130实现与远程服务器170的双向通信，以便发送测量、定位、配置和状态信息并可选地从其接收状态查询和控制命令。服务器170使用从接口装置130接收的信息来确定由能量转换系统120产生的电能的量(其在本地被消耗并且因此不从电网150中汲取)，并计算在给定时间段内由能量转换系统120产生的碳信用额度的数量，或者至少确定由于能量转换系统120产生的碳补偿(offset)的量。

远程服务器170与在横跨潜在的大地理区域定位的能量收集系统110内的多个接口装置130通信并在服务器170可访问的数据库180中为每个这种接口装置130保持唯一的账户和跟踪记录。

在能量转换系统120被配置为能够将电能返回到本地电网的情况下，能量输出125可被耦接到逆变器(inverter)140，逆变器140随后将该电能返回到电网150并允许测定所返回的能量。该测定允许补偿被提供给已经产生能量的能量收集系统110的所有者。此外，或可替代地，来自能量转换系统120的某些或全部电能输出125可被提供至本地存储装置145或可被提供至本地电器以被消耗。

还参照图2，接口装置130是具有至少一个处理器205和用于存储由处理器205执行的程序代码的适当的存储器(未示出)的硬件装置，以提供所描述的功能并支持所描述的部件。接口装置130具有测量部件，其与单独的或集成的传感器装置(例如，使用变压器)通信并被归入负责在能源输出125处测量电能的量的测量服务功能210中。接口装置130进一步包括计算接口220、控制接口230和被配置为使用全球定位系统来确定接口装置130的位置245的定位部件240。接口装置130还包括控制服务250、电力装置270(其可包括电池和/或从能量输出125获得的电力)和如前面所提到的通信子系统260。

计算接口220执行计算以计算所测量的电力的RMS(均方根)值。在接口装置130接收水流速率信息的某些实施方式中(参见图15至图34)，计算接口220还可基于来自流量计的信号和所感测的水温等来计算水流速率和水流量。在接口装置130的某些实施方式中，计算接口20还可执行温度和电压测量的线性计算。

控制接口230和控制服务250响应于从远程服务器170接收(并由处理器205处理)的命令来对能量转换系统120的一个或多个点施加控制。

接口装置130因此提供了芯片组和网络服务方法的组合，以使其硬件和软件部件能够感测、监控、发送数据、控制和管理在不同地点的能源转换系统。由能量转换系统120产生的电能的直接测量与验证地理位置(使用GPS定位部件240)并通过网络160实时地发送该数据的能力的组合允许从在横跨地理区域定位的能量收集系统110获得更大的控制、认知和数值提取。

还参考图3，描述接口装置130的使用方法。方法300在310涉及测量能量转换系统120的电能输出125。可选地，接口装置130使用计算接口220执行对测量数据的计算。接口装置130随后在步骤330使用定位部件240来检查第一装置130的GPS位置。随后接口装置130在340将所测量和/或计算的数据与所确认的GPS位置以及任何其它相关数据一起发送至远程服务器170。一旦接口装置130在步骤350确定已经过去了预设的测量时间段，则重复步骤310至340。该预设时间例如可以是几分之一秒或数秒(诸如一秒、二秒、三秒、四秒、五秒、六秒、七秒、八秒、九秒、十秒、十五秒、二十秒、三十秒、四十秒、五十秒或六十秒)。

GPS部件240使用现有的GPS网络准确地确定接口装置130的位置以提供装置130所位于的精确纬度和经度以及所有坐标。服务器170使用该信息以确定能量转换系统120所位于的位置的其它环境信息，诸如太阳在天空中的通道(access)和路径以及直接日照小时量。GPS部件240也可使用其它接口245来测量XYZ坐标以利用其自身的GPS单元准确地测量能量装置关于其子系统的另一放置或另一部件(诸如另一太阳能面板或风力发电场)的倾斜度(pitch)或偏移。

通信子系统260能够通过各种通信接口256发送关于能量转换系统120的性能的数据。这种接口256包括用于利用移动电话网络的SIM(用户识别模块)卡269。接口265还可包括使用本地无线通信网络或本地小网络的Wi-Fi接口267。如果需要，也可集成卫星接口。

控制器230提供控制接口以与多通道通信子系统260交互，以使可再生能源装置的工程师和制造商能够远程地控制、配置、切换并维持它们的接口装置130。切换接口硬件芯片组控制服务250和控制器230可发送命令并接收数据以控制和切换耦接到接口装置130的一个或多个本地设备。

测量接口210可测量、存储和监控由能量转换系统120产生的太阳能的量或其它可再生能源的量。在能量转换系统120被使用的同时，测量接口210可与多个不同系统集成以测量和发送所获取的能源的量(即在145本地消耗的，而不是从电力供应电网150汲取的或返回到电网150的)。

绿色能源(即来自可再生资源的能源)(诸如太阳能和风能)变得更实惠并且目前被消费者认为是更加主流的。随着新技术在该领域的出现，它们的效率和效果不同，因为它们在很大程度上受与其位置相关联的主要环境因素的影响。

这些替代能源应以其最大效率来执行以便最大化其输出转换率和消费者的对前期投资的回报。为此，监控和追踪这些安装的可再生能源装置的效率对于不断从传统煤炭产生的能源获得市场份额的绿色能源的成功至关重要。所描述的接口装置实施方式可被用来监控和跟踪可再生能源装置和类似的绿色能源生成设施的效率。某些接口装置实施方式还允许通过能量转换系统来控制以优化其操作或效果。

由于绿色能源设施的性质和控制它们的环境因素，多个设计考虑适用于所描述的接口装置实施方式：

1.工作温度范围：-ve25至+80摄氏度。

2.通信：从很少或没有对网络基础设施的访问权的远程站点的通信的能力。

3.具有内置传输验证检查的通信容错协议栈。

4.内部数据存储器，在不丢失数据的前提下，承受一段时间的到远程服务器的通信链路的丢失/失败。

5.操作电源：具有电池备份的寄生供电(即通过能量收集系统供电)。用于外部电力的选择。

6.低或最低维护。

7.远程调试和纠错。

8.远程校准。

9.可选的远程编程。

碳信用额度是用于任何可交易凭证的通用术语或者允许表示排放一吨二氧化碳或具有二氧化碳当量(tCO2e)的其它温室气体的量的权利。一个碳信用额度等于一公吨二氧化碳。由于使用可再生能源而引起的碳补偿量取决于产生传统煤碳或其它能源的方法。这取决于植物产生这种能量的效率和其它因素。

所描述的接口装置实施方式的功能之一是跟踪所使用的可再生能源的量。该数据可被用于计算由能量收集系统100产生的碳信用额度的量。碳信用额度的计算是由服务器170基于由接口装置130提供的关于由本地源(诸如能量转换系统120)而不是由电力供应电网150产生的或从本地源汲取的功率量的信息来执行的服务器端功能。

图4是根据某些实施方式的接口装置130的功能和逻辑部件的示意性框图。图4中所示的接口装置130具有作为处理器的一个示例性形式的微控制器205。微控制器205从DC调节器(其可从耦接到AC电源(诸如IEC电源插座)的AC/DC变压器接收其电力供应)接收电力。电池和充电模块可从主电源或寄生地由能量转换系统120来充电。当DC调节器不从变压器接收电力时，电池可供应电力。接口装置130还可具有用于监控电力供应的AC电压(如果电力供应是AC)并将输出提供到微控制器205的AC电压监控器。接口装置130还具有为模拟数字转换器(ADC)和微控制器205提供至少一个电压参考的模拟参考部件。

接口装置130进一步包括用作与服务器170通信的外部通信接口的GSM/GPRS模块(具有上述部件260、265和269的功能)。GSM/GPRS模块包括适当的硬件和软件接口265并且可以可选地包括短距离无线(Wi-Fi)通信模块267或与其协作。可选地，接口装置130可具有用于确认接口装置130的位置的GPS子系统240。可替代地，可省略GPS子系统240以有利于确定接口装置130的物理位置的替代器件(诸如在其安装之后不属于接口装置130的单独GPS定位器)。

接口装置130进一步包括与其它本地装置连接的模拟端口连接器和数字端口连接器，在某些情况下经由端口连接器向这样的装置提供控制信号并且在某些情况下从这样的装置接收输出信号，在下面进一步详细地描述其实例。此外，至少一个电流变压器和可选的三个电流变压器由接口装置130使用以测量本地能量转换或消耗装置的DC或AC电流。接口装置130的某些实施方式也可使用一根配线总线连接器来管理多个温度传感器。

以下参考具体的实施实例来描述接口装置130的另一实施方式。

太阳能热水器-实例

太阳能热水系统使用太阳的自然能量来加热水。主要有三种类型的热水器，其分别使用不同的技术：

热虹吸系统；分离式系统(splitsystem)；以及热泵。能量收集系统110的这些太阳能热水形式可具有电气后备单元155，该电气后备单元155也称为助推单元(boosterunit)，在有些国家称为“热水器(geyser)”。助推单元155负责在太阳能热水系统不能提供所需要的加热时将水加热至所需温度。太阳能加热单元和助推单元155的主要功能是将水带到所需温度。太阳能加热单元发挥主要加热作用并且助推单元155仅在需要时使用。助推单元155是使用来自主电源(电网150)的能量来发挥功能的电气单元。

系统的效率主要取决于太阳能加热单元。理想地，太阳能加热单元应能够提供将水加热到所需温度必需的能量，并且不使用助推单元155。鉴于此，系统的效率主要取决于两个因素：

1.在给定一天中的太阳的持续时间和强度。

2.太阳能单元将最大量的太阳能转换为增加的水的热量的能力。

如果上述因素中的任一个变化到最小加热需求都未得到满足的程度，则助推单元155将被激活。由于助推单元155利用来自电网150的能量，通过测量由该单元所消耗的能量，我们可以得出准确的碳排量。整个系统的效率可通过测量水温和助推器能量消耗来确定。当水温处于所需的水平并且助推单元未使用能量时，则热水系统被认为是非常有效的。

如果由光伏(PV)面板或太阳能农场(即大型PV板阵列)产生的电能未被使用、存储或返回到电网150，则其会丢失。测量所产生的能源的量可能不是实际碳补偿的准确测量。相反，碳补偿的准确测量将是对所使用或所消耗的由可再生能源产生的而不是从正常电力供应电网150汲取的能源的量的测量。

上述太阳能热水系统可以图1中所示的方式结合接口装置130，其中这种太阳能热水系统表示一种能量收集系统110并且被加热的水由本地存储或消耗145表示。此外，系统100可包括被布置为感测所存储的加热的水的温度并将指示所感测的温度的信号提供至接口装置130(并且可选地还提供至助推单元155)的温度传感器158或一个以上的这种传感器。所测量的助推单元能量消耗与所感测的水温数据(和使碳补偿进行计算的任何其它相关比较的温度信息)以及限定采取测量的时间段的数据可一起经由网络160发送至服务器170。该数据也可由接口装置130从耦接到热水供应单元的出口的流量计收集的流速数据来补充。可替代地，取代将数据发送至服务器来执行碳信用额度计算，可通过接口装置130的处理器205执行适当的程序代码来执行计算。

在诸如上述的包括热水系统的系统100的实施方式中，温度传感器(作为传感器158的一个实例)可被布置为感测与能量收集系统110相关联的储水装置的水温。在这样的实施方式中，储水装置是由图1所示的本地存储或消耗145包括的一种类型能量耗散(energysink)的实例。接口装置130可被配置为从温度传感器接收输出信号以确定所感测的水温。在这样的实施方式中，接口装置130可被配置为监控水温并在处理器205可访问的本地存储器中报告和存储所收集的温度信息。

在某些实施方式中，接口装置130也可被配置为将控制信号发送至能量收集系统110和备用加热系统(即助推单元155)中的至少一个以控制热水装置中的水的加热，从而使水保持处于或高于设定温度达设定的最小时间段。接口装置的这种监控和控制功能可由执行从接口装置130的本地存储器205读取的所存储程序代码的处理器来执行。

该加热控制对于为水箱中的面临细菌或其他微生物生长风险的区域确保热水系统的水温不低于特定温度阈值可以是是有用的。例如，某些区域可能容易爆发军团菌病。军团菌病污染水箱的风险可通过使水箱中的水温保持在或高于预设温度以杀死有害细菌来尽量最小化。

所描述的接口装置130的实施方式可在采用不同种类的能量收集系统110的不同种类的系统100内使用。接口装置130的这种实施方式在每种情况下都被配置位监控能量收集系统110的性能(包括效率和能源使用)并将以这种方式接收的数据存储、处理和转发到服务器170，以使服务器170能够计算由能量收集系统110产生的碳补偿，并且从而计算由该系统产生的碳信用额度的量。因此由服务器170接收的数据也可被用来允许能量收集系统的所有者(或赞助者)经由由通过网络160与服务器170通信的客户端计算装置165承载的用户接口远程地监控电加热水箱的电力使用和水箱温度。

现在参考图5至图14，接着进行接口装置130的实施方式的特征和功能的更详细的描述。图5是根据某些实施方式的接口装置130的示意性电路图。

微控制器单元(MCU)

微控制器单元505或MCU是如上所述的并在图2和图4中示出的处理器205的实例。MCU505是接口装置130和系统100的可再生能源产生部分的中央处理和控制单元。MCU505负责附接到其的所有其它模块的通信和控制。MCU505安装在携载本文描述的电路和电子部件的印刷电路板(PCB)(未示出)上。MCU505和PCB被容置在具有大致为10×10×3cm的量级的尺寸的模制塑料壳体(未示出)内。

图5是包括MCU505和DC检测单元530的相关联电路的集成电路的示意性电路图，其也在图6A中示出。图6B是可与MCU505或类似的处理器一起使用的AC测量单元630的示意电路图。

MCU505是包括处理器核心、存储器和可编程输入/输出外围设备的单个集成电路上的小型计算装置。在某些实施方式中，如图5所示，接口装置130的设计结合来自Amtel公司的Atmega32u4微控制器。Atmega32u4是8位基于AVRRISC的微控制器，其特征在于32KB自编程闪存程序存储器、2.5KBSRAM、1KBEEPROM、USB2.0全速/低速装置、12通道10位A/D转换器和用于片上调试的JTAG接口。Atmega32u4在16MHz、2.7-5.5伏操作下实现高达16MIPS的吞吐量。

其它微控制器可被用于实现本文所描述的功能。优选地，这样的微控制器将能够实现16MHz或以上的工作频率、提供USB2.0(或技术相当)支持、提供具有10位分辨率的至少八个ADC通道，并提供至少八个I/O外围设备。特别地，可在某些实施方式中使用ATmega328P-AC或ATmega644PA-AU(见图24至图34)微控制器。ATmega644PA-AU微控制器示于图24中并在下面进一步详细描述。

以下功能由MCU505执行：

1.监听命令信号(远程)。

2.模块之间的通信。

3.保持时钟信号。

4.跟踪测量转换。

5.跟踪维护周期。

6.用于GPRS的实施应用栈。

7.监控附接到其的I/O装置。

8.数据存储和检索。

9.错误恢复。

10.远程编程。

通信

服务器170与接口装置130之间的通信经由通信子系统260(其例如可具体化为图5中的GSM/GPRS处理芯片507)。从接口装置130到服务器170的数据通信例如可通过全球移动通信系统(GSM)经由通用无线业务(GPRS)。可替代地，可使用合适的后代无线通信协议。通信子系统260还支持用于若干其他功能的基于SMS的命令集，例如以允许接口装置和/或耦接到其的装置的远程控制。在该文献中，进一步详述通信子系统260的细节。除了应用栈之外的GSM和TCP/IP栈的所有层由通信子系统260来操纵。

高功率测量模块

MCU505在5VDC下运行。可通过MCU使用模拟数字转换器(ADC)来测量的最大值限于5VDC。为了测量更高电压，使用可处理高达64V和高达180A的专用的DC测量单元530。DC测量模块530的输出被直接馈送到MCU505以用于将该输出转换为有意义的测量结果。MCU数字化处理DC测量模块530的模拟输出并且随后尺度化(scale)数字化量以恢复到正确的比例量(例如高达64V)。

输入/输出(I/O)接口

多个输入/输出接口被制成经由与MCU505通信的I/O模块(未示出)可用。I/O模块可与外部传感器(诸如温度传感器)连接，并将结果传送至MCU505。I/O接口由MCU505管理和控制。

电池控制单元

在某些实施方式中，接口装置130被设计为以寄生模式(parasitemode)操作，这意味着接口装置可从其正在测量和控制的相同装置(诸如光伏面板(PV面板或太阳能板))来对其本身供电。由于这些源系统的不同性质，接口装置130可能不能够汲取足够的能量来对其本身供电。为此，使用电池(诸如连接到电池端子517的锂聚合物电池)来提供备用电源。

锂聚合物电池的充电和管理应小心地控制，以便最大化电池的寿命并且同时防止由于电池的过度排放或过度充电造成的任何损害。专用电池控制单元515的任务是管理和控制电池充电/放电周期的功能；电池控制单元515经由中央总线与MCU505通信。

时钟源

外部16MHz晶体用作MCU505的时钟源545。SMD16MHz晶体可连接到MCU505的XTAL1和XTAL2引脚。使用CKSEL[3:0]0000的闪存熔丝位(FlashFusebit)来设置装置时钟选项。对于所有的熔丝，“1”意味着未被编程，而“0”意味着被编程。对于两个晶体，电容器C1和C2应始终相等。电容器的最佳值取决于晶体、杂散电容的量和环境的电磁噪声。对于8.0MHz-16.0MHz频率晶体，应当使用10pF-22pF的电容器。

编程

MCU505中预配置的引导加载程序(bootloader)支持提供了真正的边读边写自编程机制，以通过MCU505本身来下载和上载程序代码。该特征允许由MCU505使用闪存驻留(Flash-resident)的引导加载程序来控制的灵活的应用软件更新。引导加载程序可使用任何可用的数据接口和相关联的协议来读取代码并将该代码写入(编程)闪存(未示出)中，或从程序存储器读取代码。引导加载程序部分中的程序代码具有写入整个闪存(Flash)(包括引导加载程序存储器)的能力。引导加载程序可因此甚至修改其本身，并且如果不再需要该特征则也可从代码中擦除其本身。

MCU505程序代码可例如经由通用串行总线(USB)端口540使用加载应用来上传到闪存。来自Amtel公司的8位超级AVR微控制器系列可包括USB接口装置，其是利用位于控制器的片上闪存(flash)引导部分中的USB引导加载程序配置的工厂(factory)。该USB引导加载程序允许从USB主机控制器执行系统内编程，而无需从系统中移除部件或无需预编程的应用，并且不需要任何外部编程接口。

USB连接器540安装在电路板上以用于编程和现场调试的目的。USB连接器540的引脚2和3分别连接至MCU505的端口-D和+D。此外，MCU505也可使用串行外围接口(SPI)总线(未示出)来编程。

电源

装置的主电源可由3.7V锂聚合物电池(未示出)来供应。MCU505能够在2.7V和5.5V之间操作。GSM模块507需要能在3.4V-4.5V之间和高达2A的尖峰电流来供应的电源。

电力供应设计对于GSM模块507是非常重要的。应遵循设计准则以确保模块的合适性能。VBAT(VCC)电压在任何时间应当是：3.4V<VBAT<4.5V。在突发传输期间，电流消耗最高。在此期间，VBAT电压降低到其最低水平。这在图7中示意性地示出。如果电压降到低于3.4V，则GSM模块将重置。在选择电源时，应考虑这些参数。3.7V锂聚合物电池能够提供在这些条件下工作的恒定电源。

接口装置130被设计为能够在寄生供电模式下起作用。它可从所测量的(输入)源中汲取所需要的电力。例如，在测量光伏(PV)面板(作为能量转换系统120的一个实例)时，接口装置130可从PV面板汲取电力来为给它本身供电。因为接口装置130在正常操作下仅汲取几毫安的电流，所以电力消耗很小并且在寄生供电模式下工作时为了测量的目的可被忽略。当在这种模式下操作时，接口装置130不直接从所测量的输入源中来供电，因为所测量的输入源可能不能对接口装置130提供合适的稳定的电力供应。相反，所测量的电源可用于给电池充电并且接口装置130总是由电池来供电。

LM7805电压调节器520可被用于将来自所测量的输入源的电压降低至5VDC。由于LM7805是线性调节器，所以在加热时损失了一些电力。LM7805应与散热器(heatsink)一起安装在接口装置130的主体上。LM7805能够将电压从7V-35V降低至5VDC。加热会随着输入与输出电压之间的差异而增加。理想地，输入电压尽可能的接近12V。LM7805的输出被用于向包括电池控制单元515和电池端子517的电池充电电路提供DC输入。

电池充电电路可被更新以包括5V电源，其可直接连接到充电电路(515/517)。在这种情况下，电池将操作为备用电源。

充电

充电和放电电池是一种化学反应。锂聚合物(Li-聚)电池对过充电和过放电很敏感。这可能会对电池造成永久的损坏。在某些情况下，如果在高电压下充电，Li-聚电池可能会爆炸。在给Li-聚电池充电时，应特别注意。

Li离子充电器是类似于铅酸系统的电压限制装置。不同之处在于每个单元(cell)更高的电压、更严格的电压容差和在完全充电时没有滴流(trickle)或浮动充电(floatcharge)。而铅酸电池在电压截止(cut-off)方面提供了某些灵活性，Li离子电池的制造对于正确的设置是非常严格的，因为Li离子不能接受过度充电。大多数电池充电4.20V/单元，其中容忍度是+/-50mV/单元。更高的电压会增加容量，但由此产生的电池氧化会减少使用寿命。如果充电超出4.20V/单元，更重要的是安全问题。

专用电池充电电路用于管理电池充电的不同阶段。接口装置130的实施方式可使用市售的来自美信半导体(MaximSemiconductor)的MAX1555IC作为电池控制单元515。MAX1555单元提供用于以安全方式给单个Li聚单元充电的完整的电气接口且除了几个电容器之外无需外部部件。电池控制单元515可支持两种充电模式，包括USB和DC。DC充电可高达280mA并支持高达7V的电压。MAX1555还提供指示充电电流何时达到50mA以上的低电平有效开漏(activelowopen-drain)CHG引脚。当电池控制单元515检测到过热时，它将会逐渐减小充电电流，直到达到安全水平。如果电池处于关键放电状态(VBATT<3V)，则电池控制单元515将提供40mA的预充电电流以便不损坏它。

MAX1555无需任何代码来进行连接。其CHG引脚可挂接到微控制器以通知其何时电池充电完成。MAX1555是电池控制单元515的一个实例且可被替换为其它充电器集成电路，诸如来自微芯(Microchip)的MCP73831。

测量

接口装置130的主要功能之一是测量连接到测量模块530的输入源端子的源的电力。功率是产生或消耗能量的速率。千瓦时(kWh)是相当于每一个小时(1h)的时间消耗一千瓦(1kW)的能源当量。

以瓦特形式的功率由下式导出：

P＝I.V，其中，P是功率(瓦特)，I是电流消耗且V是电压。

图6B是示例性AC测量单元630的电路图。对于电流测量，输入源电路中的电流对于直接利用微控制器接口来测量会太高。在这种情况下，使用电流变压器(CT)。电流变压器产生与输入源电路中的电流精确地成比例的降低的电流(其可被测量)。负载电阻并联连接到变压器线圈。当电流流经该电阻器时，其在电阻器之间产生电压降。该电压降使用MCU505的ADC通道来测量。使用欧姆定律，可以计算电路中的电流，如下。

I = \frac{V}{R}

其中I是电流，V是电压，并且R是电阻。

由于MCU505的ADC通道只能够测量正电压，因此添加DC偏压。在软件中使用作为MCU505的数字信号处理(DSP)功能的一部分的滤波器将DC分量移除。

对于电压测量，降压变压器(stepdowntransformer)用于将线路电压从110V-250V降到7.5V-12VAC。降压变压器的次级线圈连接到分压器(voltagedivider)网络，以将电压范围带入ADC通道的测量范围内。类似于电流测量单元，添加DC偏压，以为了测量的目的将范围保持在正值。

图6A是在所测量的(输入)电力是DC源时使用的DC测量单元530的电路图。对于测量电路具有两个部分：电流和电压测量。为输入源提供了三个端子。

对于电流测量，1Ω分流电阻器(R3)串联连接在输入源的In(Ext-1)和Out(Ext-2)端子之间。使用MCU505的差分模拟数字转换器(ADC)来测量穿过R3的电压降。ADC通道ADC0和ADC1用于测量差分电压降。通过电阻器的电流可使用欧姆定律来计算：

I = \frac{V}{R},

其中I是电流并且V是穿过分流电阻器的电压降。如果我们使用1Ω的电阻器，则R是1。

在串联电路中，通过每个部件的电流是相同的。这意味着，由输入源装置所消耗的电流与通过R3的电流相同，因为它们是串联连接。测量通过R3的电流会给出电流消耗。R3可以是线绕电阻器。线绕电阻器通过将细线卷绕到陶瓷棒上来制成。它们在测量装置的使用中是非常精确的。它们可穿过大电流，而不会在大电流电路中过热。可选择R3的低值(诸如1Ω)以最小化能量损失。

对于电压测量，大多数MCU的ADC仅能够测量小于或等于供电电压(VCC)的模拟电压，其通常是5V。在这种情况下，预期的输入源电压处于比5V更高的范围内，通常是12V或以上。分压器网络被用于克服这个问题。分压器是产生其输入电压(V_In)的一小部分的输出电压(V_out)的简单的线性电路。在这种情况下，V_out是相对于输入源电压小于5V的成比例的电压。

V_{o u t} = \frac{R 2}{R 2 + R 1} V_{I n}

V_out连接至MCU505的ADC通道ADC4。

因此，源电压V_in可以如下计算

V_{i n} = \frac{R 2 + R 1}{R 2} V_{o u t}

上面的方法是测量电流和电压的简单和高度精确的方法。然而，基于霍尔效应或其它方法的市售的集成电路可被用于电压测量的目的。无论使用何种方法，应注意，仅向MCU505的ADC端口提供小于最大耐受电压(例如5V)的电压。

关于高电流和电压测量，降压变压器可被用于读取成比例的值，而不是直接测量高能量源。

参考电压

ADC的输出使用以下公式来计算：

A D C = \frac{V_{i n} .1023}{V_{r e f}}

在差分通道的情况下，

A D C = \frac{(V_{p o s} - V_{n e g}) \cdot G A I N \cdot 512}{V_{r e f}}

从这些等式，很明显参考电压V_ref在获得精确的ADC读数上起到重要的作用。如果VCC用作V_ref，那么随着电池的电力的劣化，V_ref的值将减少，这会影响ADC读数的精确度。这可能会产生错误的结果。为了避免这个问题，MCU505被编程为使用来自MCU505的AREF引脚的V_ref。

为此目的，专用电压参考电路535被用于为MCU505中的ADC提供恒定的参考电压。虽然存在许多方法来实现这个，接口装置130的某些实施方式使用LM3940IT3、低压差3.3V固定电压调节器IC。LM3940是真正的低压差调节器，且其可保持其相比3.8V-5V之间的输入电压的3.3V的输出。因为Li-聚电池在该范围内操作，所以3.3V的恒定参考电压可被提供至MCU505。

电压参考电路535可利用LM336、2.5V参考电压调节器来改进。该单片IC参考电压操作为具有0.2W动态阻抗的低温度系数2.5V齐纳。

温度测量

温度是要测量的重要参数之一以计算可再生能源装置(诸如太阳能热水器)的碳补偿。

许多合适的温度传感器目前都有市售。最流行的温度传感器是1-配线温度传感器DS18S20和其它基于齐纳的传感器，诸如LM系列传感器(LM135)。LM135具有与绝对温度直接成比例的击穿电压。这些传感器需要校准并连接到MCU505的ADC通道以用于温度测量。它们不需要复杂的软件来实施。这些传感器的唯一缺点是：每个传感器需要专用的ADC通道。在所需传感器的数量少于3-5个的安装中，这是简单的选择。

1-配线装置只需要两根线来操作：数据和接地。很多1-配线装置可附接到形成1-配线网络的单个总线。对于可附接到总线的装置的数量，没有上限。由于所有的装置都连接到单个总线(数据)，仅需要MCU的单个端口来操作附接到总线的所有装置。对于要求超过3至5个传感器的安装，这将是优选的选择。1-配线实施的缺点是需要更复杂的软件来驱动1-配线装置。

全球移动通信系统(GSM)

所描述的接口装置130的实施方式使用GSM作为与服务器170的通信的主要模式。接口装置130可结合能够实现通用分组无线业务(GPRS)的市售的ADH8066GSM模块。具有UART(通用异步发射器/接收器)接口的任何能够实现GPRS的GSM模块可被用于该目的。

GSM模块利用可直接安装到接口装置130主PCB上的匹配的母连接器的DF12D50引脚插入连接器来预先组装。MCU505与GSM模块507之间的通信经由全双工UART。GSM模块507的TX0(14)和RX0(16)引脚分别连接到MCU505的RX和TX引脚。10K(R6)电阻器用作下拉电阻器，以在GSM模块507未通电时避免背景噪声。AT命令(Hayes命令集)可被用于驱动GSM模块507。

用于GSM模块的上电过程1100在下文中更详细地说明并在图11的流程图中示出。在该过程中使用GSM模块507的引脚ONKEY(41)。该过程涉及使用开关525(诸如晶体管)将ONKEY引脚连接至接地达规定的时间量。NPN晶体管BC639可被用于该目的。MCU505的ONKEY控制引脚PB1连接到晶体管525的基极。GSM模块507上的ONKEY引脚连接到晶体管525的集电极，而晶体管的发射极接地。由此，PB1上的高电平信号可驱动开关晶体管525并因此拉动GSM模块507上的ONKEY引脚接地以接通或断开GSM模块507。

为了激活AT命令集，在上电过程中，GSM模块507的引脚CTS0和DSR0需要在短时间段内被驱动至高电平。这可通过将这些引脚连接到MCU505的引脚PB2来实现。

在模块被上电时，GSM模块507的引脚1.8V(31)产生相对于接地的1.8V电压。GSM模块507的上电状态通过MCU505使用1.8V的引脚(引脚31)(其连接到MCU505的ADC通道ADC5)来监控。

外部无线电天线(未示出)安装在接口装置130的壳体的内部或外部。天线例如可经由U.FLRF连接器连接到GSM模块507。

可使用很多其它通信方法来在接口装置130与服务器160之间通信，诸如到计算机(其又连接到服务器160)的直接网络(TCP/IP)连接或USB连接。对于远程位置监控，可使用卫星通信模块来代替GSM模块507。由于对GSM网络的接入是广泛可用的并且覆盖范围正在迅速增长，因此为该设计选择GSM模块。

软件设计

存储器管理

与现代计算机相比，微控制器具有很小的存储器。由于这个限制，存储器管理应是设计基于复杂的微控制器的装置的重要考虑因素。

MCU505的AmtelAVR结构具有两个主要存储器空间，数据存储器和程序存储器空间。此外，某些这样的MCU具有用于数据存储的EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。所有这三个存储器空间都为线性的和常规的(regular)。

在某些实施方式中的用作MCU505的ATmega32U4微控制器包括用于程序存储的32K字节片上系统内可编程闪存。因为所有的AVR指令都是16位或32位宽，所以闪存(Flash)被组织为16K×16。为了软件安全，闪速程序存储器空间分为两个部分：引导程序部分和应用程序部分。

闪存

闪存具有至少100,000写/擦除周期的持久力。MCU505的程序计数器(PC)可以是16位宽，因此寻址32K程序存储器位置。

SRAM数据存储器

MCU505具有静态随机存取存储器(SRAM)，其提供数据剩磁同时仍然是不稳定的。ATmega32U4是具有比可在IN和OUT指令的操作代码中预留的64位置内支持的更多的外围设备单元的复杂的微控制器。对于来自SRAM中的$060-$0FF的扩展I/O空间，可只使用ST/STS/STD和LD/LDS/LDD指令。

SRAM数据存储器在图8中示意性地示出。第一2,816个数据存储器位置寻址寄存器文件、I/O存储器、扩展I/O存储器和内部数据SRAM。第一32个位置寻址寄存器文件、紧接着的64个位置寻址标准I/O存储器，然后扩展I/O存储器的160个位置和紧接着的2,560个位置寻址内部数据SRAM。

数据存储器的五个不同寻址方式包括：直接寻址、利用位移的间接寻址、间接寻址、利用预减的间接寻址和利用后增的间接寻址。在寄存器文件中，寄存器R26至R31的特征在于间接寻址指针寄存器。直接寻址到达整个数据空间。

利用位移的间接寻址模式从由Y或Z寄存器给出的基地址到达63个地址位置。当使用自动预减和后增的寄存器间接寻址模式时，地址寄存器X、Y和Z增加或减少。32个通用工作寄存器、64个I/O寄存器和ATmega32U4中的内部数据SRAM的1.25/2.5K字节都可通过所有这些寻址模式来访问。

EEPROM数据存储器

在某些实施方式中用作MCU505的ATmega32U4微控制器包括1K字节的数据EEPROM存储器。其可组成为独立的数据空间，其中可读取和写入单个字节。EEPROM具有至少100,000写/擦除周期的持久力。在下面描述EEPROM与CPU之间的访问，其指定EEPROM地址寄存器、EEPROM数据寄存器和EEPROM控制寄存器。

串行外围设备接口-SPI

串行外围设备接口(SPI)允许MCU505与其它外围设备之间的高速同步数据传输。SPI支持全双工通信。在MCU505中，SPI可被用于系统内编程。

UART/发送和接收串行数据

通用异步接收器/发送器(UART)获取数据的字节并按照顺序的发送各个位。在目的地，第二UART将位重新组装成完整字节。每个UART包含移位寄存器，这是在串行与并行形式之间转换的基本方法。通信可是“全双工”(同时发送和接收)或“半双工”(装置轮流发送和接收)。

字符成帧

每个字符作为逻辑低电平起始位、8个数据位、可选的奇偶校验位、和一个或多个逻辑高电平停止位被发送。起始位告知接收器新字符就要到来。紧接着的八位代表字符。跟随的数据位的可以是奇偶校验位。紧接着的一位或两位始终处于标记(逻辑高电平，即“1”)状态并称为停止位。它们告知接收器字符完成。由于起始位是逻辑低电平(0)并且停止位是逻辑高电平(1)，因此在前一个字符与下一个字符之间总是有清楚的划分。这在图9中示意性地示出。

编程语言

可使用低级语言(诸如C语言或汇编)对MCU505编程。也可使用两者的组合。所描述的接口装置130可使用C语言和汇编两者的组合以用于其软件实施。在时序(timing)是至关重要的时使用汇编/行间汇编。执行指令的MCU周期数可仔细地定制以满足时序要求。

主程序流程

接口装置130的控制方法的主程序流程1000由图10中的流程图示出。首先执行一系列初始化步骤1010以从断电(de-powered)状态设置接口装置，在此之后，在1020，将默认配置保存到EEPROM，并且执行监控、控制和通信循环1030以提供本文所述的接口装置130的主要监控、控制和通信功能。

系统时钟预分频器

MCU505具有系统时钟预分频器，并且系统时钟可通过设置时钟预分频器寄存器-CLKPR来划分。此特征可在处理电力的要求很低时用于降低系统时钟频率和电力消耗。作为初始化步骤1010中的其中一个，设置系统时钟预分频器。接口装置130通过将CLKPR设置为零来使用MCU505的全功率。

程序存储器效用

MCU505可具有32K字节的程序(闪速)存储器。不是所有的都被用于存储程序(软件)本身。因为SRAM和其它可用存储器的量是有限的，所以可尽可能的使用程序存储器。可从用于AVR系列微处理器的<avr/pgmspace.h>函数库中获得许多函数。该库提供用于访问存储在接口装置130的程序空间(闪存)中的数据的程序的接口。

初始化USB

微控制器505可具有可被用于编程、调试或者与PC或服务器串行通信的USB输出。所需的初始化序列作为初始化步骤1010中的其中一个被执行，以使USB准备好并可由主机系统识别。

MCU可以能够自动调节用于USB通信的波特率。所有的测试和调试以9600的波特率来执行。波特率是每秒的符号数或每秒的脉冲数。它是符号速率的单位，也被称为波特速率或调制速率。

初始化UART

MCU505的硬件UART接口作为初始化步骤1010中的其中一个与UART数据接收中断一起被初始化。MCU505的TX和RX引脚现在准备分别发送和接收数据。115200的波特速率被用于与GSM模块通信。

推导UBRR的通式是：

UBRR＝(((F_CPU/(USART_波特率*16UL)))-1)

其中，F_CPU是16MHz(16000000Hz)的频率并且USART_波特率是115200。

在接口装置130的测试中，发现当使用上述公式来计算UBRR时；与GSM的通信不稳定。为了纠正这个问题，使用如下新公式：

UBRR＝(((F_CPU)+8*(USART_波特率))/(16*(USART_波特率))-1)

在该阶段，发送和接收缓冲器也被初始化。

初始化毫秒计时器(Millistimer)

与GSM模块507通信的唯一模式是经由UART。当命令被发送至GSM模块507或当MCU505需要等待来自GSM模块507的数据时，MCU505将等待规定的时间量。一旦过去了这个时间，而没有来自GSM模块507的响应，则MCU505通过处理下一个操作来继续。这可以是恢复任务。如果规定了超时，则MCU505可在GSM命令失败的事件中永远等待。为了避免这个问题，为对GSM模块507的每个命令调用来实施超时。如果GSM模块507在超时时间段内未返回，则MCU505继续其操作。

毫秒计时器是对自MCU上电后所过去的毫秒数进行计数的计时器。这可用于实施超时功能或需要毫秒的任何计数器。计时器0(其可以是8位计时器)用于计时超时时间段。初始化功能作为初始化步骤1010中的其中一个配置该时间和所需的全局变量以保持毫秒计数器。计数器变量可以是32位整数。计数器将每隔49天重置，因为其可保持的最大值是0xFFFFFFFF(4294967295)。

初始化模拟数字转换(ADC)

模拟数字转换是将模拟信号转化为等效的数字信号的处理。DC或AC测量单元530/630的输出是模拟信号。MCU505具有多个ADC通道以读取该信息并将其转换为等效的数字信息以用于内部转换和计算。

作为初始化步骤1010中的其中一个，ADMUX和ADCSRA寄存器被用于配置ADC通道。在初始化过程中，对应ADC引脚上的数字输入缓冲器被禁用。这减少了在输入缓冲器中的电力消耗。ADMUX寄存器被配置为使用外部参考并且ADCSRA寄存器被配置为使用128的预分频器并启用ADC。

初始化全球移动通信系统(GSM)

用于GSM模块507的引脚POWRER、ONKEY和DSR-CTS的对应的MCU引脚被配置为控制GSM模块507的输出引脚。作为初始化步骤1010中的其中一个，通过将用于DSR-CTS的MCU引脚设置为高电平并将用于ONKEY的MCU引脚设置为低电平来启用默认设置。在此之后，初始化上电过程1100，如图11所示。

在成功上电后，向GSM模块507发出“AT”命令。如果由GSM模块507返回“可以”的结果，则GSM模块507准备接受进一步的命令。在该阶段，在初始化过程1010中，为SIM(用户识别模块)引脚检查EEPROM。如果是可用的，则GSM模块507使用命令“AT+CPIN“被提供SIM引脚。

初始化ADC计时器

为了计算输入源上的电力消耗，应定期地(例如每秒)测量电压和电流。为了维持由接口装置130执行的功率测量的准确性，测量的频率是精确的非常重要，为了实现此，作为初始化步骤1010中的其中一个，为ADC通道初始化专用计时器。在此使用计时器1(16位计时器)。启用输出比较中断(其将每秒触发一次)。

初始化通用计时器

定期地执行多个一般性动作。这包括响应排队的GSM请求、清理操作以及将数据发布到服务器170。作为初始化步骤1010中的其中一个，初始化计时器Timer3以在每个预设的间隔(例如这可能是每4秒)之后触发输出比较中断。

全局中断

仅在如果设置全局中断标记时才启用中断。直到此时所有的中断被配置并准备行动。一旦全程中断标记被设置为步骤1010的一部分，将启用之前配置的所有中断。这可通过调用函数sei()来完成。

闪存(flash)USB

USB可在缓冲器中包括操作系统或其它软件命令。在初始化过程1010期间，该缓冲器被清除。这将确保任何孤立的命令被清除，为新命令腾出空间。

EEPROM默认值检查

在某些实施方式中用作MCU505的ATmega32u4微控制器的特征在于1K字节(1024)的内部EEPROM。不同于MCU505内的其它存储器，写入EEPROM的数据被永久地保存，这意味着数据被保留在EEPROM存储器中，即使装置被关闭。为此，接口装置配置信息存储在EEPROM内。在初始化过程期间，在步骤1020检查EEPROM标记、配置设置标记。如果未设置标记，则默认配置值被加载到EEPROM中。如果设置标记，则忽略该步骤。

无限循环

在EEPROM标记检查之后，当由MCU505初始化主函数循环1030时，主监控、控制和通信函数启动。一旦该主函数循环1030完成执行，则函数将被终止。对于接口装置130的正常运转，这通常是不期望的，因为通常期望接口装置将一天24小时运行直到切断电源。这可通过在主函数循环1030内运行无限(无端)循环来实现。

操作状态标记

存在3个全局操作状态标记：GSMDataFlag、PostDataFlag和MaintenanceFlag。当特定活动被排队时，这些标记通过主函数循环1030的不同部分来启用。

GSMDataFlag

当GSM命令在GSM数据缓冲器中是可用的时，设置GSMDataFlag。这可以是经由SMS或GPRS从服务器170接收的命令。

PostDataFlag

通用计时器中断负责设置该标记。该标记每5分钟通过计时器中断来启用。

MaintenanceFlag

该标记也通过通用计时器中断来设置。维护活动每2分钟执行一次，因此该标记每2分钟通过通用计时器来设置。

检查和处理串行数据(功能1032)

来自串行端口(USB)的数据被用于命令处理以用于故障查找和调试目的。当数据发送就绪(DTR)在串行端口上被启用时，该处理(process)被激活。处理等待数据出现在串行缓冲器中。不执行动作直到分隔符“；”被发送到缓冲器。字符“；”是命令终止符。一旦接收到命令，控制被传递至函数processRequest()以采取进一步的动作。默认情况下的处理控制等待数据到达串行数据缓冲器中。仅在如果设置其它操作状态标记时才退出等待。串行(USB)端口可被用于与可作为装置的命令中心的PC/服务器通信。

检查和处理GSM数据(功能1034)

当数据从GSM模块507到达时，它被放置在GSM数据缓冲器(UART缓冲器)中。当发生这种情况时，设置操作状态标记GSMDataFlag。一旦设置GSMDataFlag，则处理控制移动到GSM数据处理。

在该阶段，GSMDataFlag被清除并且调用函数getATResultWithTimeout以从缓冲器中检索GSM数据。在从缓冲器中检索到数据后，控制被传递至函数processRequest()以采取进一步的行动。

数据发布处理(功能1036)

当通过通用计时器设置“PostDataFlag”的操作状态标记时，处理控制移动到该处理。这每5分钟发生一次。在该阶段，标志被清除并且调用函数postData()以进行进一步处理。

维护处理(功能1038)用于维护功能的操作状态标记“MaintenanceFlag”通过通用计时器每2分钟设置一次。当设置该标记时，处理控制移到到维护处理。

在该阶段，“MaintenanceFlag”被清除并且执行维护活动。当前唯一激活的活动是要处理未决的任何SMS请求。当接收到SMS请求时，如果接口装置130未执行任何激活的任务，则它会将其立即处理；否则它被排队以在稍后的阶段被处理。也可在该阶段处理GPRS请求。

下面提供了在主函数循环1030过程中执行的MCU505的主函数的函数定义。

主要MCU函数定义：

●uint8_tMaintenanceFlag(void)

●uint8_tPostDataFlag(void)

●uint8_tGSMDataFlag(void)

●uint8_tSerialDataFlag(void)

●voidsend_str_p(constchar*s)

●voidsend_str(constchar*s)

●uint8_trecv_str(char*buf,uint8_tsize)

●voidsaveDefaultConfigValues(void)

●uint8_tprocessRequest(char*req,uint8_torigin)

●voidpostData()

●uint8_tprocessSMSRequest(char*req)

●uint8_tprocessGSMRequestBuffer(void)

●doublegetVoltage(void)

●doublegetCurrent(void)

●doublegetGSMVoltage(void)

●doublemeasurePower(void)

●doublecalcACPowerHPF(uint16_tdivision)

MaintenanceFlag()

参数

无

返回

uint8_t:‘MaintenanceFlag’status

描述

该函数返回操作状态标记“MaintenanceFlag”的状态

PostDataFlag()

参数

无

返回

uint8_t:‘PostDataFlag’status

描述

该函数返回操作状态标记“postDataFlag”的状态和来自MaintenanceFlag()的输出的反转的逻辑与。这可确保如果维护操作正在进行中，则PostData()函数将等待它完成。

GSMDataFlag()

参数

无

返回

uint8_t:‘GSMDataFlag’status

描述

该函数返回操作状态标志‘gsm_DataFlag’的状态和来自MaintenanceFlag()的输出的反转的逻辑与以及“PostDataFlag()”的输出的反转的逻辑与。这可确保如果维护或转发数据功能正在进行中，则GSM数据操作者将等待它完成。

SerialDataFlag()

参数

无

返回

uint8_t:‘SerialDataFlag’status

描述

该函数返回USB控制柄、DTR、GSMDataFlag()的反转、PostDataFlag()的反转和MaintenanceFlag()的反转之间的逻辑与。这确保如果设置任何其它标记，则那些函数具有优先权。

send_str_p(constchar*s)

参数

Constchar*s：到程序空间中的字符阵列的指针。

返回

无效值

描述

该函数将字符阵列发送至USB串行端口。请注意，PSTR应被用于在阵列将驻留在程序空间中时将字符环绕其中以用于这个函数。

send_str(constchar*s)

参数

Constchar*s：到字符阵列的指针

返回

无效值

描述

该函数将字符阵列发送至USB串行端口。

recv_str(char*buf,uint8_tsize)

参数

constchar*s：到字符阵列缓冲器的指针

uint8_tsize：缓冲器的大小

返回

uint8_t：缓冲器中的字符数

描述

该函数从USB串行端口中接收字符阵列。这个函数将等待终止字符“；”或直到缓冲器已满。

saveDefaultConfigValues(void)

参数

无

返回

无效值

描述

该函数将默认装置配置保存到EEPROM中。

保存的值是：

EEPROM_ADDR_GSM_SIM_PIN:GSMPIN

EEPROM_GSM_APN:APN服务器名称

EEPROM_GSM_APN_USERNAME:APN服务器用户名称

EEPROM_ADDR_GSM_APN_PASSWORD:APN服务器密码

EEPROM_ADDR_GSM_DOMAIN:数据服务器域

EEPROM_ADDR_GSM_HTTP_GET:数据服务器API

EEPROM_ADDR_INITIAL_CONFIG_FLAG:设置配置保存标志

processRequest(char*req,uint8_torigin)

参数

char：请求字符串

Uint8_t：请求的来源(REQ_ORIGIN_SERIAL，REQ_ORIGIN_GSM)

返回

无效值

描述

源自串行端口(USB)540或GSM模块507的请求利用该函数来处理。解译请求命令并且采取适当行动。参数来源确定请求来源并且请求字符串包括原始请求。所有串行请求应利用限定符“CT-”开始。如果未找到该限定符，则函数返回错误并且忽略请求。所有的命令应利用终止字符“；”来终止。

串行命令：

GSM请求不需要限定符。

GSM命令：

命令	动作
		+CMT；	处理缓冲器中的SMS命令。

postData(void)

参数

无

返回

无效值

描述

电力使用数据和所收集的其它数据被存储在装置内。该函数将所收集的数据通过GPRS网络经由HTTP(或如下面描述的其它协议)发布到中央服务器170。

发布到服务器170的用于HTTP的API格式通过存储在EEPROM中的接口装置130配置来设置。所需的装置数据值在HTTP字符串内被取代并被发送到函数sendHTTPGet()以进行进一步处理。

周期性地(例如每秒)计算电力使用并将其定期地发布到服务器170。电力使用值被存储在计算接口220中的寄存器中，并且由于在接口装置130内的存储容量的限制，电力使用值一旦被发布到服务器170则被重置。为了保持测量的准确度，当该函数执行服务器发布操作时，在服务器发布操作过程中为发生的电力使用计算补偿值。这是因为向服务器170发布所计算的电力使用可能需要几秒钟，在这时候，可能会发生更多的电力使用并且可能需要被计算。为将先前数据发布到服务器170所花费的时间段而计算的电力被存储在缓冲器中，并且随后寄存器被重置到存储在缓冲器中的电力值。

processSMSRequest(char*req)

参数

char*req：到SMS请求字符阵列的指针

返回

uint8_t：如果成功，则返回零

描述

处理来自请求流中的SMS请求。

请求命令：

processGSMRequestBuffer(void)

参数

无效值

返回

uint8_t：如果成功，则返回非零

描述

如果接口装置130在此时执行其它操作，则经由GSM模块507到达的请求在GSM模块507上被缓冲。这些请求在维护操作期间被处理。所有请求被处理并且在成功完成时被清除。

getVoltage(void)

参数

无效值

返回

double：电压读数(伏特)

描述

从函数readADC()读取原始电压读数。readADC()函数返回关于在相应的通道中的成比例的电压的ADC读数。根据用于推导电压比例的方法，该函数计算以伏特(v)为单位的实际电压。

getCurrent(void)

参数

无效值

返回

Double：当前的读数(安培)

描述

MCU505中的ADC通道可相对于所提供的参考电压的测量电压。然而，当前读数通过测量穿过感知电阻(senseresistor)的电压降或通过测量穿过CT传感器的负载电阻器的电压降来得出。

从函数readADC()读取原始电流读数。根据用于测量电流的方法，该函数计算以安培为单位的实际电流。

getGSMVoltage(void)

参数

无效值

返回

double：GSM电压(伏特)

描述

此函数通过测量连接到1.8VGSM引脚的输入通道返回GSM电压。

measurePower(void)

参数

无效值

返回

double：功率(能量)(瓦特)

描述

该函数内部调用函数getVoltage()和getCurrent()以计算所测量的输入源的电力使用(即能量输出125)。该函数被周期性地(例如每秒)调用以计算瓦特/秒使用，其随后被外推到千瓦时(KWh)。

calcACPowerHPF(uint16_tdivision)

参数

uint16_tdivision：计算功率(KWh)的划分因子。如果每秒采集一次读数，则划分值将是3600。

返回

无

描述

该函数计算AC输入源的实际功率、视在功率(apparentpower)和功率因子。其被周期性地(例如，每2秒利用1800的划分因子)调用以计算KWh。通过在1500迭代循环中使用变换函数和平滑来从ADC信号中除去DC偏压。如在来自Atmel的AVR465中所描述的，高通滤波器基于DC偏压移除。

y[n]＝0.996×y[n-1]+0.996×x[n]-0.996×x[n-1]

视在功率＝I_rms*V_rms

I_{r m s} = \sqrt{\frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} I^{2} (n)}{N}}

V_{r m s} = \sqrt{\frac{Σ_{n = 0}^{N - 1} V^{2} (n)}{N}}

下面进一步详细地描述GSM模块507的函数。

GSM-函数定义

●uint8_tcheckGSMPowerOnStatus(void)

●uint8_texecuteGSMATCommand(constchar*command,uint16_ttimeout,uint8_tcheck,constchar*checkValue,char*buf)

●uint8_tgetATResultWithTimeout(char*buf,uint16_ttimeout,constchar*searchStr)

●uint8_tinitGSM(void)

●uint8_tpowerONGSM(void)

●uint8_tpowerOFFGSM(void)

●uint8_tsendHTTPGet(char*data)

●uint8_tsendSMS(char*number,char*message)

●voidsetInitialGSMParameters(void)

checkGSMPowerOnStatus(void)

参数

无效值

返回

double：如果给GSM模块上电，返回1，否则返回0

描述

该函数读取GSM模块507的1.8V引脚上的电压。如果电压大于1.8V，则函数返回1，否则返回0。使用函数getGSMVoltage()读取电压。

executeGSMATCommand(constchar*command,uint16_ttimeout,uint8_tcheck,constchar*checkValue,char*buf)

参数

constchar*command：AT命令

uint16_ttimeout：超时(毫秒)

uint8_tcheck：检查标记

cpnstchar*checkValue：检查来自响应的值

char*buf：响应缓冲器

返回

uint8_t：响应缓冲器中的字符数。

描述

该函数负责与GSM模块507的所有AT命令交换。该函数在GSM模块507未上电时终止。命令经由UART被传递至GSM模块507，并且如果检查标记被启用，则该函数将等待来自GSM模块507的响应，直到下列条件中的其中一个是真的为止：

响应流匹配校验值中的终止字符串。

发生超时，执行时间>超时。

函数getATResultWithTimeout()被调用以检索来自GSM模块507的响应。响应数据流被复制到响应缓冲器。

getATResultWithTimeout(char*buf,uint16_ttimeout,constchar*searchStr)

参数

char*buf：响应缓冲器

uint16_ttimeout：超时(毫秒)

char*searchStr：处理响应流的终止字符串。

返回

uint8_t：响应缓冲器中的字符数。

描述

一旦被调用，该函数通过检查UARTDataInReceiveBuffer()的状态不断地监控来自GSM模块507的响应。其等待直到下列条件中的一个是真的为止：响应流匹配searchStr中的终止字符串；或者发生超时，执行时间>超时。

为了提高字符串比较效率，通过UART接口从流中读取的每个字符与searchStr相比较。一旦发现匹配，则searchStr指数递增，直到存在完整的字符串匹配为止。

initGSM(void)

参数

无

返回

uint8_t：成功初始化时为非零值。

描述

GSM通信所需的MCU引脚在此被初始化。

powerONGSM(void)

参数

无

返回

uint8_t：成功初始化时为非零值。

描述

这是在图11中描绘的GSM上电序列1100：

powerOFFGSM(void)

参数

无

返回

uint8_t：成功初始化时为非零值。

描述

这是在图12中描绘的GSM断电序列1200：

sendHTTPGet(char*data)

参数

Char*data：经由HTTP发送到服务器的数据

返回

uint8_t：如果成功，则是非零值。

描述

通过访问服务器应用程序接口(API)来将数据发送到服务器170。这可通过使用HTTPGet或Post函数来完成。该函数实施Get方法。GSM模块507控制除应用层以外的TCP层的较低层。图13中所示的处理1300描绘了与HTTPGet方法一起的应用层实施。原始的HTTPGet格式被存储在EEPROM中(HTTP1.1)。处理/函数调用sendHTTPGet()负责以正确的HTTP1.1格式传递有效的数据流。

sendSMS(char*number,char*message)

参数

char*number：目的地编号

char*message：消息字符串

返回

uint8_t：如果成功，则是非零值。

描述

通过调用+CMGF、随后调用SMS命令+CMGS来将GSM模块设置为文本模式。终止字符串x001A被发送到GSM模块507以结束文本流并发送消息。该处理1400在图14的流程图中被描绘出。

在本文档中可能没有描述某些装置函数。实施本文中所描述的功能和特征所需的其它函数可由本领域普通技术人员很容易地分辨。

readADC(uint8_tADCchannel,uint8_tsampling,uint8_t*sign)

参数

uint8_tADCchannel：使用的ADC通道

uint8_tsampling：使用的采样(MIN、MAX或AVG)

uint8_t*sign：到输出读数的符号的指针

返回

uint16_t：ADC读数。

描述

多次读取和采样ADC通道超过一次一直是好主意。这增加了读数的准确度。

MCU505支持差分电压读数。当不是相对于GND(0)来测量电压而是测量为两个电压源的差值时，使用差分电压读数。当例如用于测量穿过分流电阻器的电压降时，这是特别有用的。

当在参数ADCchannel中选择ADC_CHANNEL_I时，该函数使用差分电压读数。差分ADC的输出是10位分辨率，两个的补集。如果输出是负的，则参数*sign被设置为1。当选择ADC_CHANNEL_I时，针对MCU505，结合125毫秒的延迟以初始化差分通道。采用10个采样并且由函数返回的值取决于参数采样。

ADC_SAMPLE_MIN：来自所收集的采样的最小值。

ADC_SAMPLE_MAX：来自所收集的采样的最大值。

ADC_SAMPLE_AVG：来自所收集的采样的平均值。

对于被设计为另外的传感器或其它输入的接口装置130(诸如关于图15至图32中所描述的那些)的某些实施方式，可使用扩展的命令集，包括以下：

COMMAND:CT-VER；返回接口装置130的版本号。

COMMAND:CT-GON；接通GSM模块。

COMMAND:CT-GOF；断开GSM模块。

COMMAND:CT-AT<commandtext>；向GSM模块507发送AT指令。<commandtext>是在命令中。例如，CT-AT+CGSN<CR>将返回GSM模块507的IMIE。

COMMAND:CT-SMS<number>，<message>；经由GSM模块507发送SMS。<number>是接收人的电话号码，<message>是SMS消息。

COMMAND:CT-ERMR<address>，<length>；从EEPROM中读取数据。<address>是EEPROM地址，<length>是要读取的数据的大小(不应超过128)。

COMMAND:CT-ERM<address>，<data>；写数据到EEPROM中。<address>是EEPROM地址，<DATA>是被写入EEPROM中的数据。

应注意在写入EEPROM时，数据不能超过数据参数长度

通过将堆分隔(piledelimitated)(|)字符串写到EEPROM_ADDR_SENSORS地址来设置传感器配置。参数出现在字符串中的顺序对应于由接口装置130供应的传感器。这些示于下表。

COMMAND:CT-ERMDEFA；恢复默认值到EEPROM。

COMMAND:CT-IME；获取GSMIMEI编号。

COMMAND:CT-SV1；启动用于功率测量的服务读数。

COMMAND:CT-SV0；停止服务读数。

COMMAND:CT-POS；运行HTTP发布操作。这将PowerWH的电流累计值发布到服务器170。

COMMAND:CT-MAN；运行维护周期。SMS缓冲器中的信息被处理和清理。

COMMAND:CT-RON；给继电器上电。

COMMAND:CT-ROF；给继电器断电。

COMMAND:CT-LDF；加载默认标记。

COMMAND:CT-RES；重置值。

COMMAND:CT-<Other>；向GSM模块507发送定制消息。

SMSCommandSET-下面的命令集可经由SMS激活：

COMMAND:+STATUS:

响应回电力的当前状态、温度、流量和继电器状态(如果启用传感器)。

COMMAND:+CMD:<CTCOMMAND>

任何CT命令可使用该命令经由SMS从服务器170发送到接口装置130。

COMMAND:+RON:

打开继电器。

COMMAND:+ROF:

关闭继电器。

现在参照图15，提供了上述太阳能热水加热装置的更详细描述。图15是使用与太阳能热水系统1520和使用标准电阻加热元件的隔热热水箱1555(助推单元)结合的接口装置130的系统1500的框图。太阳能热水系统1520具有温度传感器(热电偶TC1)1522，温度传感器1522被布置为感测其出口处的水温并将指示所感测的温度的信号提供回接口装置130。隔热箱1555具有温度传感器(热电偶TC2)1524，温度传感器1524被布置为感测水箱(可选地在到热水供应管的出口附近)中的水温并将指示所感测的温度的信号提供回接口装置130。

接口装置130被配置为将合适的控制信号提供至水泵1525以启动或停止将水从水箱1555提供到太阳能热水系统1520。此外，接口装置130被配置为将合适的控制信号提供至电磁阀1556以关闭或打开将水从冷水供应源1558到水箱1555的提供。还可放置泄漏检测传感器1557以检测水从水箱1555的泄露并被布置为将指示存在来自水箱1555的漏水的输出信号提供至接口装置130。当来自传感器1557的信号指示检测到泄漏时，接口装置可产生适当的故障消息并将该消息发送至服务器170以用于随后通知系统1500的所有者。此外，接口装置130可关闭冷水供应源1558和/或泵1525，直到适当的维护能够执行。接口装置130还从热水供应管路中的流量计1526接收指示该管路中的流速的信号。

在根据某些实施方式的系统1500的正常操作过程中，接口装置130可监控水箱1555和太阳能热水系统1520中的水温，同时监控到热水器水箱1555的主电源(mainspower)1530的提供(经由以电流变压器形式的电流传感器1528)和热水供应管道中的水的流速。当在接口装置130的EEPROM中的软件程序确定水箱1555中的电阻加热元件应该被关闭时，例如以控制系统1500中的水温，接口装置将信号发送至继电器1532以关闭至热水器1555的主电源。接口装置130可使用电流传感器1528(和类似的电压传感器，未示出)来确定由传统热水器1555所使用的电力并且还使用来自传感器1522、1524的所感测的温度数据和来自流量计1526的所感测的水流动速率数据来计算由系统1500所使用的能源的量。

除了将电力使用数据发布到服务器170之外，接口装置130可将感测的温度数据定期地(可选地以类似于电力使用发布消息的固定间隔)上传到服务器170。其它传感器输出也可通过接口装置130发送到服务器170。

接口装置130还可用于监控和控制使用电力的其它附近的非必要装置1570。这样的装置1570可包括水池泵(poolpump)(例如，其通常开着)。接口装置130可使用低功率的机器对机器通信协议与这样的装置1570本地通信或可通过切换在装置1570的电力供应线路中的继电器来控制到这样的装置1570的主电源的提供。因此，每个接口装置130都可用作(从属)家庭能源消耗装置的本地主控制器并且可选择地关闭这些装置以节省能源。

此外，由于接口装置130可从服务器170接收命令并且可将控制信号提供至系统1500的一个或多个本地设备部件，因此接口装置130能够对这种本地设备施加远程控制，例如通过太阳能热水系统的所有者或可能通过电力公用事业公司。

在系统1500的某些实施方式中，接口装置130可经由与网络160有线通信的本地无线集线器132与服务器170通信。不管是否使用这种通信路径，接口装置130可使用紧凑(compact)通信协议(在下面进一步详细地描述为最小数据传输(MDT)协议)与服务器170通信。

还参照图16、图17和图18，进一步详细描述用于远程监控和/或控制多个地理上分布的接口装置130的系统1500的使用。尽管在图15中仅示出了单个客户端装置165，但是系统1500包括通过网络160彼此通信的服务器系统170和多个客户端计算装置165。网络160包括合适的移动无线基础设施并且也可包括局域网络、内部网和/或因特网。系统1500进一步包括数据存储器180，数据存储器180可被服务器系统170访问以存储与服务器系统170和接口装置130的操作以及为客户端计算装置165提供服务相关的数据。

客户端计算装置165可包括具有至少一个处理器167、一种或多种形式的存储器168、操作系统和包括可由用户操作的浏览器应用169的用户接口的桌上型个人计算机或者移动或手持计算装置。存储器168可包括易失性(例如RAM)和非易失性(例如，硬盘驱动器、固态驱动器、闪存和/或光盘)存储器。用户接口可包括显示器和至少一个输入装置，诸如触摸屏、键盘、鼠标、手写笔，或可用于向客户端计算装置165提供用户输入的其它外围设备。

多个软件应用程序或小程序可被执行或可由至少一个处理器167执行以执行每个客户端计算装置165的各个与装置相关的功能。这种应用程序可被存储在计算装置165的非易失性存储器168中。至少一个这种软件应用程序包括浏览器应用程序169以使用户能够导航至通过网络160可访问的站点(包括服务器170的IP地址)以从其接收内容。其它客户端软件应用程序可使用本机操作系统在客户端装置165上执行。某些客户端装置165可由作为所有者、帐户持有者或所安装的接口装置130中的其中一个的受益者的用户访问，而其他客户端装置165可通过企业服务器系统1630由组织的授权用户访问。组织可以是能源分配(energydistribution)公司，例如，诸如电力供应商。该组织内的用户可具有对从由组织服务的地理区域中的接口装置130或那些接口装置130的子组接收的所有信息的访问权。

在图15、图16、图17和图18中所示的系统1500的实例中，客户端浏览器应用程序169可被用于以作为可由浏览器应用程序169执行的程序代码而提供的一个或多个网页的形式与服务器系统170通信以从其请求内容。根据某些实施方式，服务器系统170被配置为服务代码以为观看由浏览器应用程序169产生的计算机化的显示的用户提供接口装置130的远程访问接口。因此，服务器系统170可被认为用作接口装置130的远程访问系统或用作这种系统的主机。在下面进一步详细地描述图19至图21，并且图19至图21示出了根据从服务器系统170接收的代码的可由浏览器应用程序169显示的网页的示例性显示。服务程序系统170包括至少一个处理装置，并且可包括多个处理装置或者多个虚拟或物理服务器或者协作和/或并行操作的服务器系统。组成服务器系统170的处理装置、服务器和服务器系统可以地理上接近或远离。

图16是示出某些进一步的背景(contextual，上下文)细节的系统1500的示意性表示。如图16所示，在接口装置130安装在用户的家中的背景下，至少一个客户端装置165可以是用户的移动或桌上型计算装置。此外，一个或多个客户端装置165可以是例如企业内部或由企业(诸如电力供应公司)提供的桌上型或移动计算装置，并且客户端装置165可由经授权的管理员用户访问。两种这样的客户端装置165都可被用于从接口装置130访问测量并远程地控制接口装置130被配置为控制其的某些其它设备。

如图16所示，系统1500示出了所安装的接口装置130可被安装为提供各种控制功能1620和监控功能1610。这样的控制功能可包括控制循环泵1525、切换至助推单元(热水器)155/1555的电力、主动地控制到热水系统的新鲜水的供应(例如，通过电磁阀1556)以及可选地还控制本地从属电动装置，诸如水池泵。如在上面关于图15所描述的，监控功能包括功率、温度和流量的测量。

在图18中更详细地示出了服务器系统170。服务器系统170包括至少一个处理装置172，并且可包括协作地和/并行地操作的多个处理装置或多个虚拟或物理服务器以与数据库180结合来操作网络服务器功能1820(例如，使用超文本传输协议后台程序(HTTP))、数据处理功能和数据存储和检索功能(例如使用结构化的查询语言(SQL)支持)。服务器系统170还可包括脚本语言支持，诸如Microsoft^TMASP、ASP.NET、Java/J2EE或PHP。服务器系统170可包括或具有对与数据库180分离的适当的非易失性数据存储器174的访问权以存储可执行的程序代码以使服务器系统170能够执行其功能(包括本文所述的那些功能)。这种程序代码包括由合适的应用架构支持的操作系统(未示出)、用户接口1810、网络服务1820、信用计算模块1830和远程装置接口1840。

用户接口1810负责为客户端装置165提供用户接口功能以允许那些客户端装置165的用户访问(如果授权的话)关于一个或多个所选择的接口装置130的信息。远程装置接口1840用作将命令发送到接口装置130和从接口装置130接收数据的接口。通过远程装置接口1840从接口装置接收130的数据被存储在数据存储器180中，从而更新相应接口装置130的相关数据记录。用户发起的命令(诸如打开或关闭助推单元155或热水器1555或者打开或关闭另一个本地从属装置1570的命令)从用户接口1810被传递到远程装置接口1840以产生适当的命令并将其发送到一个或多个接口装置130。信用计算模块1830用于计算由使用每个能量转换系统120所产生的碳信用额度，以收集可再生能源(如通过其相关联的接口装置130所测量的)并从而减少主电力供应源的能量消耗。这种碳信用额度可被跟踪并保持在系统100或系统1500的所有者的账户上。

数据库180可包括存储各个用户帐户、接口装置130的数据记录、历史使用数据、所计算的碳信用额度度等的本地化或分布式数据库。

通过能源分配公司对多个接口装置的控制被描绘在图17中，其中服务器170用作控制中心，通过该控制中心，能源分配公司中的管理用户使用客户端计算装置165和/或服务器系统1630来从接口装置130查看实时的(或接近实时的)电力使用数据并向接口装置130发送控制消息。

能源分配公司中的用户可使用浏览器应用程序169访问控制仪表板(用户接口)，并使用控制仪表板的搜索和/或选择功能选择在特定地理区域中的多个接口装置130。用户可查看在该区域中的热水系统155/1555(接口装置130耦接到其)的总能量使用或查看每个单独的系统155/1555的使用。如果授权用户选择，用户可将用户输入提供到客户端装置165上的控制仪表板以选择性地接通或断开至热水系统155/1555的电力。可替代地，可在一天的某些时间(诸如能量需求高峰时间段)自动地进行切换。客户端装置165上的用户输入使合适的消息被发送到服务器170，服务器170响应地产生适当的命令并将其发送到被布置为切断至热水器155/1555的电力(例如，通过向继电器1530发信号)的接口装置130。可替代地，至接口装置130的切换命令可响应于服务器170上的基于时间的切换算法的自动执行而产生。该切换选择可同时在一个或多个地理区域中的热水器155/1555上执行或更加选择性地在这种地理区域中的这种热水器的子组上执行。该切换可被期望为强制执行能量使用策略，例如为了避免在高峰期间不适当的负载被放置在能量供应网络上。

接口装置130的某些实施方式可采用替代HTTP的传输协议来将数据发布到服务器170并从其接收命令。例如，某些实施方式可采用通过互联网协议组(诸如TCP/IP(传输控制协议/互联网协议))的定制和简易(condensed)最小数据传输(MDT)协议。

所描述的MDT协议被设计为减少通过GPRS网络或另一网络传输的数据量，而不会影响包括验证和安全性的功能参数。MDT协议实施的关键标准是最小化接口装置130与中央服务器170之间的通信的大小和频率。更高级别的协议(诸如HTTP)包括增加数据流大小的协议附属品(decoration)。此外，HTTP是无状态协议，这意味着每次在发送任何数据流时应重新建立连接。在某些GPRS网络上，供应商收取连接费。在这种情况下，尽可能长地保持连接是成本有效的。

MDT协议是TCP/IP之上的层并且每个消息具有以下简化的协议格式：

[<单字节报头>|<数据>|<验证码>]

单字节(或字)报头：

0X01：添加/更新数据到服务器170

0X02：从服务器170请求数据

数据：十六进制数据的一个或多个字节

验证码(可选的)：这可以是消息字符串中的所有其它字节的单个字节XOR所产生的校验和(或其它形式的校验和)。

在接口装置130与服务器170之间发送的每个消息利用单个字节的ack消息来确认。由消息携带的数据没有大小限制并且长度可以是很多字节。MDT的目的是最小化利用每个消息传输的多余位。

MDT协议的服务器端实施执行大部分的处理功能。由服务器170执行的层在图18中示出并描述如下：

状态机：作为远程装置接口1840的一部分来执行的状态机1842建立并保持与每个接口装置130的数据连接。系统1600中的每个接口装置130的状态特定数据被保持在服务器170的缓存中一段时间(例如高达24小时)。在服务器170与相应接口装置130之间连接失败的情况下，则在成功地重新连接后，从服务器缓存中检索所存储的该接口装置130的状态数据。这减少了对从接口装置130获取状态信息的需要。状态有效性可通过服务器170将一个字节的状态检查命令(0x01)发送到接口装置130来检查。接口装置130反过来利用基于所产生的CRC(循环冗余校验)码(其与存储在服务器170可访问的数据存储器180中的对应码相匹配)的单字节异或(XOR)来响应。

在远程接口装置130具有分配给它们的静态IP地址的情况下，状态机1842接管通信处理。

发送验证：数据有效性由远程装置接口1840的发送验证部件1844来检查以在行进到下一层之前确保数据的质量。如果从接口装置130接收的CRC码无法匹配服务器侧码，则在该层中操纵对远程装置的重新尝试请求。可通过单个命令(0X02)来操纵重新发送最后的发布的请求。

规则检查：定制规则/处理可在成功验证后由规则检查部件1846应用于数据。该层的主要用途是能够加密或编码数据流。未能遵守这些规则将导致具有单字节响应(0x03)的拒绝消息。

控制移交：在经由上述层成功传递后，控制移交部件1848将控制移交到远程装置接口应用1840以进行进一步处理。控制移交层也负责从远程装置接口应用层接收数据。

图19是由通过客户端装置165执行的浏览器应用169产生的用户接口显示的示例性屏幕截图。显示1900包括一系列可选择的选项1910，用户可选择某个选项以查看特定显示。这些可选的选项1910包括跟踪(tracking)显示选项1912、控制面板(controlpanel)显示选项1914和帐户(account)显示选项1916。显示1900是在选择跟踪显示选项1912时产生的显示，并包括基于从特定接口装置130接收的发布数据所产生的一系列数据窗口1920。

为例如作为系统100或1500的一部分被安装为测量能量产生和/或消耗的特定接口装置130产生图19、图20和图21中所示的用户接口显示。为了查看用户接口显示，用户必须作为由服务器170识别的授权用户登录。

显示1900中的数据窗口1920包括指示自从前一个日期以后的电力使用(千瓦时)的累计电力使用窗口1922、指示仅在最后一天左右中的电力使用的最近电力使用窗口1924，其中接口装置130被配置为接收所感测的热水系统的温度信息，窗口1920还包括指示所感测的水温的当前温度窗口1926。

显示1900还包括图形显示部分1930，图形显示部分1930可包括历史电力使用(窗口1934)和可选的历史水箱温度(窗口1936)的一个或多个图形。可选地，图形显示部分1930还可显示能源节省和/或碳信用额度的历史累积，尽管这没有在显示1900中示出。

图20是在选择控制面板选项1914时经由浏览器应用程序169为用户显示的显示2000的示例性屏幕截图。显示2000包括多个用户可选控制，其例如可包括水箱电力控制2010、循环泵控制2020和供水控制2030。控制可分别指示所讨论的设备的当前状态。例如，如图20所示，控制2010指示对助推单元/电热水器155/1555的电力的开启状态。每个控制2010、2020年和2030还分别包括可选的开关选项2014、2024和2034以关闭(如果其状态为开(on))或打开(如果其状态是关(off))相关设备。开关选项2014、2024和2034的其中一个的选择将被作为由浏览器应用程序169作出的用户选择通过网络160发送至服务器170，响应于此，服务器170产生适当的命令并将其发送至被授权由用户观看显示2000控制的接口装置130。接口装置130然后相应地产生适当的信号并将其发送至本地设备。

图21是在选择用户帐户选项1916时产生的用户接口显示2100的又一示例性屏幕截图。该显示2100可包括各种用户帐户信息并允许一定程度的用户配置。特别地，显示2100可包括允许用户下载指定日期范围的历史电力使用、温度、能源接收和/或累计的碳信用额度数据的下载窗口2110。

影响太阳能光热系统的效率的参数之一是循环泵。循环泵负责通过收集系统从储存水箱泵送冷水。系统1500中的接口装置130采用两个温度传感器1522、1524(一个在太阳能热水系统1520(TC1)中并且另一个在储存水箱1555(TC2)中)以精确地地控制循环泵。接口装置130可被配置为基于TC1与TC2之间的第一温度差打开泵1525并类似地基于TC1与TC2之间的第二温度差关闭泵。例如，泵1525可在接口装置130确定温度差达到或高于7度(C)时通过接口装置130打开并且在温度差小于2摄氏度时关闭。

太阳能热水系统1520的收集系统在极端寒冷条件下可能会出现故障。冰霜可能进入收集系统内，如果热水通过管道循环，则太阳能热水系统1520可能会由于玻璃开裂而出现故障。为了防止这种情况，接口装置130可采用防冻保护机制：当由TC1感测的温度下降低于设定温度(诸如5摄氏度)时，操作泵1525将水从储存箱1555泵送到收集系统1520，从而防止(或至少缓解)在收集系统的内部的结霜或结冰。

助推单元155或电热水器元件1555通过来自电力供应电网150的电力来供电。这只能在如果和当所接收的太阳能不足以在特定时间段内将水加热到所需温度的时候才使用。当今市售的大部分系统都具有使用放置在水箱内部的温控器(thermostat)来切换的助推单元。这种系统不考虑所采用的太阳能转换系统120的效率。在这样的系统中，如果水箱中的温度降落到特定值以下时，温控器打开助推单元155。所描述的根据某些实施方式的接口装置130采用通过持续监控从太阳能热系统的转换的智能切换解决方案。

参照图22，示出了温度随时间变化的曲线图以示出如下所述的情况。水箱的温度每分钟(或另一预设时间间隔)测量一次。在2个连续读数之间计算热量的变化率。该数据被用于预测和计算将水箱加热至设定温度所需的时间。如果预测的时间大于允许的时间或者如果该时间段可跨越峰值负载断开周期，则打开助推器155以进行补偿。该过程被周期性(例如每分钟)重复。该方法可确保来自太阳能转换系统120的能量的有效利用并且仅在需要满足温度设定点达特定时段的情况下使用电网电力。

参照图23，示出了温度随时间变化的曲线图以示出如下所述的情况。在采用温控器(thermostat)来保持水箱温度的传统系统中，温控器将断开至加热元件的电力。系统可包括在太阳能热系统中的收集器与水箱之间循环水的泵或在电网供电的加热系统中的水箱内的备用/主加热线圈。在这种情况下，水箱中的水温将继续上升超出被称为过冲(overshot)的设定点。过冲的最大值取决于许多因素，主要是温控器与加热元件之间的距离、周围温度、水箱损耗和水箱容量。过冲不是期望的并且可将系统置于压力下。它也浪费能源。根据某些实施方式的接口装置130采用规范化的切换解决方案来克服这种情况。接口装置130中的连续监控功能记录过冲(O1)并将断开点偏移到低于设定温度的值。作为迭代过程(O2)这样做，接口装置130能够计算其中水箱温度被维持为尽可能接近设定温度的理想断开点。这是其中由接口装置130每个循环重新计算断开点的自校准系统。

现在参照图24至图34，示出了根据某些实施方式的接口装置130的电路部件的实例示意性电路图。配置这些部件的电路以与被配置为安装为系统1500的一部分的接口装置130一起使用。在图24至图34中示出的接口装置130的电路部件通常按与有关图5至图14的上述接口装置130的电路功能类似方式执行，除了在图24至图34中示出的电路部件具有添加的电路以适应图15至图23的上下文中示出和描述的接口装置130的实施方式的额外的监控和控制功能。

图24是功能上类似于上述MCU505的微控制器(MCU)2405的示意性电路图。MCU2405可使用上述扩展命令集并且可被配置为如上所述的响应从服务器170接收的基于SMS的控制命令。图24还示出了三伏精密电压参考电路2435以为MCU2405提供精确的参考电压。此外，MCU2405可提供红色和绿色状态并对发光(或不发光)的LED2437供电以指示接口装置130的适当状态。

图25是GSM模块2407和GSM通信监控头部块(header-block)2409的示意性电路图。GSM模块2407执行与上述GSM模块507类似的功能并经由合适的天线电缆和底托(mount)耦接到四频(quad-band)GSM天线。

图26是电池管理模块2415和电池2417的示意性电路图。图27是稳压DC电源的示意性电路图，该稳压DC电源基于电源的电池2417或外部电源用作接口装置130的内部部件的电源。图28是用于温度传感器TC1和TC2的温度传感器连接块和输入电路2800的示意性电路图。图29是用于三个电流传感器的连接器块和输入电路2900的示意性电路图。图30是向MCU2405提供进一步的精密参考电压的1.5伏精密公共参考电压电路2437的示意性电路图。

图31是允许MCU2405与继电器1532、泵1525和电磁阀1556以及作为泄漏检测器1557的可选水位传感器接口的电路3100和连接器块的示意性电路图。图32是使微控制器2405能够与流量计1526接口的连接块和输入电路3200的示意性电路图。图33是串行监控端口的示意性电路图，该串行监控端口用作与MCU2405的串行接口，从而外部装置能够耦接到接口装置130以用于监控和测试的目的。图34是防止电气尖峰或静电放电的电路3400的示意性电路图。

所描述的系统、方法和接口装置不仅减小了对电力供应电网的电能的依赖，而且还允许计算由于使用可再生能量转换系统而产生的碳信用额度。由服务器170(在数据存储器180中)存储的关于每个接口装置130的信息(包括其GPS坐标、定期接收的所计算的能量(和可选的温度数据)和其它数据(诸如下面描述的)允许服务器170通过使用这种系统100或1500计算所产生的碳信用额度。产生的这些碳信用额度可由安装系统100或1500的户主或者系统100或1500的另一所有人或赞助人兑换为货币值。太阳能热水系统的碳信用额度度的资格(eligibility)和量化(也称为可再生能源信用额度(REC))基于认为它们在热水中以kWh/天的能量而言产生了多少的能量。所认为的关于系统的有效保证工作寿命的性能一般由以下方面驱动：

a.根据认可的热性能测试程序，通过认可的测试设施所测量的Q因子。Q是系统的太阳能到电能的转换效率(kWh/每天)的测量值。系统质量因子Q通过测试(通过安装系统100或1500的特定国家的标准局)被确定为指定系统的太阳能转换为热能的效率的测量值，在主要能量被认为是在通常的一天中由系统产生的情况下，其是有效的。

b.为确保兼容性(compliance)和功能性的安装质量的委托认证检查。这由安装小组一次执行并包括在委托时与系统的GPS坐标一起的单个图像的提供。

c.公共设施中的每个系统的操作状态由单个检查整数(1-真和0-假)表示，其以每天间隔的时期记录并在所讨论的记录月底的7天内按月被传送至特定电子邮件或IP地址上的发出机构。

d.公共设施内的每个太阳能热水系统的安装有效收集器面积(平方米)。

e.安装位置的太阳辐射。

f.系统100或1500的商定的(和合理的)工作寿命的确认。

系统品质因子Q通过由认可的标准机构进行的测试确定为指定的再生能量收集系统的效率的测量值，以补偿正常主电源的电能的使用。标准机构可确定由该机构测试的每个系统的Q因子。该Q因子将指示由可再生能源收集系统在通常的一天所节省的kWh(能量)。

实验试验的结果指示由支持电加热系统的太阳能热水器的以下每日电力消耗：

3.3kWh-对于具有对电加热系统的可控馈电的太阳能热水器

4.6kWh-对于没有定时控制的太阳能热水器

10.3kWh-对于比较电热水器(没有太阳能热水器)

能量节约可提高约30％，其中供应至太阳能热水器系统中的电气助推单元的电力是可控的。在完全控制模式下的这种热水系统的远程电子控制提供了占据太阳能热水系统的较大部分的巨大电能节省。

考虑到这些结果，很容易估计通过从传统的电热水器切换到太阳能热水器超过给定的时间段，能源供应公共设施的平均每日消耗节省可以是巨大的。在提供适当的认证(这可基于由服务器170所接收和存储的数据的审核和接口装置130的测试获得)后，可再生能源信用额(REC)可定期(诸如按季度)发布。

某些实施方式涉及一种系统，该系统允许用户/消费者电力使用/消耗或电器使用的自适应学习以便有效监控和控制这样的设备的电力的开关。这样的系统在图35中的框图中示意性显示为电力使用监控和控制系统3500。系统3500可以包括系统1500的全部特征。

电力使用和控制系统3500与系统1500的相同之处在于，它包括接口装置130和可选地经由本地无线集线器132通过网络160通信的服务器170。然而，系统3500还具有一个或者多个控制单元3530，安装在与接口装置130相同的本地家庭区域中并且响应于来自接口装置130有线或无线命令来控制从主电源3605(图36)至一个或多个电器3540的电力的开关。另外，系统3500可以包括：智能电力计量装置3550，其测量与接口装置130无关的总家庭电力消耗并且配备有局部无线通信功能，诸如启用Zigbee的无线连接以允许接口装置130确定在给定时间的可适用的能源费率并检查测量的总家庭电力消耗电力消耗。

图36更详细地示出控制单元3530。每个控制单元3530与缩减(减少功能)版本的接口装置130相似，没有任何GPRS能力，没有备用电源(即没有电池，因为其可以汲取来自主电源3605的电力)并且没有太多数据存储容量。控制单元3530仅具有足够的存储器来存储代码以允许其执行本文中描述的感测、开关和通信功能。

每个控制单元3530具有处理器3610、通信模块3612、继电器(或者其他开关装置)3614、优选地电流传感器3616(例如以电流变压器的形式)以及可选地温度传感器3618。控制单元3530被配置为响应于经由通信模块3612从接口装置130接收的控制命令激活继电器以将至电器3540的主电源接通或断开。

另外，系统3500具有由服务器170承载的自适应学习功能并且应用于电器3540的控制。这个功能由服务器侧用户接口特征提供，服务器侧用户接口特征通过控制接口(图35)通过网络160对授权用户(诸如客户端装置165)是可用的。控制接口可以由客户端装置165上的浏览器应用程序169与服务器侧用户接口特征的组合提供。控制接口使接口装置130硬件和服务器170软件能够协作以允许用户基于用户的目标和喜好相对于电力消耗和生活方式改变家用电器的配置和运转状态。

通过使用接口装置130聚集电力使用数据以及其他监控数据或条件并且经由服务器170将其存储在数据存储器180中，系统3500从相关的用户的电力和电器使用以及运转状态学习并且生成个人资料。接口装置130被配置为测量一段时间的输入和输出并且然后控制、切换以及优化家庭内的电力的节约和/或利用。与服务器170结合的接口装置130提供学习用户的运转状并且然后打开或关闭属于接口装置的电器3540，这是系统3500的有利的特征。

为了提供所描述的配置和控制功能，服务器170包括自适应学习模块，该自适应学习模块具有用于授权用户的用户接口扩展，使得这样的用户可以设置环境和/或经济目标，诸如设置在用户的家庭内的支出的财务预算。通过安装多个控制单元3530(并且接口装置130经由控制接口通过接口装置130或通过用户自动地发起的合适的装置发现过程在逻辑上发现它们)，每个控制单元介于主电源3605和电器的输入电力电缆或端口之间，授权用户可以配置家庭的区域以内的空间和装置，诸如空调、加热或洗涤和洗衣。然后用户可以使用控制接口设置那些各个区域和装置中的每个的电力消耗和支出的预算。

系统3500然后可以主动管理电力消耗并且关闭至特定区域的电力。例如，系统3500可被配置为仅在由系统确定的时段以内允许某些电器的操作以符合于低费率(非高峰)能源价格时段。在另一个实例中，系统可以被配置为当其他电器打开或关闭时(但在合适的时间滞后之后)关掉某些电器，诸如当在晚上房子里的灯关闭并且空调装置保持打开时。系统3500也可以被配置为选择最大能源有效率的并且成本有效的方式执行用户的任务。例如，系统3500可被配置为使用晚上非高峰时间运行能量消耗处理，诸如运行洗衣机、洗碗机或干衣机。

在另一个实例中，系统3500可被配置为从可用的资源选择用于电器的合适能源。例如，在电池支持的太阳能系统是可用的环境中，系统3500可以当费率最低时选择利用来自电网或主电源3605的能源运行电器并且对电池充电并且当费率超过临界值时可以选择使用来自蓄电池的能源。在一个实施方式中，如果电池的存储容量是满的，则能源可以转换回到电网或者可以用来运行非必需的电器和/或运行加热器或冷却器以基于用户偏爱和使用模式预热/预冷却环境。例如，系统3500可被配置为直接地或者间接地与能量计和/或太阳能系统通信或连接并且可以采用与给定环境中的使用模式有关的历史学习数据来确定合适的动作。

现在参考图37至图40，描述接口装置130的示例性控制方法论。由接口装置130执行的主程序循环3700首先是参照图37描述的。使用与服务器170交互的控制接口，自适应控制可以由授权用户对逻辑上(相通地)连接至接口装置130的任何电器3540设置。一旦用户在3710将电器配置为由接口装置130控制(通过在电器的主电源处安装控制单元3530并且使或允许控制单元由接口装置130发现)，则在3720由接口装置130执行的程序主循环3700检查在接口装置130的存储器中是否设置了任何自适应控制标记。如果是，则一个或多个自动控制功能根据接口装置130中设置的自适应控制标记的类型从主循环3700调用。

每个连接的电器3540可以设置为由一个或多个种类的自适应学习自动地控制。控制种类的实例可以包括公用设施控制(例如，对于实体电器，诸如洗涤器、烘干机、热水器泵等)、温度控制(对于加热器和/或冷却器)、能量节约控制和(用户可配置的)自定义控制。

在3730，接口装置130对于每个连接的电器循环步骤3740、3750、3760和3770并且检查针对每个这样的电器的接口装置130中存储的控制种类并且然后执行每个可适用的控制功能。在3740，接口装置确定是否已设置公用设施控制并且，如果是这样的话，执行控制过程3800(图38)。在3750，接口装置确定是否已设置温度控制并且，如果是这样的话，执行控制过程3900(图39)。在3760，接口装置确定是否已设置能量节约控制，如果是这样的话，执行控制过程4000(图40)。在3770，接口装置确定是否已设置自定义控制，如果是这样的话，执行预配置和存储的控制过程。

为了使接口装置130基于在一段时间内进行的并且发送至服务器170以用于记录的测量执行(自适应)控制，历史数据从服务器170提供回到接口装置130并且在接口装置130上缓存在合适的存储器中。在该背景下，“历史数据”可以包括随着时间的过去与利用服务器170记录的数据有关的值的序列和/或其可包括从这种记录数据推导或者计算的一个或多个值。这种推导的或者计算的值可以包括例如平均值、标准偏差值和/或相对于设定点(诸如温度设定点)计算的标准偏差值。在接口装置130处执行历史数据的缓存以避免在(计算上相对弱的)接口装置130处存储那些数据并且减少网络通信量和改善执行效率。

从服务器170下载的任何历史数据具有为其指定的有效时段(activeperiod)，使得在其有效时段以外的数据被认为是不足以当前使用的并且被丢弃或忽视。对于每个控制种类，接口装置130检查历史数据是否有效。换言之，当从服务器170下载数据时接口装置130处缓存的历史数据具有保存期限设置(shelflifeset)。如果当控制种类在3800、3900或4000调用时该保存期限(有效时段)终止，则从服务器170请求更新的历史数据。

同样参考图38，描述公用设施控制过程3800。可以在这个过程中控制诸如水池泵、洗衣机和烘干机的公用设施。如果在3810该过程被确定为是激活的，则接口装置130在3820检查历史数据是否是有效并且如果不是，则在3830从服务器170请求更新的历史数据。在3840，接口装置130检查当前时段是否应用最低能源费率。如果是，并且在3860边界时间被确定为足够允许电器的期望操作(例如，1小时完成洗涤周期)，则相应继电器3614在3870接通，从而给连接的电器3540供电。否则，继电器3614在3850由从接口装置130至处理器3610的信号关闭，其提供合适的控制信号至继电器3614。终端用户可以设置边界参数，诸如小时数等。

同样参考图39，描述温度控制过程3900。可以在这个过程中控制诸如热水器1555、冷却器和空调的公用设施。如果这个过程在3910被确定为激活的，则接口装置在3920检查历史数据(其可以是或者包括基于特定温度控制装置的温度设定点计算的标准偏差值)是否有效并且如果不是，则在3830从服务器170请求更新的历史和/或标准偏差数据。接口装置130在3940检查当前温度是否大于或等于设定温度从设定温度减去(-)标准偏差，假设电器是加热装置。不然，测试是当前温度是否小于或等于设定温度加上标准偏差值。如果是，在3950相应继电器3614通过从接口装置130至处理器3610的信号断开，处理器3610提供合适的控制信号至继电器3614以断开至电器的电力。

过程3900中使用的标准偏差是在服务器170上计算并且当先前缓存的标准偏差和/或历史数据到期时被下载并缓存在接口装置130上。在一些实施方式中，标准偏差的预定的或者预配置的比例(例如，1.1或者0.8)可被设置为步骤3940的阈值。代替设置的阈值或者百分比量使用标准偏差有利地允许周围温度的季节变化。标准偏差计算如下：

S = \sqrt{\frac{Σ {(x - T)}^{2}}{n - 1}}

S：标准偏差

X：温度读数

T：设定温度

n：读数的数量

同样参考图40，描述能量节约控制过程4000。在正常操作期间，接口装置130将周期性地每5分钟(或者任何其他预置的周期)从所有连接至服务器的控制单元3530收集的数据收集并发送至服务器170。如果在4010能量节约过程被确定为激活，则接口装置130在4020检查历史数据是否有效并且如果不是，则在4030从服务器170请求更新的历史数据。服务器170可从历史数据确定例如每24小时的不活动的时段(例如观察为低电力使用的持续时间段)。当接口装置130向服务器170发出历史数据请求时，该数据被下载并且缓存在接口装置130上。如果在4010能量节约控制被确定为对于连接的电器3540有效，则接口装置130在4040检查当前时间段是否落入家庭的不活动的历史观察时段以内。如果这个是真的并且在当前白天的那些时段以内迄今没有活动，那么在4050相应继电器被关闭。否则，继电器3614在4060被打开。

实例：如果历史数据指示从10：00AM-4：00PM热水器1555没有汲取水，则热水器1555在那些时段期间可以是关闭的。这将会节省电力并且还增加热水器1555的使用寿命。

当Zigbee或者其他本地802.11标准局域网或者个人局域网通信协议在家庭/商用公用设施中是广泛使用的时，这个功能可以直接扩展至从接口装置130至电器3540的通信控制命令，而不需要插入用于开关继电器3614的控制单元3530。图41示出通过接口装置130执行的用于控制供应至至少一个电器的电力的方法4100。在步骤4110，接口装置130监控至少一个电器的电力消耗。这个可以通过从至少一个电子控制单元3530接收电力消耗数据，其中控制单元3530与接口装置130通信。控制单元3530可具有电流传感器，以当接通至至少一个电器的电力时监控由至少一个电器汲取的电流。接口装置130可以通过从控制单元3530接收监控的电流数据监控至少一个电器的电力消耗。在步骤4120，接口装置130将与至少一个电器的电力消耗有关的电力消耗信息发送至服务器系统170。在步骤4130，接口装置130可以从服务器系统170接收一个或多个命令。在步骤4140，接口装置130可以基于步骤4130接收的一个或多个命令控制至至少一个电器的电力。这可以包括将一个或多个控制命令发送至控制单元3530，其中控制单元3530可被布置为响应于一个或多个控制命令控制供应(例如，使用继电器3614以接通或断开电力)至至少一个电器3540的电力。

图42示出由服务器系统170执行的用于控制供应至至少一个电器的电力的过程4200。在步骤4210，服务器系统170接收配置信息。该信息可以从执行客户接口模块的客户端装置接收以使用户输入能够在客户端装置处被接收并且发送至服务器系统170。配置信息可以包括与接口装置130的监控和控制功能的配置有关的信息。

在步骤4220，服务器系统170从接口装置130接收与至少一个电器有关的电器电力消耗信息。在步骤4230，服务器系统170将信息存储在数据存储器180中的相关使用或用户记录中。在步骤4240，服务器系统170可从数据存储器180检索电力消耗信息。在步骤4250，服务器系统170可以处理电力消耗信息和配置信息以生成一个或多个命令。在步骤4260，服务器系统4260可以将一个或多个命令发送至接口装置130以使接口装置130控制至至少一个电器的电力。接口装置130可以将一个或多个控制命令发送至控制单元3530，并且控制单元3530可被布置为响应于一个或多个控制命令控制至至少一个电器的电力。

本领域技术人员将理解，在不背离本公开的广泛的一般范围的情况下，可对上述实施方式做出大量变化和/或修改。本实施方式因此被认为在所有方面是说明性的而不是限制性的。

在整个说明书中，词语“包含”或者诸如“包括”或“含有”的变化形式将理解为表示包括所指定的元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组，但是不排除任何其它元件、整体或步骤或者元件、整体或步骤的组。

已包括在本发明说明书中的文件、法令、材料、装置、制品等的任何讨论不应认为承认这些事项的任何或全部构成了现有技术基础的一部分或者是与本发明相关的领域中的常识，就如它在本公开的每项权利要求的优先日期之前就存在一样。

Claims

1.一种用于监控和控制至少一个电器的系统，所述系统包括：

计算机服务器系统；

电子接口装置，从所述计算机服务器系统远程地安装并且与所述计算机服务器系统无线通信，其中，所述接口装置被配置为监控所述至少一个电器的电力消耗并且控制对所述至少一个电器的电力供应，并且其中，所述接口装置被配置为将监控的电力使用数据周期性地发送至所述计算机服务器系统，以从所述计算机服务器系统接收数据和命令中的至少一个并且基于接收到的所述数据和命令中的至少一个控制至所述至少一个电器的电力。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：数据存储器，所述计算机服务器系统能够访问所述数据存储器以存储和提供基于从所述接口装置周期性接收的电力使用数据的历史电力使用数据，其中，所述计算机服务器系统被配置为从所述历史电力使用数据计算统计数据并且响应于从所述接口装置接收的请求将计算的所述统计数据的至少一些发送至所述接口装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，至少一些所述统计数据包括关于电器设定点的标准偏差。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述计算机服务器系统包括客户端接口模块以允许用户经由与所述计算机服务器系统通信的客户端装置与所述计算机服务器系统交互，其中，所述计算机服务器系统被配置为经由所述客户端接口模块允许配置所述接口装置的监控和控制功能。

5.一种用于监控和控制至少一个电器的系统，所述系统包括：

计算机服务器系统；

电子接口装置，从所述计算机服务器系统远程地安装并且与所述计算机服务器系统无线通信，其中，所述电子接口装置被配置为从所述至少一个电器接收电力使用信息，以将与所述电力使用信息相关的电力使用数据周期性地发送至所述计算机服务器系统，以从所述计算机服务器系统接收数据和命令中的至少一个，并且基于接收到的所述数据和命令中的至少一个控制至所述至少一个电器的电力，并且其中，所述服务器系统被配置为访问数据存储器以存储和检索基于从所述接口装置周期性接收的所述电力使用数据的历史电力使用数据；以及

自适应学习模块，被配置为基于配置信息和所述历史电力使用数据为所述接口装置生成命令以控制至所述至少一个电器的电力。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述服务器系统承载所述自适应学习模块。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的系统，其中，所述配置信息由所述自适应学习模块从客户端装置接收。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的系统，其中，所述计算机服务器系统包括客户端接口模块以允许用户经由与所述计算机服务器系统通信的客户端装置与所述计算机服务器系统交互，其中，所述计算机服务器系统经由所述客户端接口模块接收所述配置信息，所述配置信息包括与所述接口装置的监控和控制功能的配置相关的信息。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，进一步包括至少一个电子控制单元，所述至少一个电子控制单元与所述电子接口装置通信并且被布置为控制至所述至少一个电器的电力。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述至少一个电子控制单元使用局域通信协议与所述接口装置无线通信。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个电子控制单元包括电流传感器以在接通至所述至少一个电器的电力时监控由所述至少一个电器汲取的电流，其中，所述电子控制单元被配置为将监控的电流数据传送至所述接口装置。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其中，所述计算机服务器系统被配置为从所述历史电力使用数据计算统计数据并且响应于从所述接口装置接收的请求将计算的所述统计数据的至少一些发送至所述接口装置。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，至少一些所述统计数据包括关于电器设定点的标准偏差。

14.一种控制供应至至少一个电器的电力的方法，所述方法包括以下步骤：

接口装置监控所述至少一个电器的电力消耗；

所述接口装置将与所述至少一个电器的所述电力消耗相关的电力消耗信息发送至服务器系统；

所述接口装置从所述服务器系统接收命令；以及

所述接口装置基于接收到的所述命令控制至所述至少一个电器的电力。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，监控所述电力消耗的步骤包括从与所述电子接口装置通信的至少一个电子控制单元接收电力消耗数据。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述至少一个电子控制单元包括电流传感器以在接通至所述至少一个电器的电力时监控由所述至少一个电器汲取的电流，并且其中，所述接口装置监控所述至少一个电器的所述电力消耗的步骤包括所述接口装置从所述电子控制单元接收监控的电流数据。

17.根据权利要求15或权利要求16中任一项所述的方法，其中，控制所述电力的步骤包括将一个或多个控制命令发送至所述至少一个电子控制单元，所述电子控制单元被布置为响应于所述一个或多个控制命令控制至所述至少一个电器的电力。

18.一种控制供应至至少一个电器的电力的方法，所述方法包括以下步骤：

服务器系统接收配置信息；

所述服务器系统从接口装置接收与所述至少一个电器相关的电器的电力消耗信息并且将所述电力消耗信息存储在数据存储器中；

所述服务器系统从所述数据存储器检索所述电力消耗信息；

所述服务器系统处理所述电力消耗信息和所述配置信息以生成一个或多个命令；以及

所述服务器系统将所述一个或多个命令发送至所述接口装置以使所述接口装置控制至所述至少一个电器的电力。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述配置信息经由客户端接口模块从客户端装置接收，所述配置信息包括与所述接口装置的监控和控制功能的配置相关的信息。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的方法，其中，所述接口装置被配置为通过将一个或多个控制命令发送至至少一个电子控制单元来控制至所述至少一个电器的电力，所述电子控制单元被布置为响应于所述一个或多个控制命令控制至所述至少一个电器的电力。