CN105893629A - 基于物联网与云计算的能源监管系统及其监管软件 - Google Patents

基于物联网与云计算的能源监管系统及其监管软件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网与云计算的能源监管系统，包含数据采集层、数据传输层和应用管理层，数据采集层由具有数据远传功能的各种计量仪表组成，数据传输层由集中器和采集器构成，采集器与数据采集层的各种计量仪表连接，若干个采集器与集中器连接进行数据集中，应用管理层包含云计算平台、客户端和管理平台，客户端和管理平台与云计算平台连接，集中器与云计算平台连接。本发明结构简单，搭建方便，成本低廉，易扩展，易维护的巨大优势，可大大促进我国节能减排战略的全面推进。

Description

基于物联网与云计算的能源监管系统及其监管软件
技术领域
本发明涉及一种能源监管系统及其监管软件，特别是一种基于物联网与云计算的能源监管系统及其监管软件。
背景技术
我国“节能减排”战略，智能电网用户端配用电智能化与企业能源管理，迫切需要精准、高效、方便、低成本的能源计量监管手段，以解决企业的能耗诊断,能耗数据的分项计量和多维分析；能耗的在线监控和动态优化，节能前后的实效对比核查等问题。节能减排是一项非常大的系统工程，必须有能源计量分析评估基础架构。目前这个基础架构不具备，就是缺乏分项计量的技术手段，该现状已成为当前制约我国节能减排全面推进的技术瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于物联网与云计算的能源监管系统及其监管软件，它解决海量能源大数据收集与处理系统,为解决企业能耗监管诊断,能耗数据的分项计量和多维分析。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：物联网与云计算的技术架构，包含数据采集层、数据传输层和应用管理层，数据采集层由具有数据远传功能的各种计量仪表与集中器和采集器构成，采集器与数据采集层的各种计量仪表连接，若干个采集器与集中器连接进行数据集中，构成底层物联网硬件系统，数据传输层由物联网系统通过网关与云计算系统连接，数据通过通讯管理软件实现传输与通讯，应用管理层包含云计算平台、通讯服务器，数据库服务器，应用服务器，客户端和管理平台，客户端（移动客户端）和管理平台与云计算平台连接，完成数据处理应用服务。
进一步地，所述数据采集层各种计量仪表通过RS485总线、M-BUS总线、CAN总线通信规约互联，并通过总线系统与采集器和集中器连接交换数据。
进一步地，所述集中器与云计算平台通过GPRS/3G/4G或WiFi通讯和TCP/IP协议实现数据交换，采集器与集中器之间使用470-490MHz ISM频段实现与本地无线局域物联网的通讯。
进一步地，所述云计算平台包含云通讯服务器，实现系统应用服务器与物联网数据可靠传输与通讯；数据服务器，提供数据存储与处理；应用服务器，进行数据的校验、计算、存储、分析、建模、管理等,提供用户端用电行为模拟、决策支持等高层次服务。
进一步地，采集器通过带有RS485的能耗表对能耗数据进行采集并加密，数据采集前置装置采用超低功耗元件，每个传感器节点均从输电线路中取电，不带电池。
进一步地，数据采集层通过RS485总线与同一开闭所或配电室内电表连接，运行标准MDBUS、DL/T645-1997、DL/T645-2007、或M-BUS通讯规约，支持非标准或企业专属通讯规约，上行通过470Mhz-510MHz无线CEINWARE-NET实现与采集器的数据交换；能耗数据由带RS485接口的能耗表连接到读表器进行数据采集，通过无线CEINWARE-NET，将各个读表器采集的数据汇总于集中器，集中器实现数据的透明传输，数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行缓存、协议封装后通过GPRS网络传送到服务器，进行后续的数据分析处理，读表器通过RS485总线接口直接连接到能耗表上，既可支持单个能耗表，也可同时支持多个能耗表，集中器亦可通过RS485总线直接与电表连接，实现对能耗表参数的采集、存储、预处理或将采集到的电能表数据实时传送到服务器。
一种权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统的监管软件，其特征在于：包含WEB服务器、通信服务器、数据库服务器三个功能部分；
WEB服务器主要为用户提供用户登陆和操作界面，进行数据查询和任务提交使用，主要功能包含：
用户登陆和注销；
用户权限管理；
设备管理；
数据监管；
通信服务器实现云平台与安装在远程监管点上的物联网采集器进行数据通信和交互，主要完成功能：
接收采集器/集中器上报的能源数据报文和采集器的核心参数，根据系统需要下发相应的报文完成对采集器的读写操作；
对接收到的数据报文进行校验、解析、计算、存储到数据库服务器中；启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，完成能源数据采集；
接收WEB服务器的HTTP请求，启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，实现实时数据的采集与浏览；
数据库服务器是系统的数据存储和数据管理中心，主要任务包含：
为WEB服务器和通信服务器提供数据查询和存储服务；
保证数据库的可用性、安全性；
为保证对WEB服务器的响应性能，部分应用功能，使用数据库服务器完成批量数据的统计分析任务。
进一步地，所述WEB服务器采用B/S结构与敏捷的响应式Web设计，使用面向对象，简单，可移植，高效，动态的解释性开发语言PHP，JAVAscript, Roby，运用多种主流框架技术提高优化系统性能。
进一步地，所述通信服务器的采集系统与应用系统采用松耦合方式设计，通过数据库任务表实时交换数据通过标准的对象接口方式协同工作，当采集任务、采集规模、通讯规约、通讯方式变化时系统可通过组态表做出自适应调整；采用数据项编号方式将各种计量装置内的参数、控制、各类数据抽象成统一的数据项编号，将任务管理、数据采集、数据存储、数据应用与具体的计量装置隔离。
进一步地，所述数据库服务器应用实例采用非关系数据库NOSOL为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案；利用其类似面向对象的查询索引功能，实现关系数据库单表查询的管理功能；数据分析以能耗原始数据为基础，结合系统业务模型，通过分布式存储和计算，安全可靠地实现大数据统计分析，并具备充分的即时性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、结构简单，搭建方便，成本低廉，易扩展，易维护的巨大优势，可大大促进我国节能减排战略的全面推进；
2、解决海量能源大数据收集与处理系统,为解决企业能耗监管诊断,能耗数据的分项计量和多维分析；
3、能耗的在线监控和动态优化，节能前后的实效对比核查等问题,为我国智能电网用户端配用电智能化与企业能源管理，实现企业用能管理的自动化与智能化提供了一种精准、高效、方便、低成本的技术手段
4、系统采用物联网与云平台的分布式计算框架，实现对分布式流数据的实时、高效、并行的分析与处理。实现对能耗数据进行分项计量与多设备、多部门、多时段等复杂的统计、对比和分析，从而提供丰富的能耗监管业务服务。为用户提供随时随地、多种设备、多种网络连接的访问方式。用户可以通过互联网客户端、移动客户端等访问和使用能耗监管平台，并实现远程监管与抄报。为用户提供了一种高效，高精度，高可靠，低成本的能源监管工具。
附图说明
图1是本发明的基于物联网与云计算的能源监管系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图所示，本发明的一种基于物联网与云计算的能源监管系统，系统构成采用“物联网-网关-云计算”三级分层技术架构，包含数据采集层、数据传输层和应用管理层。
物联网与云计算的技术架构，包含数据采集层、数据传输层和应用管理层，数据采集层由具有数据远传功能的各种计量仪表与集中器和采集器构成，采集器与数据采集层的各种计量仪表连接，若干个采集器与集中器连接进行数据集中，构成底层物联网硬件系统，数据传输层由物联网系统通过网关与云计算系统连接，数据通过通讯管理软件实现传输与通讯，应用管理层包含云计算平台、通讯服务器，数据库服务器，应用服务器，客户端和管理平台，客户端（移动客户端）和管理平台与云计算平台连接，完成数据处理应用服务。
数据采集层由具有数据远传功能的各种计量仪表1组成，计量仪表1包括电表、流量计、气表、水表等。通过RS485总线、M-BUS总线、CAN总线等通讯规约，将同一区域内的所有计量仪表互联，并通过总线系统与采集器/集中器连接交换数据。集中器可以通过RS485（或M-BUS）直接读取设备层仪表数据，又可以通过采集器以间接读表的方式读取远程仪表的数据。
数据采集层由GDCG1R01集中器3和采集器2组成，采集器2与数据采集层的各种计量仪表连接，若干个采集器2与集中器3连接进行数据集中。下行通过各种标准工业总线实现与设备层计量仪表数据交换,上行通过GPRS/3G/4G或WiFi通讯和TCP/IP协议实现与上层服务器的数据交换。采集器与集中器之间使用470-490MHz ISM频段实现与本地无线局域物联网的通讯。带有智能网关功能的集中器支持多种通讯规约，支持设备层与服务器之间的数据交换与通讯。
应用管理层包含云计算平台、客户端4和管理平台5，客户端4和管理平台5与云计算平台连接，集中器与云计算平台连接。管理层可由公有或企业私有云服务器或传统服务器实现。云通讯服务器实现系统应用服务器与物联网数据可靠传输与通讯，云数据服务器提供数据存储与处理。应用服务器可进行数据的校验、计算、存储、分析、建模、管理等,提供用户端用电行为模拟、决策支持等高层次服务。
采集器通过带有RS485的能耗表对能耗数据进行采集并加密，数据采集前置装置采用超低功耗元件，每个传感器节点均从输电线路中取电，不带电池。
数据采集层通过RS485总线与同一开闭所或配电室内电表连接，运行标准MDBUS、DL/T645-1997、DL/T645-2007、或M-BUS通讯规约，支持非标准或企业专属通讯规约，上行通过470Mhz-510MHz无线CEINWARE-NET实现与采集器的数据交换。能耗数据由带RS485接口的能耗表连接到读表器进行数据采集，通过无线CEINWARE-NET，将各个读表器采集的数据汇总于集中器，集中器实现数据的透明传输，数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行缓存、协议封装后通过GPRS网络传送到服务器，进行后续的数据分析处理，读表器通过RS485总线接口直接连接到能耗表上，既可支持单个能耗表，也可同时支持多个能耗表，集中器亦可通过RS485总线直接与电表连接，实现对能耗表参数的采集、存储、预处理或将采集到的电能表数据实时传送到服务器。能耗表集中器采集的数据经GSM网络空中接口功能模块对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过GPRS无线数据网络进行传输，最终传到云服务器。云服务器可进行数据的校验、计算、存储、分析、建模、管理等。可对异常情况进行报警，同时对用户使用情况进行实时监控。
能耗数据集中器在工作时，在中央处理单元、系统定时子系统、和集中器组态表的控制下，通过M-BUS/RS485/CAN/无线M-BUS等物理接口、使用与数据源相适应的多种通讯规约从数据源读取数据，或者通过BLT/BLE/Zigbee/专用低功耗短距离无线通讯等部件与下级采集器进行自组网获取下级采集器数据，采集的数据先发送到中央处理单元，经过中央处理单元校验、加密、编码处理后，数据可以通过WiFi/GPRS/3G/4G数据交换部件发送到后台服务器。
一种基于物联网与云计算的能源监管系统的监管软件，包含WEB服务器、通信服务器、数据库服务器三个功能部分；
WEB服务器主要为用户提供用户登陆和操作界面，进行数据查询和任务提交使用，主要功能包含：
用户登陆和注销；
用户权限管理；
设备管理；
数据监管；
通信服务器实现云平台与安装在远程监管点上的物联网采集器进行数据通信和交互，主要完成功能：
接收采集器/集中器上报的能源数据报文和采集器的核心参数，根据系统需要下发相应的报文完成对采集器的读写操作；
对接收到的数据报文进行校验、解析、计算、存储到数据库服务器中；启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，完成能源数据采集；
接收WEB服务器的HTTP请求，启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，实现实时数据的采集与浏览；
数据库服务器是系统的数据存储和数据管理中心，主要任务包含：
为WEB服务器和通信服务器提供数据查询和存储服务；
保证数据库的可用性、安全性；
为保证对WEB服务器的响应性能，部分应用功能，使用数据库服务器完成批量数据的统计分析任务。
WEB服务器采用B/S结构与敏捷的响应式Web设计，使用面向对象，简单，可移植，高效，动态的解释性开发语言PHP，JAVAscript, Roby，运用多种主流框架技术提高优化系统性能。优化浏览器和服务器之间的传输，减少不必要的数据往返，减少了带宽占用，提升了用户体验。
通信服务器的采集系统与应用系统采用松耦合方式设计，通过数据库任务表实时交换数据通过标准的对象接口方式协同工作，当采集任务、采集规模、通讯规约、通讯方式变化时系统可通过组态表做出自适应调整；采用数据项编号方式将各种计量装置内的参数、控制、各类数据抽象成统一的数据项编号，将任务管理、数据采集、数据存储、数据应用与具体的计量装置隔离。以适应变化的灵活性；当某个服务的内部结构和实现逐渐发生改变时，不影响其他服务
数据库服务器应用实例采用非关系数据库NOSOL，主要解决海量数据的访问效率问题，为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。NOSOL中的MongoDB是一个基于分布式文件存储的文档型数据库，数据存储不需要固定的表结构，可方便地进行系统扩展，并与其他系统软件兼容。利用其类似面向对象的查询索引功能，实现关系数据库单表查询的管理功能，满足对海量能源数据的实时高效率存储和访问。数据分析以能耗原始数据为基础，结合系统业务模型，通过分布式存储和计算，安全可靠地实现大数据统计分析，并具备充分的即时性。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：物联网与云计算的技术架构，包含数据采集层、数据传输层和应用管理层，数据采集层由具有数据远传功能的各种计量仪表与集中器和采集器构成，采集器与数据采集层的各种计量仪表连接，若干个采集器与集中器连接进行数据集中，构成底层物联网硬件系统，数据传输层由物联网系统通过网关与云计算系统连接，数据通过通讯管理软件实现传输与通讯，应用管理层包含云计算平台、通讯服务器，数据库服务器，应用服务器，客户端和管理平台，客户端（移动客户端）和管理平台与云计算平台连接，完成数据处理应用服务。
2.按照权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：所述数据采集层各种计量仪表通过RS485总线、M-BUS总线、CAN总线通信规约互联，并通过总线系统与采集器和集中器连接交换数据。
3.按照权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：所述集中器与云计算平台通过GPRS/3G/4G或WiFi通讯和TCP/IP协议实现数据交换，采集器与集中器之间使用470-490MHz ISM频段实现与本地无线局域物联网的通讯。
4.按照权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：所述云计算平台包含云通讯服务器，实现系统应用服务器与物联网数据可靠传输与通讯；数据服务器，提供数据存储与处理；应用服务器，进行数据的校验、计算、存储、分析、建模、管理等,提供用户端用电行为模拟、决策支持等高层次服务。
5.按照权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：采集器通过带有RS485的能耗表对能耗数据进行采集并加密，数据采集前置装置采用超低功耗元件，每个传感器节点均从输电线路中取电，不带电池。
6.按照权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统，其特征在于：数据采集层通过RS485总线与同一开闭所或配电室内电表连接，运行标准MDBUS、DL/T645-1997、DL/T645-2007、或M-BUS通讯规约，支持非标准或企业专属通讯规约，上行通过470Mhz-510MHz无线CEINWARE-NET实现与采集器的数据交换；能耗数据由带RS485接口的能耗表连接到读表器进行数据采集，通过无线CEINWARE-NET，将各个读表器采集的数据汇总于集中器，集中器实现数据的透明传输，数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行缓存、协议封装后通过GPRS网络传送到服务器，进行后续的数据分析处理，读表器通过RS485总线接口直接连接到能耗表上，既可支持单个能耗表，也可同时支持多个能耗表，集中器亦可通过RS485总线直接与电表连接，实现对能耗表参数的采集、存储、预处理或将采集到的电能表数据实时传送到服务器。
7.一种权利要求1所述的基于物联网与云计算的能源监管系统的监管软件，其特征在于：包含WEB服务器、通信服务器、数据库服务器三个功能部分；
WEB服务器主要为用户提供用户登陆和操作界面，进行数据查询和任务提交使用，主要功能包含：
用户登陆和注销；
用户权限管理；
设备管理；
数据监管；
通信服务器实现云平台与安装在远程监管点上的物联网采集器进行数据通信和交互，主要完成功能：
接收采集器/集中器上报的能源数据报文和采集器的核心参数，根据系统需要下发相应的报文完成对采集器的读写操作；
对接收到的数据报文进行校验、解析、计算、存储到数据库服务器中；启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，完成能源数据采集；
接收WEB服务器的HTTP请求，启动触发采集器与通信服务器进行数据通信，实现实时数据的采集与浏览；
数据库服务器是系统的数据存储和数据管理中心，主要任务包含：
为WEB服务器和通信服务器提供数据查询和存储服务；
保证数据库的可用性、安全性；
为保证对WEB服务器的响应性能，部分应用功能，使用数据库服务器完成批量数据的统计分析任务。
8.按照权利要求7所述的监管软件，其特征在于：所述WEB服务器采用B/S结构与敏捷的响应式Web设计，使用面向对象，简单，可移植，高效，动态的解释性开发语言PHP，JAVAscript, Roby，运用多种主流框架技术提高优化系统性能。
9.按照权利要求7所述的监管软件，其特征在于：所述通信服务器的采集系统与应用系统采用松耦合方式设计，通过数据库任务表实时交换数据通过标准的对象接口方式协同工作，当采集任务、采集规模、通讯规约、通讯方式变化时系统可通过组态表做出自适应调整；采用数据项编号方式将各种计量装置内的参数、控制、各类数据抽象成统一的数据项编号，将任务管理、数据采集、数据存储、数据应用与具体的计量装置隔离。
10.按照权利要求7所述的监管软件，其特征在于：所述数据库服务器应用实例采用非关系数据库NOSOL为WEB应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案；利用其类似面向对象的查询索引功能，实现关系数据库单表查询的管理功能；数据分析以能耗原始数据为基础，结合系统业务模型，通过分布式存储和计算，安全可靠地实现大数据统计分析，并具备充分的即时性。
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