CN107359487A - 分布式远程控制电器插座及用电管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式远程控制电器插座及用电管理方法。其中分布式远程控制电器插座，包括一个主控器单元、一个总电量采集节点单元和至少二个电器插座单元；总电量采集节点单元和电器插座单元与主控器单元均通过ZIGBEE无线互联；利用手机或远程服务器通过WIFI及路由器对主控器单元实现室内或远程通信。本发明采用低功耗单片机模块、ZIGBEE模块、继电器、WIFI和三相功率传感器、电压传感器、电流传感器相结合，实现近距离或者远程无线控制家庭电气总开关、每个智能电器插座总开关和各电器供电开关，实时监控总用电量、各电器开关状态及用电情况，统计并分析获得用户用电行为规律，结合电网峰谷平信息进行用电优化管理。

Description

分布式远程控制电器插座及用电管理方法

技术领域

本发明涉及一种分布式远程控制电器插座及用电管理方法。

背景技术

家庭住宅或公共建筑电能耗在总能耗中占的比例较大，高达90％以上，安全智能用电及节能十分必要。现在有的专利主要集中于控制电器插座的开关、而对于每个电器的精细功耗和基于历史用能情况的用电节能管理、以及电器插座及用能情况的可视化管理几乎未见提及，这种现状和目前快速发展的智能家居不相适应。

中国专利申请号201110400076.X公开了一种《智能遥控插座》，其通过射频发射模块及插座本体的射频接收模块与插座本体通过射频信号连接实现了对插座开闭的控制；中国专利申请号201310094746.9公开了一种《无线智能插座》，其通过通信终端插座间的无线通信实现了对插座的无线控制；但是依然缺少对电器功耗的度量。

中国专利申请号201310262478.7公开了一种《智能可控节能插座》，其通过计算机和受控插座之间的无线通信实现了功耗的度量和开闭控制。但是缺少了对单个电器的细化分析。

中国专利申请号201310364652.9公开了一种《一种智能插座系统》，其通过主插座和从属插座之间的无线通信，实现了对电器功耗的监控和开闭控制；中国专利申请号201410188234.3公开了一种《智能插座及智能插座控制方法》，其通过电量计量原件判定电器的电压\电流\功率是否达到某一阈值来对电器进行开闭控制，实现的对电器的自动化管理以及延长电器寿命。

上述专利各具特色，本专利针对以上情况进行了相关发明、改进。新增了对电器插座开关状态及实时功耗的可视化管理，对外预留电器测试端子、基于电器使用情况的用户用电行为规律分析及用电优化管理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布式远程控制电器插座。

本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种分布式远程控制电器插座的用电管理方法。

对于分布式远程控制电器插座，本发明采用的技术方案是，分布式远程控制电器插座，包括一个主控器单元、一个总电量采集节点单元和至少二个电器插座单元；

总电量采集节点单元和电器插座单元与主控器单元均通过ZIGBEE无线互联；

利用手机或远程服务器通过WIFI及路由器对主控器单元实现室内或远程通信。

作为优选，主控器单元包括单片机模块、ZIGBEE模块、WIFI模块、SD卡、触摸液晶屏模块；单片机模块片上至少含有2个UART模块，单片机模块与ZIGBEE模块通过其中1个UART模块和ZIGBEE模块的UART模块相连，单片机模块与触摸液晶屏通过另外1个UART口相连，单片机模块与WIFI模块通过通用数字量端口相连，单片机模块与SD卡通过SPI口相连，SD卡主要用于存储总电量采集节点单元和电器插座单元基本信息和用电量原始数据；原始数据包括各电器电压数据、电流数据、总用电量3相数据。

作为优选，总电量采集节点单元包括ZIGBEE模块、三相交流继电器和三相功率传感器和计时芯片；

总电量采集节点单元设置在家庭或办公场所电气总进线处，总电量采集节点单元和主控器单元采用直接通信方式对家庭或办公场的总供电进行控制；

总电量采集节点单元以ZIGBEE模块作为核心控制模块，ZIGBEE模块采用1个数字输出口辅助驱动电路控制三相交流继电器，三相交流继电器的3相开关分别串接在3相户进入线和各房间回路之间；三相功率传感器实时监测电功率，三相功率传感器的输出信号与ZIGBEE模块的UART端口相连接，ZIGBEE模块通过通用数字输入口与计时芯片相连接。

作为优选，电器插座单元包括ZIGBEE模块、单相交流继电器、电压传感器、电流传感器和至少一个电器插座；

单相交流继电器包括一组房间分控继电器和至少两组回路控制继电器；

一组房间分控继电器由两个单相交流继电器组成，这两个单相交流继电器分别与某房间的总供电回路的零线和火线相连，ZIGBEE模块的一个I/O口通过驱动电路同时控制这两个单相交流继电器的控制线圈，分别对该房间的总供电回路的零线和火线进行通断控制；

任意一组回路控制继电器由两个单相交流继电器组成，这两个单相交流继电器的开关分别与某房间的与连接到某个电器插座的供电回路的零线和火线相连，ZIGBEE模块的一个I/O口通过驱动电路同时控制这两个单相交流继电器的控制线圈，分别对该房间的与连接到某个电器插座的零线和火线进行通断控制；

任意一组回路控制继电器中与火线相连的单相交流继电器的开关和分控继电器中与火线相连的单相交流继电器开关相串联，任意一组回路控制继电器中与零线相连的单相交流继电器的开关和分控继电器中与零线相连的单相交流继电器开关相串联，且分控继电器开关的空间位置最靠近电力线的输入处；

电压传感器连接在电器插座单元的分控继电器开关之后，火线和零线分别接入电压传感器的电压输入端子；

电流传感器采用闭合式电流传感器，电流传感器串联在各个回路控制继电器的开关之后，利用一段直径较粗的铜短路线穿过电流传感器上的测量孔串接入该电器供电回路；

电压传感器、电流传感器的输出信号接至ZIGBEE模块的AD通道。

作为进一步优选，电器插座单元还包括预留的测试端子；测试端子由电压传感器和电流传感器的输出信号端，以及地线对外引出端构成。

对于分布式远程控制电器插座的用电管理方法，本发明采用的技术方案是，包括以下做法：

(1)分布式远程控制电器插座中的主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信，通信采用直接通信和中继两种方式；

要求将主控器单元设置在家庭或办公场所的相对中心的位置；主控器单元通过ZIGBEE模块和总电量采集节点单元直接通信；根据主控器单元和电器插座单元的安放位置采取直接通信或者中继方式通信，当主控器单元与某房间的电器插座单元相隔两堵墙时，一般传输信号不太稳定，此时，采取中继方式通信，即通过空间位置位于该电器插座单元和主控器单元中间的另外一个电器插座单元中继通信；当主控器单元与某房间的电器插座单元只间隔一堵墙时采用直接通信方式；

(2)分布式远程控制电器插座可支持室内近距离和户外远程两种控制方式；

a.室内近距离控制：用户可以直接通过主控器单元的触摸液晶屏发送指令来控制各电器插座的通断；或者用手机通过WIFI模块与主控器单元通信控制；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

b.户外远程控制：主控器单元利用WIFI模块及家庭路由器实现与手机或者服务器间的远程通信；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

c.主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信的目的是进行通断控制或传输电量数据；主控器单元根据用户指令通过ZIGBEE模块直接对总电量采集节点单元进行通断控制或接收电量数据；主控器单元根据指令通过ZIGBEE模块直接或以中继方式对电器插座单元进行通断控制或接收电量数据；

(3)总电量采集节点单元或电器插座单元的非用户指令数据格式规约

总电量采集节点单元和电器插座单元的非用户指令数据是指除用户通过触屏或者界面进行的控制通断及查看、传输数据指令外的数据，分别包括基本信息数据和实时信息数据；其中：

总电量采集节点单元基本信息数据包括房屋位置信息(城市街道小区楼栋)、房屋面积、朝向、户主姓名、户主ID号、额定容量、供电单位；

电器插座单元基本信息数据包括由房间号和插座ID号检索获得，具体包括电器名称、型号、出厂信息、初次使用时间、额定功率、房间信息；

总电量采集节点单元或电器插座单元的基本信息数据通过触摸液晶屏输入到主控器单元，一次性输入即可，只有新增电器时才需要重新输入；

总电量采集节点单元提供的实时信息数据包括时间、1分钟电量、1小时累积电量、累积总电量；

电器插座单元提供的实时信息数据包括房间编号、电器编号、时间、开关状态、功率、当日累计使用时间、累积功耗、平均功耗、最高功耗、正常或故障信息；

其中的实时信息数据的提供方式，按照10秒计算平均功率，按1分钟为周期统计计算平均功率最大值、平均功率最小值；每隔1小时发送1次数据，按照总电量采集节点和电器插座单元，插座按照编号次序进行发送；

(4)对原始数据进行统计、分析和管理

a.原始数据来自于总电量采集节点单元和电器插座单元，原始数据包括：各电器开关状态、以分钟为单位的各电器实时功率、各电器累计用电时间、各电器累计用电量、当前导通的电器总数及类型、分别按照单相功率和3相叠加总功率统计家庭或者办公场所总用电量；

统计的方法主要按照以下几个方面进行：按照房间或整个家庭或办公场所统计、按照电器统计、按照总电量统计；统计周期分别以分钟、一次完整工作周期、小时、日、周、月、季度、年为周期，此处的一次完整工作周期是指正常工作情况下的连续导通的最短时间，该最短时间可以采用初始设置最小限值和实际测试分析获得；

b.对用户的用电行为规律进行分析：

用户的用电行为规律主要是以日或周为周期的电器使用情况曲线图，具体描述就是某时刻开始使用某电器、一次使用某电器的累计时间和电量及是否超标、每日使用电器累计超标次数；该曲线的获得是通过对多组高相似度的日或周曲线获得；日曲线分析时通常将工作日和周末分开分析；为健康需要，可以根据与饮食起居的相关程度对电器进行划分，如电饭锅、热水器等属于高相关度的，其余相对低相关度，将高相关度的电器使用情况作为用户用电行为规律的一个重要因素进行分析；

c.对电器健康状态进行评价：

电器健康状态评价是通过统计各电器的使用频度和每次连续使用时间、平均功率、最大功率等数值，根据制造商提供的额定功率及连续使用时间判定是否超标等，采用以日为周期的平均值之间的变化率函数来评价其稳定性和性能衰退情况，结合使用寿命做出是处于健康或故障状态判断；

对于连续严重超标的电器，可发出报警信息，并且把超标时间段内的以分钟为单位的用电统计数据自动发送给对应电器制造商，并发出健康诊断请求；此时，对于具有远程网络控制功能的电器，制造商可以通过远程控制方式运行电器诊断程序，获取电器的健康状态基本数据；如果还是无法判定结果或者不具备网络控制功能的电器，可以采取入户通过预留测试端子获取电压电流原始数据的方式进一步分析判断；

d.基于用户用电行为规律及峰谷平信息进行用电管理

通过用户用电行为规律及峰谷平信息可以对用户的用电行为进行安全性、健康性、节能性评价，结合电网公司的峰谷平信息对用户的电器使用时间进行修正建议；

根据用户以周为周期评价的对某电器的一次连续使用时间或电量的超标次数，给用户发出报警信息提示用户修正使用方式，以免造成缩短电器使用寿命和安全隐患；

对于如前所述的与饮食起居高相关度的电器的日用电情况曲线图，如果每两个曲线之间的相似度都很低，说明用户的生活无规律，可以发出报警信息，作为对用户的健康进行提醒；

通过分析日用电总量和供电公司的基于峰谷平的日费用结算，获得每天的单位用电量的平均价格；然后根据用户的用电行为规律的电器使用时间表，在保证满足用电总量不变的前提下，以费用相对最低作为目标函数来调整低相关度的电器使用时间，从而达到即为用户节省费用，又保证电网安全；

统计、分析和用电管理的计算任务相对复杂，可以由云端服务器来完成。

本发明的有益效果是：

1、实时可视化各电器插座的通断情况、实时功率、累计使用时间，方便用户实时动态了解用电情况；

2、精细化电能管理，细化到每一个电器；而且精细到1分钟电量；

3、通过历史用能曲线对比，可以为家庭的节能管理提供参考依据；

4、该智能插座单独提供了预留测试端子，为家电的智能诊断提供了方便性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明分布式远程控制电器插座实施例的总体分布图。

图2是本发明分布式远程控制电器插座实施例的主控器结构示意图。

图3是本发明分布式远程控制电器插座实施例的电器插座单元的面板结构图。

图4是本发明分布式远程控制电器插座实施例的电器插座单元的电路图。

图5是本发明分布式远程控制电器插座实施例的电器插座单元的预留测试端子。

具体实施方式

图1是一种适于家庭或办公室的分布式远程控制电器插座，由1个主控器单元、一个总电量采集节点单元和4个电器插座单元组成。

由于每个电器插座单元可提供8个插座，因此通常一个房间可对应一个或两个电器插座单元。

总电量采集节点单元、电器插座单元与主控器单元均通过ZIGBEE无线互联。主控器单元可以通过WIFI及路由器与手机或者远程服务器实现室内或者远程通信。

在图2中，主控器单元包括单片机模块、ZIGBEE模块、WIFI模块、SD卡、触摸液晶屏。

主控器单元可以与手机或PC机实现通信，实现远程移动网络及Internet网络控制。

其中单片机模块采用STM32，单片机模块与ZIGBEE模块通过其中1个UART模块和ZIGBEE模块的UART模块相连，单片机模块与触摸液晶屏通过另外1个UART口相连，单片机模块与WIFI模块通过通用数字量端口相连，单片机模块与SD卡通过SPI口相连，SD卡主要用于存储总电量采集节点单元和电器插座单元基本信息和用电量原始数据；原始数据包括各电器电压数据、电流数据、总用电量3相数据。

总电量采集节点单元设置在家庭电气总进线处，用于和主控器单元直接通信方式对家庭的总供电进行控制，该总电量采集节点单元实时采集总电量并将总开关通断状态和总电量信息传给主控器单元。

总电量采集节点单元包括电池、时钟模块、ZIGBEE模块、三相交流继电器和三相功率传感器、计时芯片等。

总电量采集节点单元以ZIGBEE模块作为核心控制模块，采用市电转换获得的直流电源和充电电池双备份供电，一般情况下采用市电供电，市电没有时自动切换到电池供电。ZIGBEE模块采用1个数字输出口辅助驱动电路控制三相交流继电器，三相交流继电器的3相开关分别串接在3相户进入线和各房间回路之间；三相功率传感器实时监测电功率，三相功率传感器的输出信号与ZIGBEE模块的UART端口相连接，ZIGBEE模块通过通用数字输入口与计时芯片相连接。

电器插座单元用于和主控器直接通信或者通过其他电器插座单元中继通信方式实现对每个房间总开关和每个电器进行独立通断控制，并且并将每个电器的通断情况及电量信息传给主控器。每个电器插座单元提供8个电器插座，其中4个为受ZIGBEE控制的单相电器插座，另外4个为直接接入电网的备用单相电器插座(图3)。

电器插座单元由时钟模块、ZIGBEE模块、驱动电路、单相交流继电器、指示灯、电压传感器、电流传感器组成。

图4是设在某房间的电器插座单元的电路图。该电器插座单元提供4个受ZIGBEE控制的单相电器插座，每一个单相电器插座对应一个电器回路。

4个受ZIGBEE控制的电器插座J2、J3、J4、J5并联后连接到总供电回路。

单相交流继电器共有5组，每组2个单相交流继电器，共10个单相交流继电器。其中1组单相交流继电器为分控继电器K1和K2，分别设置在连接总供电插座J1的总供电回路的零线和火线上，用于控制该房间的总供电回路的通断。

另外4组单相交流继电器为回路控制继电器K11和K12、回路控制继电器K21和K22、回路控制继电器K31和K32、回路控制继电器K41和K42，分别控制各电器回路的通断。其中回路控制继电器K11和K12分别设置在连接电器插座J2的供电回路的零线和火线上，用于控制电器插座J2的供电回路零线和火线的通断。同样，回路控制继电器K21和K22、回路控制继电器K31和K32、回路控制继电器K341和K42分别设置在连接电器插座J3、电器插座J4和电器插座J5的供电回路的零线和火线上，用于控制电器插座J3、电器插座J4和电器插座J5的供电回路零线和火线的通断。

总供电回路或者每一个电器供电回路需要ZIGBEE模块的一个I/O口同时控制两个继电器，分别对零线和火线进行通断控制。

4个电器回路共用1个电压传感器U1v，每个电器回路各用1个电流传感器，分别是电流传感器U1i、U2i、U3i和U4i。在电器插座单元的分控继电器开关之后接入电压传感器U1v，火线和零线分别接入电压传感器U1v的电压输入端子。电流传感器采用闭合式电流传感器，电流传感器安装在各电器回路控制继电器开关之后，利用一段直径较粗的铜短路线穿过电流测量孔串接入电器回路。

电压传感器U1v、电流传感器的输出信号I1～I4接至ZIGBEE模块的AD通道。

为方便厂家测试电器运行正常或故障，在电器插座单元上为厂家预留测试端子，即将1个电压传感器的输出信号端U1、4个电流传感器输出信号端I1～I4，以及地线对外引出一个测试端子(图5)。

核心器件：

(1)单片机模块：stm32f103；

(2)zigbee：CC2530

(3)继电器：正泰JQX-13FA小型电磁继电器

(4)电压传感器：电磁型JLT11U

(5)电流传感器：电磁型、闭合型JLT8I

(6)WIFI模块：USR-C215

(7)时钟模块：DS1302

本实施例面向智能建筑及节能应用，采用ZIGBEE模块、低功耗单片机模块、继电器、WIFI和功率传感器、电压传感器、电流传感器相结合，实现近距离或者远程无线控制家庭电气总开关、每个智能电器插座总开关和各电器供电开关。在家庭或公共建筑内部通过主控器或手机近距离控制，在远程可以通过手机或服务器远程遥控。

具体来说，本实施例的用电管理方法包括以下做法：

(1)分布式远程控制电器插座中的主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信，通信采用直接通信和中继两种方式；

要求将主控器单元设置在家庭或办公场所的相对中心的位置；主控器单元通过ZIGBEE模块和总电量采集节点单元直接通信；根据主控器单元和电器插座单元的安放位置采取直接通信或者中继方式通信，当主控器单元与某房间的电器插座单元相隔两堵墙时，一般传输信号不太稳定，此时，采取中继方式通信，即通过空间位置位于该电器插座单元和主控器单元中间的另外一个电器插座单元中继通信；当主控器单元与某房间的电器插座单元只间隔一堵墙时采用直接通信方式；

(2)分布式远程控制电器插座可支持室内近距离和户外远程两种控制方式；

a.室内近距离控制：用户可以直接通过主控器单元的触摸液晶屏发送指令来控制各电器插座的通断；或者用手机通过WIFI模块与主控器单元通信控制；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

b.户外远程控制：主控器单元利用WIFI模块及家庭路由器实现与手机或者服务器间的远程通信；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

c.主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信的目的是进行通断控制或传输电量数据；主控器单元根据用户指令通过ZIGBEE模块直接对总电量采集节点单元进行通断控制或接收电量数据；主控器单元根据指令通过ZIGBEE模块直接或以中继方式对电器插座单元进行通断控制或接收电量数据；

(3)总电量采集节点单元或电器插座单元的非用户指令数据格式规约

总电量采集节点单元和电器插座单元的非用户指令数据是指除用户通过触屏或者界面进行的控制通断及查看、传输数据指令外的数据，分别包括基本信息数据和实时信息数据；其中：

总电量采集节点单元基本信息数据包括房屋位置信息、房屋面积、朝向、户主姓名、户主ID号、额定容量、供电单位；

电器插座单元基本信息数据包括由房间号和插座ID号检索获得，具体包括电器名称、型号、出厂信息、初次使用时间、额定功率、房间信息；

总电量采集节点单元或电器插座单元的基本信息数据通过触摸液晶屏输入到主控器单元，一次性输入即可，只有新增电器时才需要重新输入；

总电量采集节点单元提供的实时信息数据包括时间、1分钟用电量、1小时累积用电量、累积总用电量；上述数据指的是3相的叠加总电量数据；

电器插座单元提供的实时信息数据包括房间编号、电器编号、时间、当前开关状态、当日累计使用时间、累积用电量、平均功率、平均功率最大值、平均功率最小值；

其中的实时信息数据的提供方式，按照10秒计算平均功率，按1分钟为周期统计计算平均功率最大值、平均功率最小值；每隔1小时发送1次数据，按照总电量采集节点和电器插座单元，插座按照编号次序进行发送；

(4)对原始数据进行统计、分析和管理

a.原始数据来自于总电量采集节点单元和电器插座单元，原始数据包括：各电器开关状态、各电器实时功率、各电器累计用电时间、各电器累计用电量、当前导通的电器总数及类型、总用电量；

统计的方法主要按照以下几个方面进行：按照房间或整个家庭或办公场所统计、按照电器统计、按照总电量统计；统计周期分别以分钟、一次完整工作周期、小时、日、周、月、季度、年为周期，此处的一次完整工作周期是指正常工作情况下的连续导通的最短时间，该最短时间可以采用初始设置最小限值和实际测试分析获得；

b.对用户的用电行为规律进行分析：

用户的用电行为规律主要是以日或周为周期的电器使用情况曲线图，具体描述就是某时刻开始使用某电器、一次使用某电器的累计时间和电量及是否超标、每日使用电器累计超标次数；该曲线的获得是通过对多组高相似度的日或周曲线获得；日曲线分析时通常将工作日和周末分开分析；为健康需要，可以根据与饮食起居的相关程度对电器进行划分，如电饭锅、热水器等属于高相关度的，其余相对低相关度，将高相关度的电器使用情况作为用户用电行为规律的一个重要因素进行分析；

c.对电器健康状态进行评价：

电器健康状态评价是通过统计各电器的使用频度和每次连续使用时间、平均功率、最大功率等数值，根据制造商提供的额定功率及连续使用时间判定是否超标等，采用以日为周期的平均值之间的变化率函数来评价其稳定性和性能衰退情况，结合使用寿命做出是处于健康或故障状态判断；

对于连续严重超标的电器，可发出报警信息，并且把超标时间段内的以分钟为单位的用电统计数据自动发送给对应电器制造商，并发出健康诊断请求；此时，对于具有远程网络控制功能的电器，制造商可以通过远程控制方式运行电器诊断程序，获取电器的健康状态基本数据；如果还是无法判定结果或者不具备网络控制功能的电器，可以采取入户通过预留测试端子获取电压电流原始数据的方式进一步分析判断；

d.基于用户用电行为规律及峰谷平信息进行用电管理

通过用户用电行为规律及峰谷平信息可以对用户的用电行为进行安全性、健康性、节能性评价，结合电网公司的峰谷平信息对用户的电器使用时间进行修正建议；

根据用户以周为周期评价的对某电器的一次连续使用时间或电量的超标次数，给用户发出报警信息提示用户修正使用方式，以免造成缩短电器使用寿命和安全隐患；

对于如前所述的与饮食起居高相关度的电器的日用电情况曲线图，如果每两个曲线之间的相似度都很低，说明用户的生活无规律，可以发出报警信息，作为对用户的健康进行提醒；

通过分析日用电总量和供电公司的基于峰谷平的日费用结算，获得每天的单位用电量的平均价格；然后根据用户的用电行为规律的电器使用时间表，在保证满足用电总量不变的前提下，以费用相对最低作为目标函数来调整低相关度的电器使用时间，从而达到即为用户节省费用，又保证电网安全；

上述的统计、分析和用电管理的计算任务相对复杂，可以由云端服务器来完成。

本实施例的用电管理系统能够提供日、周、月、季度、年周期用电情况曲线图，具体包含用电总量曲线图、各电器通断情况曲线图、各电器用电情况曲线图等。数据可发送给家庭云端服务器、或者各电器制造商、供电公司等。该发明的益处在于对智能电器插座的通断情况、电器的使用情况进行实时、可视化管理，而且实现针对每个电器的精细化电能监控，从而为节能管理服务。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.分布式远程控制电器插座，其特征在于：包括一个主控器单元、一个总电量采集节点单元和至少二个电器插座单元；

所述总电量采集节点单元和电器插座单元与主控器单元均通过ZIGBEE无线互联；

利用手机或远程服务器通过WIFI及路由器对所述主控器单元实现室内或远程通信。

2.根据权利要求1所述的分布式远程控制电器插座，其特征在于：所述主控器单元包括单片机模块、ZIGBEE模块、WIFI模块、SD卡、触摸液晶屏模块；所述单片机模块片上至少含有2个UART模块，单片机模块与ZIGBEE模块通过其中1个UART模块和ZIGBEE模块的UART模块相连，单片机模块与触摸液晶屏通过另外1个UART口相连，单片机模块与WIFI模块通过通用数字量端口相连，单片机模块与SD卡通过SPI口相连，SD卡主要用于存储总电量采集节点单元和电器插座单元基本信息和用电量原始数据；所述原始数据包括各电器电压数据、电流数据、总用电量3相数据。

3.根据权利要求1所述的分布式远程控制电器插座，其特征在于：所述总电量采集节点单元包括ZIGBEE模块、三相交流继电器和三相功率传感器和计时芯片；

所述总电量采集节点单元设置在家庭或办公场所电气总进线处，总电量采集节点单元和主控器单元采用直接通信方式对家庭或办公场的总供电进行控制；

所述总电量采集节点单元以ZIGBEE模块作为核心控制模块，ZIGBEE模块采用1个数字输出口辅助驱动电路控制三相交流继电器，三相交流继电器的3相开关分别串接在3相户进入线和各房间回路之间；所述三相功率传感器实时监测电功率，三相功率传感器的输出信号与ZIGBEE模块的UART端口相连接，ZIGBEE模块通过通用数字输入口与计时芯片相连接。

4.根据权利要求1所述的分布式远程控制电器插座，其特征在于：所述电器插座单元包括ZIGBEE模块、单相交流继电器、电压传感器、电流传感器和至少一个电器插座；

所述单相交流继电器包括一组房间分控继电器和至少两组回路控制继电器；

一组房间分控继电器由两个单相交流继电器组成，这两个单相交流继电器分别与某房间的总供电回路的零线和火线相连，ZIGBEE模块的一个I/O口通过驱动电路同时控制这两个单相交流继电器的控制线圈，分别对该房间的总供电回路的零线和火线进行通断控制；

任意一组回路控制继电器由两个单相交流继电器组成，这两个单相交流继电器的开关分别与某房间的与连接到某个电器插座的供电回路的零线和火线相连，ZIGBEE模块的一个I/O口通过驱动电路同时控制这两个单相交流继电器的控制线圈，分别对该房间的与连接到某个电器插座的零线和火线进行通断控制；

任意一组回路控制继电器中与火线相连的单相交流继电器的开关和分控继电器中与火线相连的单相交流继电器开关相串联，任意一组回路控制继电器中与零线相连的单相交流继电器的开关和分控继电器中与零线相连的单相交流继电器开关相串联，且分控继电器开关的空间位置最靠近电力线的输入处；

所述电压传感器连接在电器插座单元的分控继电器开关之后，火线和零线分别接入电压传感器的电压输入端子；

所述电流传感器采用闭合式电流传感器，电流传感器串联在各个回路控制继电器的开关之后，利用一段直径较粗的铜短路线穿过电流传感器上的测量孔串接入该电器供电回路；

所述电压传感器、电流传感器的输出信号接至ZIGBEE模块的AD通道。

5.根据权利要求4所述的分布式远程控制电器插座，其特征在于：所述电器插座单元还包括预留的测试端子；所述测试端子由电压传感器和电流传感器的输出信号端，以及地线对外引出端构成。

6.如权利要求1所述的分布式远程控制电器插座的用电管理方法，其特征在于包括以下做法：

(1)分布式远程控制电器插座中的主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信，通信采用直接通信和中继两种方式；

要求将主控器单元设置在家庭或办公场所的相对中心的位置；主控器单元通过ZIGBEE模块和总电量采集节点单元直接通信；根据主控器单元和电器插座单元的安放位置采取直接通信或者中继方式通信，当主控器单元与某房间的电器插座单元相隔两堵墙时，一般传输信号不太稳定，此时，采取中继方式通信，即通过空间位置位于该电器插座单元和主控器单元中间的另外一个电器插座单元中继通信；当主控器单元与某房间的电器插座单元只间隔一堵墙时采用直接通信方式；

(2)分布式远程控制电器插座可支持室内近距离和户外远程两种控制方式；

a.室内近距离控制：用户可以直接通过主控器单元的触摸液晶屏发送指令来控制各电器插座的通断；或者用手机通过WIFI模块与主控器单元通信控制；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

b.户外远程控制：主控器单元利用WIFI模块及家庭路由器实现与手机或者服务器间的远程通信；所有指令最终都需要通过ZIGBEE模块无线传输给总电量采集节点或者电器插座单元来执行；

c.主控器单元与总电量采集节点单元、电器插座单元之间采用ZIGBEE互相通信的目的是进行通断控制或传输电量数据；主控器单元根据用户指令通过ZIGBEE模块直接对总电量采集节点单元进行通断控制或接收电量数据；主控器单元根据指令通过ZIGBEE模块直接或以中继方式对电器插座单元进行通断控制或接收电量数据；

(3)总电量采集节点单元或电器插座单元的非用户指令数据格式规约

总电量采集节点单元和电器插座单元的非用户指令数据是指除用户通过触屏或者界面进行的控制通断及查看、传输数据指令外的数据，分别包括基本信息数据和实时信息数据；其中：

总电量采集节点单元基本信息数据包括房屋位置信息、房屋面积、朝向、户主姓名、户主ID号、额定容量、供电单位；

电器插座单元基本信息数据包括由房间号和插座ID号检索获得，具体包括电器名称、型号、出厂信息、初次使用时间、额定功率、房间信息；

总电量采集节点单元或电器插座单元的基本信息数据通过触摸液晶屏输入到主控器单元，一次性输入即可，只有新增电器时才需要重新输入；

总电量采集节点单元提供的实时信息数据包括时间、1分钟用电量、1小时累积用电量、累积总用电量；上述数据指的是3相的叠加总电量数据；

电器插座单元提供的实时信息数据包括房间编号、电器编号、时间、当前开关状态、当日累计使用时间、累积用电量、平均功率、平均功率最大值、平均功率最小值；

其中的实时信息数据的提供方式，按照10秒计算平均功率，按1分钟为周期统计计算平均功率最大值、平均功率最小值；每隔1小时发送1次数据，按照总电量采集节点和电器插座单元，插座按照编号次序进行发送；

(4)对原始数据进行统计、分析和管理

a.所述原始数据来自于总电量采集节点单元和电器插座单元，所述原始数据包括：各电器开关状态、各电器实时功率、各电器累计用电时间、各电器累计用电量、当前导通的电器总数及类型、总用电量；

统计的方法主要按照以下几个方面进行：按照房间或整个家庭或办公场所统计、按照电器统计、按照总电量统计；统计周期分别以分钟、一次完整工作周期、小时、日、周、月、季度、年为周期，此处的一次完整工作周期是指正常工作情况下的连续导通的最短时间，该最短时间可以采用初始设置最小限值和实际测试分析获得；

b.对用户的用电行为规律进行分析：

用户的用电行为规律主要是以日或周为周期的电器使用情况曲线图，具体描述就是某时刻开始使用某电器、一次使用某电器的累计时间和电量及是否超标、每日使用电器累计超标次数；该曲线的获得是通过对多组高相似度的日或周曲线获得；日曲线分析时通常将工作日和周末分开分析；为健康需要，可以根据与饮食起居的相关程度对电器进行划分，如电饭锅、热水器等属于高相关度的，其余相对低相关度，将高相关度的电器使用情况作为用户用电行为规律的一个重要因素进行分析；

c.对电器健康状态进行评价：

电器健康状态评价是通过统计各电器的使用频度和每次连续使用时间、平均功率、最大功率等数值，根据制造商提供的额定功率及连续使用时间判定是否超标等，采用以日为周期的平均值之间的变化率函数来评价其稳定性和性能衰退情况，结合使用寿命做出是处于健康或故障状态判断；

对于连续严重超标的电器，可发出报警信息，并且把超标时间段内的以分钟为单位的用电统计数据自动发送给对应电器制造商，并发出健康诊断请求；此时，对于具有远程网络控制功能的电器，制造商可以通过远程控制方式运行电器诊断程序，获取电器的健康状态基本数据；如果还是无法判定结果或者不具备网络控制功能的电器，可以采取入户通过预留测试端子获取电压电流原始数据的方式进一步分析判断；

d.基于用户用电行为规律及峰谷平信息进行用电管理

通过用户用电行为规律及峰谷平信息可以对用户的用电行为进行安全性、健康性、节能性评价，结合电网公司的峰谷平信息对用户的电器使用时间进行修正建议；

根据用户以周为周期评价的对某电器的一次连续使用时间或电量的超标次数，给用户发出报警信息提示用户修正使用方式，以免造成缩短电器使用寿命和安全隐患；

对于如前所述的与饮食起居高相关度的电器的日用电情况曲线图，如果每两个曲线之间的相似度都很低，说明用户的生活无规律，可以发出报警信息，作为对用户的健康进行提醒；

通过分析日用电总量和供电公司的基于峰谷平的日费用结算，获得每天的单位用电量的平均价格；然后根据用户的用电行为规律的电器使用时间表，在保证满足用电总量不变的前提下，以费用相对最低作为目标函数来调整低相关度的电器使用时间，从而达到即为用户节省费用，又保证电网安全；

上述的统计、分析和用电管理的计算任务相对复杂，可以由云端服务器来完成。