CN109495355A

CN109495355A - 智慧家庭能源路由器

Info

Publication number: CN109495355A
Application number: CN201811360791.3A
Authority: CN
Inventors: 马瑞; 邱小洪; 颜宏文
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2019-03-19

Abstract

本发明公开了一种智慧家庭能源路由器。该发明响应了能源互联网领域的发展要求，在用户端提升用户的用能体验。该智慧家庭能源路由器具备用户用能信息存储和传输、用能负荷辨识、用能安全性监测、信息优化等功能，并将用能信息和用能建议通过无线通信装置上传到物联网信息推送云平台，操作人员使用相关软件把用户想要的信息反馈到用户的微信小程序里，供用户实时查看，增强用户与家庭用能信息的交互。在掌握了各设备详细用能的情况下，可以随时进行设备用能安全性监测。根据用能信息和实时能源价格，进行多能互补分析，让用户用能体验更具经济性和安全性，使各类能源利用更高效。

Description

智慧家庭能源路由器

技术领域

本发明涉及能源互联网、智能仪表领域，具体涉及一种智慧家庭能源路由器。

背景技术

传统的家庭用能管理方式单一、低效、缺乏互动性。现今使用的电表和天然气表提供给居民的信息也非常有限，使得居民对能源的消费构成没有清楚的认识，不能获取精确的用能信息以及一套科学合理的用能方案。大多数居民只能根据用能经验来定性的管理家庭用能，未能做到多能互补，缺乏用能的科学性和合理性。

当前使用的智能表只能对一种能源用量数据进行量测，不能一表多用；对用能设备进行识别也大多采用侵入式测量方法，需要采购大量硬件设备，安装维护都不方便；识别用能信息后不能和用户进行实时用能信息交互，失去了用能信息的潜在价值；对于异常用能的情况没有好的处理办法，使得居民家庭用能的安全性得不到更好的保障，造成居民用户不能高效用能、节能，造成能源利用的性价比不高。

发明内容

针对现今居民对家庭用能情况的不了解，本发明介绍了一种能让居民实时掌握家庭用能情况的智慧家庭能源路由器。其功能表现在：每个用能设备的用能信息提取采用基于特征相似度的非侵入式测量识别方法，解决了现有测量表计需要在每个用能设备和插座之间安装中间监测装置的问题；对不正常的家庭用能情况进行反馈，增强了用能的安全性；利用数据优化模块进行用能特征曲线优化，进行多能互补分析，给出用能建议；通过网络通信技术把用能信息及用能建议反馈给用户，做到能源高效利用。

所述智慧家庭能源路由器由硬件部分和软件部分组成。

所述的硬件部分由中央控制器、电源模块、液晶显示模块、信息采集与识别模块、安全监测模块、存储模块、阀门控制模块以及多种通信模块和接口组成，软件部分为专门的封装优化模块和物联网信息推送云平台。

所述的硬件部分的信息采集与识别模块能采集家庭用能设备的用能信息，并对每种用能设备进行用能识别。对于每个家庭用能设备的用能信息，采用基于特征相似度的非侵入式测量识别方法进行辨识。

所述的具备用能信息存储功能的存储模块采用AT24C02芯片。

所述的硬件部分有安全检测模块，采用AT89C51单片机，它判断用能设备是否处于异常用能状态。

所述的阀门控制模块配合安全监测模块运作，接收不正常用能信息，发出电信号给执行元件进行保护动作，控制能源供给。

所述的阀门控制模块由光电耦合驱动器MOC3041和双向晶闸管组成。

所述的封装优化模块将存储好的特征用能曲线进行优化分析，得到更加精确的用能数据，结合用能设备的用能详情和实时能源价格，给出用能建议，做到电和气的互补利用，让能源的利用性价比更高。

所述的多种通信模块及相关通信协议，采用WIFI作为嵌入式通信芯片，利用 TCP/IP协议将设备接入互联网。

所述的物联网信息推送云平台接收来自WIFI通信模块通过相关协议发送的用能信息，工作人员在云平台上结合优化模块给出的精确用能信息和用能建议，对用户进行信息的推送。

本发明的有益效果是，所有家庭用电、用气设备的详细用能情况都能被详细反映到用户眼前。首先采用基于特征相似度的非侵入式用能识别方法，大量减少硬件设备，避免金钱的浪费。路由器通过识别的用能信息，进行设备用能安全性监测，增强用能的安全性。并建立每种用能设备的用能特征曲线，将用能特征曲线和能源价格等因素相结合，进行多能互补分析。可通过相应的软件给用户反馈用能建议，最终使各种能源得到更高效利用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明中智慧家庭能源路由器的运作流程图

具体实施方式

本发明介绍了一种能让居民实时掌握家庭用能情况的智慧家庭能源路由器。

智慧家庭能源路由器由硬件部分和软件部分组成，硬件部分负责数据测量、用能识别、路由器运行、用能监控、用能信息存储、信息传输等，软件部分负责用能特征曲线优化处理、用能数据分析、用能信息推送。

其中硬件部分由中央控制器、电源模块、液晶显示模块、信息采集与识别模块、安全监测模块、存储模块、阀门控制模块以及多种通信模块和接口组成，软件部分为专门的封装优化模块和物联网信息推送云平台。

硬件部分的信息采集与识别模块能采集家庭用能设备的用能信息，并对用能设备进行用能识别。我们采用基于特征相似度的非侵入式测量识别方法，其过程如下：

步骤一采用非侵入式测量方式分别监测每种用能设备的用能参数。

步骤二定义用于识别的暂、稳态特征，创建特征库，建立识别模型。

步骤三实时监测某一用户的用能负荷，记录相关用能参数。

步骤四依次取一段周期波形，计算特征参数的值，将其作为模型输入，根据模型输出识别用能设备，其中用电数据的采集周期远小于用气数据的采集周期。

具体的，对每一种用能设备进行监测时，分别采集它们的用能参数信息，采集过程如下：

在电力总进线端安装硬件设施测量家庭中每种用电设备单独使用时的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数角、电流谐波畸变率和电流奇次谐波相对基波相位差。

在天然气总进气端安装硬件，测量每种家用天然气设备的天然气实时使用量。

采集参数之后，我们从所述用能参数中提取稳态特征与暂态特征，并建立标准特征库，其过程如下：

将实时采集的用能参数信息用电信号波形的形式收集起来，对用能设备的用能波形采用基于分段直方图的信号序列处理方法：

1)记录每种用能设备用能波形，将提取到的波形存储为时间序列形式，记为

S_i＝{(t_o,x₀),(t₁,x₁),...,(t_n,x_n)}

2)将时间序列S_i的时间区间[t₀,t_n]分为m段

S_i＝{S₁，S₂，…，S_m}

其中，由于电的暂态过程发生时间很短，用电波形处理时间区间远远小于用气的波形处理时间区间。

3)分段做直方图统计。

4)将统计数据作为标准特征库存入相关工作模块。

取一个周期的波形，判断该周期的暂态起始点并识别该波形对应的用能负荷状态是稳态还是暂态，接着分别计算稳态和暂态的特征值，作为模型的输入。步骤如下：

步骤1以标准特征库中波形最长的用能设备的监测时间长度的2倍为一个周期，分别记录第i个周期与第i+1个周期的最大能耗，并计算这两者之间的差值。

步骤2依次记录该周期中第j个采样时间点与第j+1个采样时间点的瞬时能耗，并计算这两者之间的差值。

步骤3从开起时间点开始，将每两个时间点之间的能耗差值记录在一个序列中，若差值的大小接近0，则判断该子序列对应的时间段中用能情况处于稳态，该子序列中第一个元素对应的时间点为稳态起始点，最后一个元素对应的时间点为稳态结束点。

步骤4根据提取到的暂态波形序列长度。当序列长度在规定的采样点内时，判断该用电设备属于关闭状态，否则属于打开状态。

步骤5据以上步骤可以提取出每个取样周期的稳态段与暂态段，再分别计算稳态特征值和暂态特征值。

结合稳态相似度与暂态相似度，建立用能负荷识别模型。模型输入为提取到的暂态波形和稳态波形，稳态波形通过稳态特征指标计算，转化为稳态特征，暂态波形通过分段直方图转化为暂态特征。

其中稳态特征相似度、暂态特征相似度计算如下：

其中，X_i是稳态特征，Y_i是暂态特征。

分析待检测用能设备与特征库中用能设备的相似度R，根据计算结果R，输出综合相似度最高的用电设备索引及其相似度，其中

采用AT24C02芯片作为具备用能信息存储功能的存储模块，将采集到的用能信息做持久化存储，并且可通过相关网络协议随时调取已存储的用能信息，以用能特征曲线的形式呈现在物联网云平台。其中用能特征曲线记录了用能设备实时用能情况以及每时、每日、每月、每年的累计用能情况。

采用AT89C51单片机作为硬件部分的安全检测模块，它通过将标准特征库中标准参数和实时用能信息的特征参数进行比对，判断用能设备是否处于异常用能状态。若是实时用能信息出现异常，则会显示光报警，提醒用户对相应用能设备进行停用检修。

阀门控制模块配合安全监测模块运作，当AT89C51单片机送出不正常用能信号时，阀门控制模块接收不正常用能信息，发出电信号给执行元件进行保护动作，控制能源供给。

其中阀门控制模块由光电耦合驱动器MOC3041和双向晶闸管组成。光电耦合驱动器是将单片机系统与双向晶闸管电路隔开，避免干扰信号影响单片机正常运行，双向晶闸管相当于一个固态触点，控制电机开关，从而控制能源供给。

封装优化模块将存储好的特征用能曲线进行优化分析，得到更加精确的用能数据，结合用能设备的用能详情和实时能源价格，给出用能建议，做到电和气的互补利用，让能源的利用性价比更高。

对于多种通信模块及相关通信协议，我们采用WIFI作为嵌入式通信芯片，利用TCP/IP协议将设备接入互联网。

最后，物联网信息推送云平台接收来自WIFI通信模块通过相关协议发送的用能信息，工作人员在云平台上结合优化模块给出的精确用能信息和用能建议，对用户进行信息的推送。其中用能信息中包含每个用能设备分年、月、日累计耗能情况、实时耗能情况、用能的起始时间与停止时间、异常用电记录以及用能建议等。

以上实施方案仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种智慧家庭能源路由器，其特征在于，所述智慧家庭能源路由器由硬件部分和软件部分组成，硬件部分负责数据测量、用能识别、路由器运行、用能监控、用能信息存储、信息传输等，软件部分负责用能数据分析、优化处理、信息推送。

2.根据权利要求1所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述的硬件部分由中央控制器、电源模块、液晶显示模块、信息采集与识别模块、安全监测模块、存储模块、阀门控制模块以及多种通信模块和接口组成，软件部分为专门的封装优化模块和物联网信息推送云平台。

3.根据权利要求1所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于硬件部分的信息采集与识别模块能采集家庭用能设备的用能信息，并对用能设备进行用能识别。

4.根据权利要求3所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述采集家庭用能设备的用能信息并对用能设备进行用能识别，采用基于特征相似度的非侵入式测量识别方法，其过程如下：

步骤一采用非侵入式测量方式分别监测每种用能设备的用能参数；

步骤二定义用于识别的特征，创建特征库，建立识别模型；

步骤三实时监测某一用户的用能负荷，记录相关用能参数；

步骤四依次取一段周期波形，计算特征参数的值，将其作为模型输入，根据模型输出识别用能设备。

5.根据权利要求1、2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述具备用能信息存储功能的存储模块采用AT24C02芯片，它将采集到的用能信息做持久化存储，并且可通过相关网络协议随时调取已存储的用能信息，以用能特征曲线的形式呈现在物联网云平台；其中用能特征曲线记录了用能设备实时用能情况以及每时、每日、每月、每年的累计用能情况。

6.根据权利要求2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述的硬件部分有安全检测模块，采用AT89C51单片机，它通过将标准特征库中标准参数和实时用能信息的特征参数进行比对，判断用能设备是否处于异常用能状态。

7.根据权利要求2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述的阀门控制模块配合安全监测模块运作，阀门控制模块由光电耦合驱动器MOC3041和双向晶闸管组成；当安全监测模块送出不正常用能信号时，阀门控制模块接收不正常用能信息，发出电信号给执行元件进行保护动作，控制能源供给。

8.根据权利要求2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述封装优化模块将存储好的用能特征曲线进行优化分析，结合用能设备的用能详情和实时能源价格，给出用能建议，做到电和气的互补利用。

9.根据权利要求2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述多种通信模块及相关通信协议，采用WIFI作为嵌入式通信芯片，利用TCP/IP协议将设备接入互联网。

10.根据权利要求2所述的智慧家庭能源路由器，其特征在于所述物联网信息推送云平台接收来自WIFI通信模块通过相关协议发送的用能信息，工作人员在云平台上结合优化模块给出的精确用能信息和用能建议，对用户进行用能信息推送。