CN111220872A - 一种用电设备实时监测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用电设备实时监测的方法和系统，所述系统包括采集节点，与所述采集节点通信的服务器端以及访问控制终端，其中所述采集节点用于采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该实时数据值发送至所述服务器端；所述服务器端根据接收到的所述数据进行运算和模型比对，并将比对结果反馈给所述控制终端；所述终端根据比对结果，对所述用电设备下发工作模型参数指令，终端设备执行相应的指令操作。采用本申请提供的用电设备实时监测的方法和系统，可以适应不同环境下，解决现有用电设备的动态管理的问题。

Description

一种用电设备实时监测的方法和系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种用电设备实时监测的方法和系统。

背景技术

目前智能形式的电流电量监测是物联网在电力领域的主要应用之一，它以家庭、企业能源监控管理为主，利用先进的电力技术、通信技术和控制技术等实现针对用电设备的远程实时控制和数据统计，目前市场上已经出现了多种不同功能的智能监控系统，虽然实现了基本的电量的采集和远程开关控制，但是缺乏针对前端用电设备的信息的实时统计、分析、预测，和与之匹配的管控模型，从而大多是对设备信息的静态管理。

因此，亟待一种能解决上述问题的方案。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种用电设备实时监测的方法和系统。

第一方面本申请提供一种用电设备实时监测的系统，包括采集节点，与所述采集节点通信的服务器端以及访问控制终端，其中所述采集节点用于采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该用电数据发送至所述服务器端；

所述服务器端根据接收到的所述用电数据进行运算和模型比对，并将比对结果反馈给所述终端；

所述终端根据收到的指令，对所述用电设备进行相应的控制操作。

第二方面本申请提供一种用电设备实时监测的方法，应用于上述用电设备实时监测系统，包括：

所述采集节点采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该用电数据发送至所述服务器端；

所述服务器端根据接收到的所述用电数据进行运算和模型比对，并将比对结果反馈给所述终端；

所述终端根据比对结果，对所述用电设备进行相应的控制操作。

采用本申请提供的用电设备实时监测的方法和系统，可以适应不同环境下，解决现有用电设备的动态管理的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例所涉及的系统架构图；

图2为本申请实施例采集节点所涉及的结构图；

图3为本申请实施例蜂鸣器报警模块的具体实现电路；

图4为本申请实施例所涉及的方法流程图；

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围做出更为清楚明确的界定。

电流是用电设备重要的运行信息，通过电流检测的值能反映设备的运行状态。当前电流检测方法中，根据电流测量的原理差异，主要分为三类：电阻欧姆定律法、法拉第电磁感应法、磁场传感器法等。

本申请所涉及的用电设备实时监测系统能够采集到用电设备实时电流值，并将电流数据上传到管理平台上，管理员能够通过网络访问管理平台的Web应用程序前端显示页面查看各用电设备的运行状态。

(1)设备电流的采集

为了保证各用电设备采集数据的完整性和实时性，所设计的电流采集模块硬件电路需要有良好的抗干扰性、安全性、与MCU通讯方式方便，采集模块的传感器精度要高、采集频率要快、稳定性要好、测量范围要广。

(2)数据上传

为了能实现设备电流数据信息的上传，需通过网络将采集到的数据上传到管理平台的数据库中进行长期保存。

(3)远程设备管理

为了能有效展示用电设备运行状态，远程设备管理系统具有以下功能：

用户管理：权限相异的各级人员执行各自对应的操作，能实现创建账户、修改账户和删除账户等信息的管理。

日志管理：能记录设备详情信息且可选择性以表格形式导出，能直观显示每台设备运行状态的工作时长和利用率。

设备管理：有相应界面可直观显示设备当前运行状态且能查看每台设备详细信息。

实施例1：

请参阅图1，本申请涉及系统至少包括有采集节点和管理平台，其中管理平台是基于云服务器平台开发的应用，包括控制台服务程序、Web应用和数据库服务器。通过在用电设备的电源侧安装用电数据采集节点，获取设备工作电流等用电数据，控制器将电流数据分析处理后通过Wi-Fi等方式的通讯收发模块传输到管理平台(云服务器)。考虑到通讯收发模块和云服务器之间通讯距离可能较远，因此以路由作为桥梁，数据经过互联网实现跨地域远距离传输。当部署在云服务器中的控制台服务程序获取采集节点封装的设备电流数据信息时，包括而不限于设备ID、瞬时电流、电压、电量、波动、设备运行状态等，控制台服务程序会根据通信协议对上述信息进行数据解析，实现设备实时运行状态显示或短信预警通知，并将解析后的电流信息保存至数据库中，以便日后查询和统计。

进一步的，该系统还可以通过Wi-Fi、LoRa、NB-Iot、eMTC、5G、蓝牙、Zigbee等方式无线或者有线传输方式，对此并无具体限定。

本申请系统中Web应用采用多用户操作机制。用户可以通过计算机和手机中的浏览器和APP，不受时间和地域限制，随时查看用电设备的实时运行状态(包括设备实时数据、工作时长、正异常图形显示等)、用户管理和设备信息日志记录。

采集节点主要用于实现设备电流采集、数据信息的传输以及现场报警和数值显示。在采集节点设计中可采用CPU+Wi-Fi+计量芯片实现采集节点设计。采集节点的硬件设计部分可分为电源稳压电路、最小系统模块、电流采集模块、短路保护模块、数码管显示模块、蜂鸣器报警模块、通讯收发模块、状态显示灯模块等，如图2所示。

采集节点各模块的功能如下：

(1)电源稳压模块(供电模块)。电源稳压模块为采集节点中各模块提供工作所需的电压，使采集节点可以正常工作。

(2)最小系统模块，包括控制器和最小系统电路，包括有电源电路、晶振电路、复位电路、SWD调试接口电路、BOOT启动模式电路等以保证控制器正常工作。

(3)电流采集模块。电流采集模块用于采集电源侧用电设备的交流电流值，将电流值模拟量转化为数字量输出。

(4)短路保护模块提供所述采集节点中各模块短路异常的保护断电修复机制；

(5)数码管显示模块。显示设备当前电流值，工作人员可以查看设备当前实时运行数值。

(6)蜂鸣器报警模块。当前值超过设定阈值时，实时蜂鸣器报警提醒，可选的，本系统中蜂鸣器报警模块具体结构如图3所示。

(7)通讯收发模块。连接各个电流采集模块与管理平台的纽带。采集节点电路工作过程如下：电源稳压模块主要作用是将电源侧220V电压转化为5V直流电源，根据需求需进一步将5V DC(直流)电源转化为3.3V DC电源。微控制器从电源稳压模块获得稳定的工作电压，程序开始正常工作，对采集节点的各个模块进行初始化，控制器通过串口与通讯收发模块进行数据通讯，具体可通过Wi-Fi、LoRa、NB-Iot、eMTC、5G、蓝牙、Zigbee等方式无线或者有线方式输出。

(8)状态显示灯模块用于显示设备运行状态，如系统正常，搜索网络、网络在线、网络断线、关机等状态。

可选的，上述采集节点可智能执行边缘计算模式+云端模式的切换，从而实现通过云端和APP可以编辑下发时间计划和安全计划。

所述采集节点网络异常导致无法与服务器端通讯时，尝试连接备用云获取服务器清单，当设备与互联网彻底隔绝时，终端设备定期尝试连接默认初始网络，在设定时间周期内与默认网络连接失败时，恢复尝试连接曾成功通讯过的网络。所述采集节点网络异常导致离线时，执行边缘计算，执行原有设定的时间计划和安全计划。

所述控制终端网络异常导致无法与服务器端通讯时，尝试连接备用云获取服务器清单，当设备与互联网彻底隔绝时，控制终端设备定期尝试连接默认初始网络，在设定时间周期内与默认网络连接失败时，恢复尝试连接曾成功通讯过的网络。

实施例2：

本申请系统电流采集模块实现对设备电流的采集，电源稳压模块主要作用是为控制器以及外围电路提供稳定可靠的直流电源。控制器为采集节点的核心，负责系统的测量、通讯及处理功能，可选的，选用联盛德生产的W600微控制器，芯片内置Cortex-M3 CPU处理器和Flash，集成射频收发前端RF Transceiver，CMOS PA功率放大器，基带处理器/媒体访问控制，能满足网页配网数据存储需求，集成288KB数据存储器和集成1MB Flash能够满足监测实时性的性能要求，拥有集成2个UART接口和集成GPIO控制器能满足采集节点串口个数需求，具有丰富的外设资源能满足各种功能需求。

电流采集模块实现对设备电流采集。采样电阻使用锰铜电阻(具有成本低、精度高、温度等优点)实现对电源侧设备交流电信号的采样。可选的，采用的芯片主要是上海贝岭的BL0903计量芯片，其主要作用是将获取的电流信号通过芯片内部的ADC和串口的转换，将电流值模拟量转化为数字量输出。BL0903以4800bps固定频率工作的串口与MCU通信，发送数据的间隔时间是50ms，含有两个串口引脚，TX引脚用于从BL0903传输数据，数据首先以低位(LSB)优先发送，RX引脚主要从控制器接收数据。BL0903的数据格式：起始位+数据位(8Bit)+偶校验位(Even)+停止位。

进一步的，由于BL0903计量芯片中串口以50ms/次发送数据到MCU，如果MCU直接将电流相关信息通过Wi-Fi收发模块传输到管理平台上，将会导致因数据量过大使服务器中数据库无法容纳而出现内存溢出。为此在传输到服务器的电流数据既要反应当前设备的实时运行状况，又要能减少服务器的负担，因此需要对采集到的电流进行一定的计算处理策略再通过Wi-Fi收发模块上传到管理平台。考虑到不同设备启动电流是设备最主要的用电特征之一，故从设备从电流变化开始加大采集频率，稳定工作后，计算发送采集到的电流数据。生成的当前数据以三种不同频率上传:当电流值在额定电流值的一定范围内(1.2倍内)波动时，数据以一定频率500ms/次，3s/次上传到服务器；当电流值在额定电流值的一定范围内(1.2倍～2倍)波动时，数据以较快频率300ms/次，Wi-Fi上传频率为1s/次；当电流值超过额定电流值(2倍)时，数据以更快频率为100ms/次，上传为500ms/次。因此针对不同设备阈值设定是通过在采集节点驱动程序中使用设备功率除额定电压，根据当前值与阈值结果比较，得出监测频率，从而实现数据上传到管理平台。

本系统采集节点与管理平台控制台服务程序通信需要制定通信协议保证数据发送和接收正确。通信协议中主要封装数据为设备当前电流值、所处的监测点、设备ID、监测类别、运行参数和校验位等。通信协议中设备电流字段为1Byte长度，用于显示设备当前电流值；场所号字段为2Byte长度，用于指示设备所在的场所；设备号字段为2Byte长度，每个被监测的设备号彼此不同；设备状态字段用来标识设备的运行状态，包括关机、正常、二级预警、一级预警，其分别用0、1、2、3表示，占用1Byte；校验位字段采用校验和的方式对数据包进行运算，用来确保数据传输的准确。

设备是按照每11个字节为一个命令，一次发送可以有多条命令，具体说明如下：

前四个字节为设备编号，第五个字节为命令类型，第六个字节为监测类型,第七和八字节为命令数值，第九个字节为前八个字节的和校验。

设置以下规则：

字段含义	设备ID	命令类型	监测类型	数值	数值	状态	校验
								长度	4	4	4	4	4	2	2

命令类型目前共有11种：

实施例3：

本申请实施例还提供了一种用电设备实时监测的方法，如图4所示，具体包括有以下步骤：

S401:采集节点采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该用电数据发送至所述服务器端；

S402：所述服务器端根据接收到的所述用电数据进行运算和模型比对，并将比对结果指令反馈给所述控制终端；

S403:所述控制终端根据指令，对所述用电设备进行相应的控制操作。

下面针对各步骤进行具体的说明，本领域技术人员可以理解的是，下面说明仅是优选实施例，并不构成对其限定。

S401中，采集节点按照预设频率周期或根据用户的实时指令进行实时电流值的采集，当用电数值平稳变化量小的时候，按照设定频率模型汇报，当数值变化后，增加采样频率和汇报频率，将数值转变为数字量后发送至服务器端。

进一步的，也可以在电流值超过预设安全阈值时，对用电设备进行实时采样，以确保用电设备的安全使用。

采集节点可以采用分布式对于不同区域的用电设备进行电流值采集。

在S402中，服务器端预先存储有用电设备与各自对应的标准用电数据模型，该表的维护可通过用电设备接入时自动加入，也可在管理平台进行手动更新维护，保证当前接入的用电设备均有对应关系，即设备名称、设备ID、瞬时电流、电压、电量、波动、用电曲线等用电数据模型。

进一步的，上述数据的处理过程既可以集中式也可以在分布式处理，也避免数据量较大而导致处理的不及时，此外，通讯方式既可以采用有线网络，还可以通过无线如Wi-Fi、LoRa、NB-Iot、eMTC、5G、蓝牙、Zigbee等传输方式。

在S403中，控制终端接收到服务器端比对结果的相关数据后，当所述用电设备运行正常时，控制所述数码管显示模块显示绿灯；当所述用电设备搜寻网络时，控制所述数码管显示模块显示闪烁绿灯；当所述网络连接成功时，控制所述数码管显示模块显示正常绿灯；当所述用电设备运行异常时，控制所述数码管显示模块显示红灯，并控制所述蜂鸣器报警模块报警。

进一步的，在风险提醒时还可以采用报警短信通知功能，但可能通知不及时导致设备故障损坏甚至出现安全隐患等事故，因此在采集节点中增加继电器，当用电设备长时间出现运行异常状态下，通过继电器来切断电源，以避免设备出现安全隐患。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种用电设备实时监测的系统，包括采集节点，与所述采集节点通信的服务器端以及访问控制终端，其中所述采集节点用于采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该用电数据发送至所述服务器端；

所述服务器端根据接收到的所述用电数据进行运算和模型比对，并将比对结果反馈给所述管理平台，并且将控制指令发送给所述终端；

所述终端根据指令，对所述用电设备进行相应的控制操作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集节点用于采集电源侧所述用电设备的实时数据具体包括以下的一种或多种：瞬时电流、电压、电量、波动、用电曲线。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集节点包括电流采集模块，所述电流采集模块用于采集所述用电设备的交流电流值，并将电流值转变为数字量输出。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述采集节点还包括电源稳压电路、短路保护模块、通讯收发模块、数码管显示模块、状态显示灯模块、蜂鸣器报警模块，其中：

所述电源稳压模块提供所述采集节点中各模块提供工作所需的电压；

所述短路保护模块提供所述采集节点中各模块短路异常的保护断电修复机制；

所述通讯收发模块提供所述采集节点各模块间的数据通讯；

所述数码管显示模块用于显示所采集的所述用电设备当前状态值；

所述状态显示灯模块用于显示设备运行状态；

所述蜂鸣器报警模块用于在当前电流值超过设定阈值时实现蜂鸣器报警。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集节点用于采集电源侧所述用电设备的实时用电数据具体包括：

当采样的所述用电数据值无变化时，按照设定采样频率和汇报频率采集，当采样的所述用电数据值变化时，提高数据采样频率和汇报频率。

6.如权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，所述服务器端根据接收到的所述实时数据进行运算和模型比对具体包括：

所述服务器端预先存储标准用电设备的参数值和用电模型曲线图；

根据接收到的所述用电数据与数据库中的用电模型曲线图进行比对；

当存在对应的所述用电模型时，返回所述用电设备的相关信息。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述用电设备的相关信息包括以下的一种或多种：设备名称、设备ID、瞬时电流、电压、电量、波动、用电曲线。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述对所述用电设备进行相应的控制操作具体包括：

当所述用电设备运行正常时，控制所述数码管显示模块显示绿灯；

当所述用电设备搜寻网络时，控制所述数码管显示模块显示闪烁绿灯；

当所述网络连接成功时，控制所述数码管显示模块显示正常绿灯；

当所述用电设备运行异常时，控制所述数码管显示模块显示红灯，并控制所述蜂鸣器报警模块报警。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述采集节点还包括有继电器，当所述用电设备运行异常且超过预设时间时，所述继电器切断所述用电设备电源。

10.一种用电设备实时监测的方法，应用于权利要求1-9任一所述的系统，包括：

所述采集节点采集电源侧所述用电设备的实时用电数据，并将该用电数据发送至所述服务器端；

所述服务器端根据接收到的所述用电数据进行运算和模型比对，并将比对结果反馈给所述终端；

所述终端根据比对结果，对所述用电设备进行相应的控制操作。

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