CN113485187B - 一种室内能耗浪费监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于物联网监测领域，涉及一种室内能耗浪费监测系统及其监测方法，具体包含三个部分：（1）室内能耗浪费监测系统架构：可对室内是否有人、电器是否在运行进行监测，并将监测数据传输至服务器进行分析；（2）低功耗室内人员检测：对房间内是否有人实现低功耗、高精度的检测；（3）非侵入式电器运行状态监测：通过室内外温度和光照强度的对比分析，判断室内供暖/制冷系统和照明系统运行情况。本发明所设计的系统节点能耗低、方便部署、不对室内人员造成干扰，可以在大量房间部署节点实现每个房间能耗浪费情况的监测，为建筑物节能减排提供方案支持。
Description
技术领域
本发明属于物联网监测领域，具体涉及一种部署方便的室内能耗浪费监测系统及方法，主要用于解决室内无人时额外能量损耗的问题。
背景技术
能耗浪费在商业建筑中很常见。在很多情况下，即使该区域没有人员，照明、供暖/制冷和通风系统仍保持打开状态，这大大造成了不必要的能源开销。因此，节约能源同时又不影响建筑物中不同室内场景居住者的活动是一项具有挑战性的目标。
目前已经提出了许多用于室内场景人员检测的方法，包括基于各种视频/图像的方法，基于传感器的方法和机器学习算法。这些方法依赖于特定的环境设置和详细的参数调整，此外，它们呈现出各种缺点，例如用户的安全隐私问题。采用机器学习的方法通常带来较高的计算成本，而云计算的方式也会有较高的通信成本。因此它们不适用于计算和通信能力有限的嵌入式终端。关于电器的状态监视，一种是直接感测，将传感器置于电流路径中以监测功率。另一种是收集智能电表数据的间接感测。由于部署用于直接感测的建筑物电线以及智能电表的配电板会导致高昂的安装成本，因此这两种方法都难以普及。另外一种方案是利用环境信息来监测设备的运行状态。但是需要以相对较高的频率（4Hz）对光照强度进行采样，这会导致设备较短的电池寿命。因此，在实际中能量损耗监测解决方案应该具有无干扰、方便部署、较长电池寿命以及满足大量节点监测的特点。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中提及的问题，提供一种部署方便的室内能耗浪费监测系统及方法，可实现同时对大量室内场景能量损耗的监测。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种室内能耗浪费监测系统，其中：包括室内能耗浪费监测系统架构、低功耗室内人员检测模块以及非侵入电器运行状态监测模块，其中，室内能耗浪费监测系统架构包括主控芯片，所述的主控芯片集成了红外运动感测器、红外阵列传感器、环境光传感器和温度传感器信号处理模块，支持窄带物联网无线通信；低功耗室内人员检测模块包括红外运动感测器和红外阵列传感器，所述的红外运动感测器和红外阵列传感器安装在室内场景，用于判断室内场景有无人员，红外运动感测器和红外阵列传感器与主控芯片信号连接，非侵入电器运行状态监测模块包括安装在室内场景的温度传感器和环境光传感器以及安装在室外场景的温度传感器和环境光传感器，所述的温度传感器和环境光传感器均与主控芯片信号连接。
本发明的进一步的优化方案为：
上述的主控芯片为STM32F401RE微控制器单元，STM32F401RE微控制器单元通过
总线与红外阵列传感器连接，STM32F401RE微控制器单元通过数字信号输入线连接红外运动感测器。
上述的环境光传感器为VEML7700高精度环境光传感器，所述的温度传感器为Si7021温度传感器。
上述的STM32F401RE微控制器单元通过串行接口连接NB-IoT模组实现信息交互，NB-IoT模组连接基站将各传感器的数据信息发送到云服务器。
由2节3.7V、7400mWh电池为主控芯片、各传感器以及通信模组供电。
一种室内能耗浪费监测系统的检测方法，包括如下步骤：
1)低功耗室内人员检测：
由实时时钟控制节点周期性自启动；
由红外运动感测器检测室内是否有人员活动，检测到人员活动时，触发红外运动感测器PIR中断并记录PIR状态，随后进入休眠态；
室内有人员活动或可能存在非活动人员情况时，开启红外阵列传感器收集室内热图像；
采用卡尔曼滤波器去除低分辨率热图像噪声，计算热图像温度梯度，同时对图像温度分布统计分析，判断室内有无人员；
上个周期内红外阵列传感器未检测出人员，且当前周期红外运动感测器未检测到人员活动，则可以判定室内无人状态，此时节点进入休眠，直至下一次检测到人员活动；
2）非侵入电器运行状态监测：
由温度传感器和环境光传感器收集室内外温度和光照强度；
对同一时间室内外温度和光照强度水平随时间的变化情况对比分析，若室内环境水平波动存在明显异于室外情况，则可以判定室内场景供暖/制冷系统或照明系统正在工作。
低功耗室内人员检测具体如下：
S1：节点大部分时间处于休眠状态，休眠状态下只有实时时钟RTC和红外运动感测器PIR Motion保持运行，RTC每隔15分钟触发启动一次节点采集数据，节点每隔30分钟向服务器发送一次存储在内存的感知数据，采集或发送完数据后立刻进入休眠状态；当PIR检测到人员活动时开始计时，若之后的15分钟内未检测到人员活动，则开启红外阵列传感器一次，依据红外阵列传感器的检测结果判断室内是否有人，若PIR持续检测到人员活动，则判断为室内一直有人；
S2：由于红外阵列传感器采集数据是低分辨率的热图像，因此需要进一步的处理来判断图像中是否有人员信息，采用卡尔曼滤波器去除低分辨率热图像的噪声，根据公式
计算温度变化率RoC，即每个像素的温度梯度，人体产生的代谢热量与人体累计热量散失之间的差异会导致体温的变化，尽管周围温度变化很大，但是人体可以将其体温调节在大约1℃的范围内，计算每个像素的温度梯度，将得到的温度阈值应用于感兴趣的像素，以此判断热图像中是否有人员信息。
非侵入电器运行状态监测具体如下：
S1：在室内和室外各放一个节点，同时采集室内和室外的温度和光照强度，采用15分钟间隔的低采样率；
S2：评估分析温度变化：在15分钟的间隔内，外部环境温度趋于在小于1℃的范围内逐渐变化，即使短时间内大于1℃，这些变化对短时间内室温变化的影响也可忽略不计，由于人工辅助供暖/制冷而导致的室温变化要比外部环境温度导致的室温变化快得多，因此，同一时间内对比室温与室外环境温度的变化情况，如果室温的波动水平与室外环境温度的变化不一致，则可以根据此时室温水平的升高/下降幅度是否大于1℃判断室内供暖或制冷系统的运行情况；
S3：评估分析光线强度变化：在15分钟的间隔内，如果室内环境光的强度增加幅度大于室外环境光的强度增加幅度，或者室内环境光的强度增加幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备开始工作，如果室内环境光的强度减小幅度大于室外环境光的强度减小幅度，或者室内环境光的强度减小幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备停止工作。
本发明的有益效果是：设计了一种室内能耗浪费监测系统及其监测方法，系统采用具有高效的省电模式的主控芯片，多传感器结合应用以及采用新兴的具有低功耗、支持海量连接特点的窄带物联网无线通信技术。对房间内是否有人实现低功耗、高精度的检测。通过室内外温度和光线强度水平的对比，评估室内场景环境水平的变化，判断室内场景供暖/制冷系统和照明系统的工作情况。以此实现了对室内能量损耗情况的准确评估。本发明所设计的系统节点能耗低、方便部署、不对室内人员造成干扰，可以在大量房间部署节点实现每个房间能耗浪费情况的监测，为建筑物节能减排提供方案支持。
附图说明
图1为本发明室内能耗浪费监测系统的节点工作流程图。
图2为室内能耗浪费监测系统架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示的一种室内能耗浪费监测系统的主要思想为：将系统划分为两个模块：低功耗室内人员检测模块和非侵入电器运行状态监测模块。低功耗室内人员检测模块包括红外运动感测器和红外阵列传感器，所述的红外运动感测器和红外阵列传感器安装在室内场景，用于判断室内场景有无人员，红外运动感测器和红外阵列传感器与主控芯片信号连接，非侵入状态监测模块包括安装在室内场景的温度传感器和环境光传感器以及安装在室外场景的温度传感器和环境光传感器，所述的温度传感器和环境光传感器均与主控芯片信号连接。
如图2所示的室内能耗浪费监测系统架构设计主要思想为：室内能耗浪费监测系统架构包括主控芯片，所述的主控芯片集成了红外运动感测器、红外阵列传感器、环境光传感器和温度传感器信号处理模块，支持窄带物联网无线通信；
室内能耗浪费监测系统架构设计的具体步骤是：
1）主控芯片为STM32F401RE微控制器单元，STM32F401RE微控制器单元通过
总线与红外阵列传感器连接，STM32F401RE微控制器单元通过数字信号输入线连接红外运动感测器。
2）环境光传感器为VEML7700高精度环境光传感器，温度传感器为Si7021温度传感器。STM32F401RE微控制器单元通过
总线与两者连接。
3）STM32F401RE微控制器单元通过串行接口连接NB-IoT模组实现信息交互，NB-IoT模组连接基站将各传感器的数据信息发送到云服务器。
4）由2节3.7V、7400mWh电池为主控芯片、各传感器以及通信模组供电。
低功耗室内人员检测的具体步骤是：
1）节点大部分时间处于休眠状态，休眠状态下只有实时时钟（RTC）和红外运动感测器PIR Motion保持运行。RTC每隔15分钟触发启动一次节点采集数据，节点每隔30分钟向服务器发送一次存储在内存的感知数据，采集或发送完数据后立刻进入休眠状态；当PIR检测到人员活动时开始计时，若之后的30分钟内未检测到人员活动，则开启红外阵列传感器一次，依据红外阵列传感器的检测结果判断室内是否有人，若PIR持续检测到人员活动，则判断为室内一直有人；
2）由于红外阵列传感器采集数据是低分辨率的热图像，因此需要进一步的处理来判断图像中是否有人员信息，采用卡尔曼滤波器去除低分辨率热图像的噪声，根据公式
计算温度变化率RoC，即每个像素的温度梯度，人体产生的代谢热量与人体累计热量散失之间的差异会导致体温的变化，尽管周围温度变化很大，但是人体可以将其体温调节在大约1℃的范围内，计算每个像素的温度梯度，将得到的温度阈值应用于感兴趣的像素，以此判断热图像中是否有人员信息。
非侵入电器运行状态监测的具体步骤是：
1）在室内和室外各放一个节点（同一片区域只需一个室外节点），同时采集室内和室外的温度和光照强度，采用15分钟间隔的低采样率。
2）评估分析温度变化：在15分钟的间隔内，外部环境温度趋于在小于1℃的范围内逐渐变化。即使短时间内大于1℃，这些变化对短时间内室温变化的影响也可忽略不计。由于人工辅助供暖/制冷而导致的室温变化要比外部环境温度导致的室温变化快得多。因此，同一时间内对比室温与室外环境温度的变化情况，如果室温的波动水平与室外环境温度的变化不一致，则可以根据此时室温水平的升高/下降幅度是否大于1℃判断室内场景供暖或制冷系统的运行情况。
3）评估分析光线强度变化：如果室内环境光的强度增加幅度大于室外环境光的强度增加幅度，或者室内环境光的强度增加幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备开始工作，如果室内环境光的强度减小幅度大于室外环境光的强度减小幅度，或者室内环境光的强度减小幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备停止工作。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种室内能耗浪费监测方法，应用室内能耗浪费监测系统，其特征是：包括室内能耗浪费监测系统架构、低功耗室内人员检测模块以及非侵入电器运行状态监测模块，其中，室内能耗浪费监测系统架构包括主控芯片，所述的主控芯片集成了红外运动感测器、红外阵列传感器、环境光传感器和温度传感器信号处理模块，支持窄带物联网无线通信；低功耗室内人员检测模块包括红外运动感测器和红外阵列传感器，所述的红外运动感测器和红外阵列传感器安装在室内场景，用于判断室内场景有无人员，红外运动感测器和红外阵列传感器与主控芯片信号连接，非侵入电器运行状态监测模块包括安装在室内场景的温度传感器和环境光传感器以及安装在室外场景的温度传感器和环境光传感器，所述的温度传感器和环境光传感器均与主控芯片信号连接；监测方法具体包括：
所述低功耗室内人员检测具体如下：
S1：节点大部分时间处于休眠状态，休眠状态下只有实时时钟RTC和红外运动感测器PIR Motion保持运行，RTC每隔15分钟触发启动一次节点采集数据，节点每隔30分钟向服务器发送一次存储在内存的感知数据，采集或发送完数据后立刻进入休眠状态；当PIR检测到人员活动时开始计时，若之后的15分钟内未检测到人员活动，则开启红外阵列传感器一次，依据红外阵列传感器的检测结果判断室内是否有人，若PIR持续检测到人员活动，则判断为室内一直有人；
S2：由于红外阵列传感器采集数据是低分辨率的热图像，因此需要进一步的处理来判断图像中是否有人员信息，采用卡尔曼滤波器去除低分辨率热图像的噪声，根据公式
,计算温度变化率RoC，即每个像素的温度梯度，人体产生的代谢热量与人体累计热量散失之间的差异会导致体温的变化，尽管周围温度变化很大，但是人体可以将其体温调节在1℃的范围内，计算每个像素的温度梯度，将得到的温度阈值应用于感兴趣的像素，以此判断热图像中是否有人员信息；
所述非侵入电器运行状态监测具体如下：
S1：在室内和室外各放一个节点，同时采集室内和室外的温度和光照强度，采用15分钟间隔的低采样率；
S2：评估分析温度变化：在15分钟的间隔内，外部环境温度趋于在小于1℃的范围内逐渐变化，即使短时间内大于1℃，这些变化对短时间内室温变化的影响忽略不计，由于人工辅助供暖/制冷而导致的室温变化要比外部环境温度导致的室温变化快得多，因此，同一时间内对比室温与室外环境温度的变化情况，如果室温的波动水平与室外环境温度的变化不一致，则可以根据此时室温水平的升高/下降幅度是否大于1℃判断室内供暖或制冷系统的运行情况；
S3：评估分析光线强度变化：在15分钟的间隔内，如果室内环境光的强度增加幅度大于室外环境光的强度增加幅度，或者室内环境光的强度增加幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备开始工作，如果室内环境光的强度减小幅度大于室外环境光的强度减小幅度，或者室内环境光的强度减小幅度大于200lux，则判断为室内灯光或其它照明设备停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种室内能耗浪费监测方法，其特征是：所述的主控芯片为STM32F401RE微控制器单元，STM32F401RE微控制器单元通过
总线与红外阵列传感器连接，STM32F401RE微控制器单元通过数字信号输入线连接红外运动感测器。
3.根据权利要求2所述的一种室内能耗浪费监测方法，其特征是：所述的环境光传感器为VEML7700高精度环境光传感器，所述的温度传感器为Si7021温度传感器。
4.根据权利要求3所述的一种室内能耗浪费监测方法，其特征是：所述的STM32F401RE微控制器单元通过串行接口连接NB-IoT模组实现信息交互，NB-IoT模组连接基站将各传感器的数据信息发送到云服务器。
5.根据权利要求4所述的一种室内能耗浪费监测方法，其特征是：由2节3.7V、7400mWh电池为主控芯片、各传感器以及通信模组供电。
6.根据权利要求1所述的一种室内能耗浪费监测方法，其特征是：包括如下步骤：
1)低功耗室内人员检测：
由实时时钟控制节点周期性自启动；
由红外运动感测器检测室内是否有人员活动，检测到人员活动时，触发红外运动感测器PIR中断并记录PIR状态，随后进入休眠态；
室内有人员活动或可能存在非活动人员情况时，开启红外阵列传感器收集室内热图像；
采用卡尔曼滤波器去除低分辨率热图像噪声，计算热图像温度梯度，同时对图像温度分布统计分析，判断室内有无人员；
上个周期内红外阵列传感器未检测出人员，且当前周期红外运动感测器未检测到人员活动，则可以判定室内无人状态，此时节点进入休眠，直至下一次检测到人员活动；
2）非侵入电器运行状态监测：
由温度传感器和环境光传感器收集室内外温度和光照强度；
对同一时间室内外温度和光照强度水平随时间的变化情况对比分析，若室内环境水平波动存在明显异于室外情况，则可以判定室内场景供暖/制冷系统或照明系统正在工作。
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