CN114095309A - 一种基于边缘计算技术的智能能效网关及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于边缘计算技术的智能能效网关及应用方法，智能能效网关与云平台及耗能系统连接，包括：微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块；数据存储模块用于根据接口模块获取的耗能系统监测数据匹配能效诊断模型及运行调控策略，还用于根据通信模块获取的云平台运行指令匹配可调节负荷调控策略；微处理模块，用于根据能效诊断模型计算耗能系统能效水平并转发云平台，以及根据运行调控策略或可调节负荷调控策略计算调控指令并转发耗能系统；智能能效网关实现边端高频数据采集、汇集耗能系统监测数据、进行能效诊断，生成优化策略，并执行实时调控，同时接受云端协调管理指令，既提高优化调控能力，又避免了局部节能整体增耗。

Description

一种基于边缘计算技术的智能能效网关及应用方法

技术领域

本发明属于智能能效网关技术领域，具体涉及一种基于边缘计算技术的智能能效网关及应用方法。

背景技术

当前工业生产存在很多粗放式，而不是走向集约式，靠的是较落后的设备、工艺、技术，能源利用效率低。公共建筑能源管理也基本处在只监不控或者人工控制的状态。需要构建能源管理系统对工业、公共建筑的耗能系统进行精细化自动管理，优化运行模式，保证系统节能，这就要求对耗能系统全面感知，不但要获得耗能系统自身设备的运行状态，还要掌握环境、人流等影响因素数据，数据采集的广度与深度全面拓展。目前，能源数据传输设备及技术已经制约能源精细化管控的业务发展，主要存在以下问题：1)智能化程度低，不能自主决策，需上传大量数据，对通信带宽及云平台计算产生巨大压力，且不能根据实时工况生成即时控制策略；2)数据传输设备体积大、不易安装；3)通信方式单一、通信布点密集、价格昂贵，设备及组网成本高，且业务升级需更换硬件或至现场升级调试，运维代价大；4)安全性低，现有设备存在安全防护不足的风险，外部人员可篡改数据、控制设备，威胁电网安全。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于边缘计算技术的智能能效网关，所述智能能效网关分别与云平台以及耗能系统连接；所述智能能效网包括：微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块；

所述微处理器模块和数据存储模块通过接口模块与所述耗能系统通信连接；

所述微处理器模块和数据存储模块通过通信模块与所述云平台无线通信连接；

所述接口模块，用于获取对所述耗能系统进行监测得到的监测数据，还用于向所述耗能系统备发送调控指令；

所述通信模块，用于获取所述云平台下发的运行指令；

所述数据存储模块，用于存储能效诊断模型库及运行调控策略库；所述数据存储模块还用于根据所述接口模块获取的监测数据从所述能效诊断模型库中匹配能效诊断模型；还用于根据所述接口模块获取的监测数据从所述运行调控策略库中匹配运行调控策略；所述数据存储模块还用于根据通信模块获取的运行指令从所述运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略；

所述微处理模块，用于根据匹配到的能效诊断模型计算耗能系统能效水平并将所述能效水平发送至云平台，以及根据匹配到的运行调控策略计算调控指令；还用于根据匹配到的可调节负荷调控策略计算调控指令；

其中，所述存储能效诊断模型库存储多个预设的能效诊断模型，所述运行调控策略库存储多个预设的运行调控策略和可调节负荷调控策略。

优选的，所述接口模块包括：并联的WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口、DI/DO接口和以太网接口；所述耗能系统包括多种控制设备和采集终端；

各控制设备和采集终端基于各自的接口类型分别通过WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口、DI/DO接口或以太网接口接入所述能效网关。

优选的，所述接口模块还包括即插即用接口单元所述即插即用接口单元用于与外部的PLC/LoRa接口连接。

优选的，所述智能能效网关内设置核心板和主机板，所述核心板与主机板间通过板对板连接器连接；

所述微处理模块、数据存储模块、WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口和DI/DO接口设置在所述核心板上；

所述通信模块、以太网接口和即插即用接口单元设置在所述智能能效网关内的主机板上。

优选的，所述数据存储模块包括：能效诊断模型库单元和运行调控策略库单元；

所述能效诊断模型库单元，用于存储能效诊断模型库，还用于根据所述监测数据，匹配能效诊断模型并将所述能效诊断模型发送至所述微处理模块；

所述运行调控策略库单元，用于存储运行调控策略库，还用于根据所述监测数据，匹配运行调控策略并将所述运行调控策略发送至所述微处理模块；还用于根据所述运行指令匹配可调节负荷调控策略并将所述可调节负荷调控策略发送至所述微处理模块。

优选的，所述通信模块包括：4G通信单元。

优选的，所述微处理模块为PX30嵌入式芯片。

优选的，述的智能能效网关还包括：人机交互模块；

所述人机交互模块与所述微处理器模块连接，用于为用户提供所述智能能效网关的信息查阅和操作配置；

所述人机交互模块设置在所述核心板上。

优选的，述的智能能效网关还包括：安全模块；

所述安全模块与所述微处理模块连接，用于对所述耗能系统监测数据、能效水平和调控指令进行安全防护；

所述安全模块设置在所述核心板上。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于边缘计算技术的智能能效网关的应用方法，包括：

智能能效网关的接口模块获取耗能系统的监控数据，并将所述监控数据经由智能能效网关的微处理模块发送至所述智能能效网关的存储模块；

所述存储模块根据所述监控数据从能效诊断模型库中匹配能效诊断模型，及从运行调控策略库中匹配运行调控策略，并将所述能效诊断模型及运行调控策略发送至所述微处理模块；

所述微处理模块根据所述能效诊断模型计算所述耗能系统的能效水平并通过智能能效网关的通信模块发送至云平台；

所述微处理模块根据所述运行调控策略生成调控指令，通过所述接口模块发送至所述耗能系统的控制设备；

所述通信模块获取云平台下发的运行指令；

所述存储模块根据所述运行指令从运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略，并将所述可调节负荷调控策略发送至所述微处理模块；

所述微处理模块根据所述可调节负荷调控策略生成调控指令，通过所述接口模块发送至所述耗能系统的控制设备。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明提供了一种基于边缘计算技术的智能能效网关及应用方法，智能能效网关分别与云平台以及耗能系统连接；智能能效网包括：微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块；微处理器模块和数据存储模块通过接口模块与耗能系统通信连接；微处理器模块和数据存储模块通过通信模块与云平台无线通信连接；接口模块，用于获取对耗能系统进行监测得到的监测数据，还用于向耗能系统备发送调控指令；通信模块，用于获取云平台下发的运行指令；数据存储模块，用于存储能效诊断模型库及运行调控策略库；数据存储模块还用于根据接口模块获取的监测数据从能效诊断模型库中匹配能效诊断模型；还用于根据接口模块获取的监测数据从运行调控策略库中匹配运行调控策略；数据存储模块还用于根据通信模块获取的运行指令从运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略；微处理模块，用于根据匹配到的能效诊断模型计算耗能系统能效水平并将能效水平发送至云平台，以及根据匹配到的运行调控策略计算调控指令；还用于根据匹配到的可调节负荷调控策略计算调控指令；其中，存储能效诊断模型库存储多个预设的能效诊断模型，运行调控策略库存储多个预设的运行调控策略和可调节负荷调控策略。智能能效网关实现边端高频数据采集、汇集耗能系统实时监测数据、进行能效即时诊断，自动生成优化策略，并执行实时调控，同时接受云端协调管理指令，既提高优化调控能力，又避免了局部节能整体增耗，试点项目用能优化效果大幅提升，节能率较传统方法提升了10％。

本发明采用核心板与主机板两个集成单板对微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块进行集成，使得智能能效网关本体能够做到90*90*25mm的小尺寸，使得智能能效网关可以放置于小型配电箱内，安装方便，降低施工成本。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网关示意图；

图2为本发明提供的一个基于边缘计算技术的智能能效网关实施例的示意图；

图3为本发明提供的基于边缘计算技术的智能能效网关总体功能框架图；

图4为本发明涉及的多模制式的归一化通信和接口模块示意图；

图5为本发明涉及的一个核心板实施例的系统框图；

图6为本发明涉及的一个主机板实施例的系统框图；

图7为本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网应用方法流程示意图；

图8为本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网应用方法中能效诊断过程示意图；

图9为本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网应用方法中运行优化调控过程示意图；

图10为本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网应用方法中可调节负荷调控工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

本发明提供的一种基于边缘计算技术的智能能效网关结构示意图如图1所示，智能能效网关分别与云平台以及耗能系统连接；智能能效网包括：微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块；

微处理器模块和数据存储模块通过接口模块与耗能系统通信连接；

微处理器模块和数据存储模块通过通信模块与云平台无线通信连接；

接口模块，用于获取对耗能系统进行监测得到的监测数据，还用于向耗能系统备发送调控指令；

通信模块，用于获取云平台下发的运行指令；

数据存储模块，用于存储能效诊断模型库及运行调控策略库；数据存储模块还用于根据接口模块获取的监测数据从能效诊断模型库中匹配能效诊断模型；还用于根据接口模块获取的监测数据从运行调控策略库中匹配运行调控策略；数据存储模块还用于根据通信模块获取的运行指令从运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略；

微处理模块，用于根据匹配到的能效诊断模型计算耗能系统能效水平并将能效水平发送至云平台，以及根据匹配到的运行调控策略计算调控指令；还用于根据匹配到的可调节负荷调控策略计算调控指令；

其中，存储能效诊断模型库存储多个预设的能效诊断模型，运行调控策略库存储多个预设的运行调控策略和可调节负荷调控策略。

具体的，本发明提供了一种智能能效网关，即小型化、低成本、高智能的边端数据传输与数据处理设备，全面提升客户侧能源数据传输能力，将业务下沉到边端设备，实现数据分级处理，提升能效诊断、优化调控效果，降低组网运维成本。本发明提供的设备体积小，可方便安装在小型配电箱中，支持多种通信方式，能快速方便组网，实现边端高频数据采集、汇集各设备实时运行状态量，内置能效诊断模型与优化调控策略，并与能效管理云平台互联互通，进行系统级的能效即时诊断，自动生成优化策略，并执行实时调控，既提高优化调控能力，又避免了局部节能整体增耗。

本发明提供的一个基于边缘计算技术的智能能效网关实施例，如图2所示，包括：

智能能效网关本体及内置软件。

所述智能能效网关本体尺寸为90*90*25mm。

所述智能能效网关本体由两个集成单板组成，包括上面的核心板与下面的主机板，两个板子是通过两个40脚的板对板连接器连接在一起。通过采用两个集成单板，使得智能能效网关本体能够做到上述尺寸，使得智能能效网关可以放置于小型配电箱内，安装方便。

所述核心板，主要集成了微处理模块、核心板接口模块、存储模块、人机交互模块、安全模块；

所述主机板，主要集成电源管理模块、主机板通信模块、主机板接口模块。

所述微处理器模块为装置核心，用于与数据存储模块和人机交互模块进行信息交互，以实现信息接收、信息发送、信息解析、策略执行和命令发送；

所述主机板通信模块主要负责与能效管理云平台通信；

所述核心板接口模块、主机板接口模块主要负责与所控耗能系统控制设备、采集终端通信；

所述数据存储模块存储耗能系统监测数据、能效诊断模型及优化调控策略；

所述人机交互模块用于为用户提供所述智能能效网关的信息查阅和操作配置；

所述安全模块，用于对耗能系统监测数据、能效水平和调控指令进行安全防护；

所述电源管理模块，用于负责装置供电管理和分配。

核心板接口模块包括1个WIFI+BT模组、3路RS-485接口、1路RS-232接口、2路DI/DO接口；

主机板通信模块包括4G通信模块；

主机板接口模块包括2路百兆以太网接口、1个PLC/LoRa可拔插外接接口。

智能能效网关支持多种通信方式，灵活组网，降低组网成本。

PLC/LoRa可拔插外接接口，实现对PLC/LoRa通信模块的即插即用，可根据现场通信需要选择是否接入PLC/LoRa通信模块。通过按需配置PLC/LoRa可拔插外接接口模块，降低单节点成本。

所述WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口、PLC/LoRa接口用于与耗能系统控制模块和参数监测设备之间相互通信；用于获取耗能系统的运行参数、环境参数、人流情况等，同时向耗能系统及相关可调节装置下达控制命令；

所述数据存储模块内置支持实时更新的能效诊断模型库及优化调控策略库；所述能效诊断模型库用于存放针对耗能系统的能效诊断模型；优化调控策略库存放耗能系统运行调控策略及与电网互动策略，其中，与电网互动策略即为可调节负荷调控策略，使得智能能效网关集诊断、优化调控及与电网互动于一体。

如图3所示，给出了本发明总体功能框架图，通过聚焦客户侧用能需求与统一的云管理平台来连接客户侧的智慧物联设备，打通能源最后一公里，实现涵盖从能源设备到采集终端到边缘计算到云平台最后提供应用服务的一整套架构体系。图3中的云管理平台即云平台，边缘计算层即智能能效网关。

如图4所示，给出了本发明多模制式的归一化通信和接口模块示意图，通信接口标准化，接口硬件模块可替换，灵活扩展通信或接口模组，降低单节点成本。

图5示出了一个核心板的系统框图，图5中，BTB为板对板连接器，PMIC为电源管理芯片，PHY为物理接口收发器，EMMC为内嵌式多媒体存储卡，USB为通行串行总线，BLE为低功耗蓝牙，DDR为双倍速率同步动态随机存储器，watchdog为定时器电路，Mini-PCI E为新一代的总线接口，7800为稳压芯片。

图6示出了一个主机板的系统框图，图6中，TF Card为外置记忆卡，SIM为用户身份识别卡。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于边缘计算技术的智能能效网关的应用方法，该方法如图7所示，包括：

步骤1：智能能效网关的接口模块获取耗能系统的监控数据，并将监控数据经由智能能效网关的微处理模块发送至智能能效网关的存储模块；

步骤2：存储模块根据监控数据从能效诊断模型库中匹配能效诊断模型，及从运行调控策略库中匹配运行调控策略，并将能效诊断模型及运行调控策略发送至微处理模块；

步骤3：微处理模块根据能效诊断模型计算耗能系统的能效水平并通过智能能效网关的通信模块发送至云平台；

步骤4：微处理模块根据运行调控策略生成调控指令，通过接口模块发送至耗能系统的控制设备；

步骤5：通信模块获取云平台下发的运行指令；

步骤6：存储模块根据运行指令从运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略，并将可调节负荷调控策略发送至微处理模块；

步骤7：微处理模块根据可调节负荷调控策略生成调控指令，通过接口模块发送至耗能系统的控制设备。

一个基于边缘计算技术的智能能效网关的应用方法的具体实施例包括：

步骤a1：智能能效网关通过本地通信网络即与接口模块连接的各通信网络获取所监控耗能系统的运行参数与影响参数；

其中，运行参数包括设备负荷、中央空调的出回水温度、水泵的流量和电机的转速，影响参数包括：室内外温湿度、人流量和CO2浓度等。

步骤a2：智能能效网关获取的耗能系统的运行参数与影响参数发送给数据存储模块中的能效诊断模型库，自动匹配适合的能效诊断模型并发送至微处理模块，微处理模块进行数据计算，反馈耗能系统能效水平，通过远程通信网络发送给云平台；步骤a2的能效诊断过程如图8所示。

步骤a3：智能能效网关获取的耗能系统的运行参数与影响参数发送给数据存储模块中的耗能系统运行调控策略库，自动匹配适合的运行调控策略并发送至微处理模块，微处理模块进行策略计算后，反馈设备、控制器的调控指令，智能能效网关将指令发送给所控设备及控制器；步骤a3的运行优化调控过程如图9所示。

步骤a4：智能能效网关通过远程通信网络获取云平台通过分析相关系统的运行状态所得的对本耗能系统的运行指令，发给运行调控策略，运行调控策略根据运行指令调整自身策略输出控制指令；

步骤a5：智能能效网关通过远程通信网络获取云平台可调节负荷指令计划，发给运行调控策略库，自动匹配适合的可调节负荷调控策略并发送至微处理模块，微处理模块进行策略计算，自动生成调控指令，同时，暂停正在运行的运行调控策略，待可调节负荷调控策略完成后再启动运行调控策略。步骤a5的可调节负荷调控工作流程如图10所示。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边缘计算技术的智能能效网关，其特征在于，所述智能能效网关分别与云平台以及耗能系统连接；所述智能能效网包括：微处理器模块、接口模块、通信模块和数据存储模块；

所述微处理器模块和数据存储模块通过接口模块与所述耗能系统通信连接；

所述微处理器模块和数据存储模块通过通信模块与所述云平台无线通信连接；

所述接口模块，用于获取对所述耗能系统进行监测得到的监测数据，还用于向所述耗能系统备发送调控指令；

所述通信模块，用于获取所述云平台下发的运行指令；

所述数据存储模块，用于存储能效诊断模型库及运行调控策略库；所述数据存储模块还用于根据所述接口模块获取的监测数据从所述能效诊断模型库中匹配能效诊断模型；还用于根据所述接口模块获取的监测数据从所述运行调控策略库中匹配运行调控策略；所述数据存储模块还用于根据通信模块获取的运行指令从所述运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略；

所述微处理模块，用于根据匹配到的能效诊断模型计算耗能系统能效水平并将所述能效水平发送至云平台，以及根据匹配到的运行调控策略计算调控指令；还用于根据匹配到的可调节负荷调控策略计算调控指令；

其中，所述存储能效诊断模型库存储多个预设的能效诊断模型，所述运行调控策略库存储多个预设的运行调控策略和可调节负荷调控策略。

2.如权利要求1所述的智能能效网关，其特征在于，所述接口模块包括：并联的WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口、DI/DO接口和以太网接口；所述耗能系统包括多种控制设备和采集终端；

各控制设备和采集终端基于各自的接口类型分别通过WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口、DI/DO接口或以太网接口接入所述能效网关。

3.如权利要求2所述的智能能效网关，其特征在于，所述接口模块还包括即插即用接口单元所述即插即用接口单元用于与外部的PLC/LoRa接口连接。

4.如权利要求3所述的智能能效网关，其特征在于，所述智能能效网关内设置核心板和主机板，所述核心板与主机板间通过板对板连接器连接；

所述微处理模块、数据存储模块、WIFI+BT模组、RS-485接口、RS-232接口和DI/DO接口设置在所述核心板上；

所述通信模块、以太网接口和即插即用接口单元设置在所述智能能效网关内的主机板上。

5.如权利要求1所述的智能能效网关，其特征在于，所述数据存储模块包括：能效诊断模型库单元和运行调控策略库单元；

所述能效诊断模型库单元，用于存储能效诊断模型库，还用于根据所述监测数据，匹配能效诊断模型并将所述能效诊断模型发送至所述微处理模块；

所述运行调控策略库单元，用于存储运行调控策略库，还用于根据所述监测数据，匹配运行调控策略并将所述运行调控策略发送至所述微处理模块；还用于根据所述运行指令匹配可调节负荷调控策略并将所述可调节负荷调控策略发送至所述微处理模块。

6.如权利要求1所述的智能能效网关，其特征在于，所述通信模块包括：4G通信单元。

7.如权利要求1所述的智能能效网关，其特征在于，所述微处理模块为PX30嵌入式芯片。

8.如权利要求4所述的智能能效网关，其特征在于，还包括：人机交互模块；

所述人机交互模块与所述微处理器模块连接，用于为用户提供所述智能能效网关的信息查阅和操作配置；

所述人机交互模块设置在所述核心板上。

9.如权利要求4所述的智能能效网关，其特征在于，还包括：安全模块；

所述安全模块与所述微处理模块连接，用于对所述耗能系统监测数据、能效水平和调控指令进行安全防护；

所述安全模块设置在所述核心板上。

10.一种基于边缘计算技术的智能能效网关的应用方法，其特征在于，包括：

智能能效网关的接口模块获取耗能系统的监控数据，并将所述监控数据经由智能能效网关的微处理模块发送至所述智能能效网关的存储模块；

所述存储模块根据所述监控数据从能效诊断模型库中匹配能效诊断模型，及从运行调控策略库中匹配运行调控策略，并将所述能效诊断模型及运行调控策略发送至所述微处理模块；

所述微处理模块根据所述能效诊断模型计算所述耗能系统的能效水平并通过智能能效网关的通信模块发送至云平台；

所述微处理模块根据所述运行调控策略生成调控指令，通过所述接口模块发送至所述耗能系统的控制设备；

所述通信模块获取云平台下发的运行指令；

所述存储模块根据所述运行指令从运行调控策略库中匹配可调节负荷调控策略，并将所述可调节负荷调控策略发送至所述微处理模块；

所述微处理模块根据所述可调节负荷调控策略生成调控指令，通过所述接口模块发送至所述耗能系统的控制设备。

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