CN202075599U - 太阳能家庭能源监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了太阳能家庭能源监控系统。该系统包括智能监控平台、主站、从站，所述智能监控平台包括采集系统、设备管理、能耗计量、数据管理、显示，所述主站包括数据存储器、无线收发模块、MCU、USB接口，所述从站包括智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器，所述智能监控平台和所述主站之间通过所述USB接口交换信息，所述主站和从站采用点对多点的无线通信方式联网，所述智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器分别采集相关数据发送至所述主站，该主站将接收到的相关数据发送到所述智能监控平台，该智能监控平台对收到的相关数据进行处理，并将控制命令发送至所述主站，该主站将接收到的控制命令发送到所述从站，该从站执行接收到的控制命令。

Description

太阳能家庭能源监控系统

技术领域：

本实用新型涉及到太阳能应用技术、无线网络技术、测量技术、远程遥控技术、单片机技术和计算机软件技术，具体涉及一种太阳能家庭能源监控系统。 

背景技术：

目前，中国是仅次于美国的世界第二大能源消费国，日益增长的能源消耗，使得现有的发电能力不能满足国内消费需求。且面临石油涨价、煤炭枯竭，传统能源在一天天减少，日渐严峻的环境污染时刻威胁着我们。积极开发新能源，提高能源使用率，降低能源消耗成为世界共同探讨的课题。太阳能作为绿色的可再生的新能源，越来越受到人们的青睐。因此，研究光伏系统在家庭能源管理中的应用有着极其重要的意义。限制光伏系统的主要因素有两点：(1)初期投资比较大；(2)太阳能光伏电池的转化效率低。目前通常使用的光伏电池效率在15％左右。因此提高光伏系统的能源利用率并进入统一能源管理系统，需要有相应的新产品问世。 

现有家庭能源管理(Home Energy Management，HEM)的基本原理是通过对家庭用电设备进行数据采集，分析汇总，实现能源的管理与监测。HEM依托智能监控平台，完成对智慧家电、智慧插座、智慧电表以及家中各项感测装置进行连接与监控动作，并对家电设备进行全设定、温控调节、电源开关等功能。HEM提供可交互界面，在屏幕上即时显示家中设备的运转、能源消耗等信息，使用者通过触控面板按键实现对连线的家电产品进行操控，决定是否关闭或调整特定家电来节省资源消耗。资源消耗的“可视化”会让用户注意到电力的浪费，从而受到抑制效果。日本节能中心曾发布过调查结果：以小时为单位使耗电量可视化，每年的耗电量可削减约一成。HEM通过将住宅内的家电能耗设备网络化，并通过对其的控制来削减能源消耗量。对于用户来说，可在无损生活舒适性的前提下减少资源消耗费用支出。但目前的HEM仅对用电资源进行管理，但家庭的其他能耗并未纳入，如燃气、水等。常用的太阳能热水器所产 生的热量也未考虑。综上所述，作为节能减排的重要措施，能源管理系统在家庭的应用，极有必要整合绿色能源(光伏、光热)和各种能耗(电、气、水)，进行统一监控分析管理。本实用新型——太阳能家庭能源监控系统(Solar HomeEnergy Monitoring System，SHEMS)就是为此而研制的。 

实用新型内容：

本实用新型对绿色能源(光伏、光热)和能耗设备(电、气、水)进行统一管理，建立一整套家庭能源监控系统。这涉及到：智能监控平台软件、主站通信器、智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器。通过智能监控平台进行各类信息的采集、处理、分析、显示和反馈控制，完成资源优化调配，提高绿能利用率和降低能耗，完成最优化的能源利用效率。 

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案： 

太阳能家庭能源监控系统，所述监控系统包括智能监控平台、主站、从站，所述智能监控平台包括采集系统、设备管理、能耗计量、数据管理、显示，所述主站包括数据存储器、无线收发模块、MCU、USB接口，所述从站包括智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器，所述智能监控平台和所述主站之间通过所述USB接口交换信息，所述主站和从站采用点对多点的无线通信方式联网，所述智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器分别采集相关数据发送至所述主站，该主站将接收到的相关数据发送到所述智能监控平台，该智能监控平台对收到的相关数据进行处理，并将控制命令发送至所述主站，该主站将接收到的控制命令发送到所述从站，该从站执行接收到的控制命令。 

系统架构： 

整个系统由自行研发的智能监控平台软件、主站通信器(M1)和从站组成。从站是指：智能配电盘(SM1)、智能插座(SB1)、气量监测器(SG1)和水量监测器(SW1，SW2)。 

各从站负责采集各相关数据发送至主站，并执行由主站发布的控制命令(或执行本站存储器内预置命令)。主站将采集到的数据交由智能监控平台软件处理。主站和从站采用点对多点无线(433MHz)通信方式联网，一个主站可控制 15个从站。参见图1，为本实用新型的系统架构图。 

智能监控平台软件： 

该软件功能划分为采集系统、设备管理、能耗计量、数据管理、显示五个部分。参见图2，为本实用新型的智能监控平台软件功能图。 

采集系统对家庭能耗设备进行数据采集和环境监测。数据采集通过无线设备主动发送采集命令对能耗设备进行数据采集，从而获取能耗设备资源消耗情况。环境监测为对应的传感器(如温度传感器、烟雾传感器)实时监测当前设备运行环境，如遇突发情况，能及时报警或通知管理者，以最小的损失将危情消除甚至提前消除危情。 

设备管理分为设备控制和故障管理。通过智能监控平台，录入能耗设备的基本信息，并完成对设备的控制，如定时设置设备通断时间、设置设备参数等。故障管理为根据设备的当前运行状态以及其基本能耗信息进行故障判断，预先获知设备的可能出现的问题，通知相关人员进行维护或更换。或在突发故障时，提示位于系统的哪个节点设备所造成，以缩短排除故障时间并最大限度的降低损失。 

能耗计量分为能源监控和资源配置。能源监控主要是根据历史数据或当前实时数据完成对整个家庭的能源消耗分布图及曲线，直观反映当前家庭能源(电、气、水)消耗以及历史消耗。资源配置为根据设备的能耗用度情况进行调配。比如家庭灯具控制，在日照良好的情况，限制灯具的开启个数，在日照不足的情况下，增加灯具开启数量，并计算采集到得太阳能电能和热能，并按市场价格统一计费。 

数据管理分为图表管理和分析报告。图表管理基于采集数据，进行曲线绘制或报表生成。比如日用电量、月用电量、年用电量曲线图，各项能源费效比图等。分析报告为根据用户选择条件，自动生成家庭设备运行状况以及能耗报告，并提供能耗优化建议或方案。 

显示终端采用平板电脑。相关数据也可通过互联网进行查询。 

主站通信器(M1)： 

主站通信器由数据存储器、无线收发模块、MCU(C8051F320)、USB接口部分组成。主站通信器通过USB端口与显示设备相连，主从站点之间通过无线方式(433MHz)进行通信，完成数据的采集与信息传递。参见图3，为本实用新型主站通信器(M1)框图。 

智能配电盘(SM1)： 

智能配电盘由电量采集单元、AD转换单元、信号处理单元、负载控制单元、温度传感器、烟雾传感器、LCD显示、数据处理单元、数据存储单元、无线收发单元、MCU(PIC)组成。智能配电盘与各路用电负载、太阳能光伏发电单元、电网相连。参见图4，为本实用新型的智能配电盘(SM1)框图。 

智能插座(SB1)： 

智能插座由电量采集单元、AD转换单元、信号处理单元、温度传感器、烟雾传感器、负载控制单元、LCD显示、数据处理单元、数据存储单元、无线收发单元、MCU(PIC)组成。智能插座与智能配电盘、用电器相连。参见图5，为本实用新型的智能插座(SB1)框图。 

气量监测器(SG1)： 

气量监测器由气体流量采集单元、信号处理单元、温度传感器、烟雾传感器、数据处理单元、数据存储单元、LCD显示、无线收发单元、MCU(PIC)组成。气量监测器串接在用气回路中。参见图6，为本实用新型的气量监测器(SG1)框图。 

水量监测器(SW1、SW2)： 

水量监测器由水流量采集单元、信号处理单元、温度传感器、烟雾传感器、数据处理单元、数据存储单元、LCD显示、无线收发单元、MCU(PIC)组成。水量监测器串接在水总管或太阳能热水器输出管中。参见图7，为本实用新型的水量监测器(SW1、SW2)框图。 

根据上述技术方案得到的本实用新型具有以下优点： 

(1)即时获取设备运行情况，实现家庭能源(绿能和耗能)全方位监控； 

(2)根据设备运行记录，生成能源调配方案； 

(3)数据报表以及能耗分析报告有助于全面了解家庭能耗(电、气、水)情况； 

(4)智能监控设备运转以及周边环境变化，具备环境劣化报警功能，并可制定安全检修周期和检修内容，降低或消除安全隐患； 

(5)合理分配绿能资源，提高能源利用率； 

(6)可与物联网资源信息共享。 

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。 

图1为本实用新型的系统架构图。(M1主站通信器；SM1智能配电盘；SB1智能插座；SG1气量监测器；SW1、SW2水量监测器)。 

图2为本实用新型的系统功能图。 

图3为本实用新型的主站通信器(M1)框图。 

图4为本实用新型的智能配电盘(SM1)框图。 

图5为本实用新型的智能插座(SB1)框图。 

图6为本实用新型的气量监测器(SG1)框图。 

图7为本实用新型的水量监测器(SW1、SW2)框图。 

图8为本实用新型的主站通信器(M1)电路原理图。 

图9为本实用新型的智能配电盘(SM1)电路原理图。 

图10为本实用新型的智能插座(SB1)电路原理图。 

图11为本实用新型的气量监测器(SG1)电路原理图。 

图12为本实用新型的水量监测器(SW1、SW2)电路原理图。 

具体实施方式：

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。 

本实用新型为解决家庭能源监控的问题，而提供的智能监控平台软件、主站通信器、智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器。本实用新型的系统架构参见图1。 

智能监控平台软件： 

智能监控平台软件系统功能构成参见图2。本软件采用C#.NET、Access数据库开发。 

本实用新型的计算机网络采用星形拓扑结构，用于系统各节点之间相互通信。整个网络传输媒体为无线数据传输模块，建立点对点、点对多点网络。主控站对各终端节点执行主从问答方式通信，完成数据的正确传输与信息交流。 

软件底层通信涉及USB驱动程序，通过调用USB芯片厂商提供的DLL文件，完成USB总线与智能监控平台之间的通信。 

采集系统根据不同设备以及参数，分配相应通信地址，对各数据节点进行轮询通信。实现定时数据采集、环境监测、灾情报警等功能。 

设备管理分为设备控制和故障管理。设备控制通过智能监控平台，对设备进行现场控制或远程调控，如设定设备通断时间点、设置设备运行参数等。故障管理为对设备进行故障分析、诊断和设备状态监测，找寻设备故障发生原因以及规律性防范措施。根据设备使用寿命以及使用环境预先制定出安全检修周期和检修内容。 

能耗计量分为能源监控和资源配置。能源监控主要对家庭能源(电、气、水)消耗情况进行汇总，完成能源费效比的计算。根据设备使用规律，计算潜在的可节省能源空间。资源配置为根据各个设备使用的时间段以及能耗用度情况进行调配，并根据绿色能源在能源消耗中的比重进行资源调度。比如家庭灯具控制，在日照良好的情况，限制灯具的开启个数，在日照不足的情况下，增加灯具开启数量，并计算采集到的太阳能电能和热能，并按市场价格统一计费。 

数据管理分为图表管理和分析报告。图表管理基于采集系统，根据所有采 集数据进行图表绘制以及报表生成。如家庭日能耗用度表、能耗费率分布图等。分析报告汇集家庭能耗设备用度情况，生成家庭设备运行状况以及能耗分析报告，并提供能耗优化建议或方案。 

显示终端采用平板电脑。相关数据也可通过互联网进行查询。 

主站通信器(M1)： 

主站通信器由电源、无线收发、MCU、USB接口部分组成。主站点在平板电脑和从站点之间进行连接，主站点通过USB接口和上位机进行通信，通过无线收发部分和从站点进行通信。平板电脑通过USB接口将指令发送对到主站点，主站点通过无线收发将上位机发送的指令发送到从站点；从站点响应后，通过无线将响应的数据发送到主站点，主站点通过USB将数据发送到上位机进行存储和分析。参见图8，电路原理说明如下： 

电源——系统从USB总线上取得5V电源，为系统中相应部件提供5V电源这样即省掉了一个外部电源又减少了连线，同时5V电压经过稳压芯片U1将电压变换成3.3V，为MCU提供电源。 

无线收发——无线收发模块W1实现了主站与从站之间进行通信，使用无线进行通信，避免了连接通讯线路，使得整个系统更加简洁。无线收发模块可以接收从站点无线收发模块发送过来的数据，并传送给MCU，同时可以将MCU需要发送的指令发送到从站点。 

MCU——MCU是整个系统的核心，一方面控制无线收发模块，将收到的数据通过USB发送到平板电脑，另一方面MCU片内集成有USB接口，可以通过USB接口和平板电脑进行通信，将平板电脑通过USB总线发送的数据送到无线收发部分，发送到相应的从站点。 

USB端口——本系统通过USB端口与平板电脑通信，使用USB端口的好处是即插即用、支持热插拔、传输速度快、可通过扩展连接多达127个USB设备，不用担心与USB外设的冲突。 

智能配电盘(SM1)： 

智能配电盘由电源、太阳能发电量采集、负载耗电量采集、时钟、温度测 量、火灾监测、显示、无线收发、掉电数据保存、负载控制、站点地址设定、MCU部分组成。参见图9，电路原理说明如下： 

电源——电网电压通过变压器T1降压，经过二极管D1整流之后，再通过U1进行稳压，为整个系统提供5V稳定电源。并联在变压器R3两端的压敏电阻R3可以为电路提供有效的浪涌保护。 

太阳能发电量采集——发电量采集部分的核心为电能计量芯片U2。太阳能逆变器输出电压经过R4、R5、R6、R7、R8分压之后送入U2的电压采集端口。太阳能逆变器输出电流经分流器R1之后转变为电压信号送入U2电流采集端口。电能计量芯片U2通过采集电压与电流信号，在内部进行AD转换，以及积分之后，将得到的电压、电流、功率值存于内部寄存器，并通过外部脉冲反映出电量大小，外部脉冲通过光耦U3输出到MCU的中断引脚RB0上。MCU通过读取U2内部寄存器得到逆变器输出的电压、电流、瞬时功率，通过计数脉冲个数、累加得到发电量大小。 

用电量采集——用电量采集部分核心为电能计量芯片U5。电网电压经过R4、R5、R6、R7、R8分压之后送入U2的电压采集端口。负载消耗电流经过分流器R2转变为电压信号送入U5的电流采集端口。电能计量芯片U5通过采集电压与电流信号，在内部进行AD转换，以及积分之后，将得到的电压、电流、功率值存于内部寄存器，并通过外部脉冲反映出电量大小，外部脉冲通过光耦U6输出到MCU的中断引脚RB7上。MCU通过读取U5内部寄存器得到逆变器输出的电压、电流、瞬时功率，通过计数脉冲个数、累加得到负载耗电量大小。 

时钟——时钟部分核心为专用时钟芯片U4。MCU通过读取时钟芯片U4得到当前时间。后备电池B T1保证了在系统掉电的情况下，时钟芯片可以继续运行。MCU可以通过无线收发部分接收上位机发送的时间对时钟芯片进行校准，保证了时间的准确性。时钟部分为整个系统提供了准确的当前时间，为系统定时执行相关指令提供了保证。 

温度测量——数字温度传感器U7将外界温度值转换成数字量，存于内部寄存器中，MCU通过读取U7得到外界温度，从而实现了对温度的检测。MCU读取温度之后可以判断周围环境是否异常，同时可以将温度发送到平板电脑， 由平板电脑应用程序进行进一步分析。 

火灾监测——当发生火灾时，初期会产生大量烟雾，此时烟雾传感器CN1将输出烟雾浓度信号，当MCU检测到烟雾浓度过大，即认为发生了火灾，同时通过无线收发部分向外发出报警信号。 

显示——本采集显示屏LCD1为6位7段码LCD显示屏，MCU将需要显示的数据通过I2C接口送入LCD1，可以显示电压、电流、功率、电量、时钟，通过显示切换按钮S2在各个显示之间切换。初始时显示系统电网电压，按下按钮S2后依次切换显示为发电电流、发电功率、累计发电量、负载消耗电流、负载功率、负载累计用电量、时钟。 

无线收发——无线收发模块W1实现了采集板与主站之间进行通信，使用无线进行通信，避免了连接通讯线路，使得整个系统更加简洁。无线收发模块可以接收主站点无线收发模块发送过来的指令，并传送给MCU，使得指令可以正确执行，同时可以将MCU得到的采集数据发送到主站点进行处理。 

掉电数据保存——累加得到的电量以及一些设置参数需要在系统掉电时得到正确保存，当系统恢复供电时，又需要将这些数据正确恢复到MCU的RAM中。这就需要系统能检测到电网是否掉电，同时在电网掉电后，系统要能维持工作一段时间，以将数据正确保存到EEPROM中。电阻R26、R39将变压器整流之后的电压分压之后送到MCU，进行AD转换，当检测到电压低于一定值，即认为电网掉电，MCU将电量等需要保存的数据保存到片内的EEPROM中，法拉级电容C33可以维持系统在掉电之后工作一段时间，从而保证掉电后数据能正确保存。 

负载控制——MCU通过控制光耦U9来控制继电器K1的开合，当继电器断开时，负载与电网断开，当继电器闭合时，负载接到电网。MCU可以接收上位机的指令对负载进行控制，既可以接收指令对负载进行开关，这样就可以远距离控制负载了。又可以通过比较设定的时间与当前系统时间，当两者时间相等时对负载进行开关控制，从而实现对负载的智能定时控制，从而对负载的运行时间进行智能控制，避免了浪费。同时MCU通过读取电能计量芯片U5可以得到流过负载电流的大小，一旦监测到电流过大，超过限定值，MCU可以立即切断负载与电网的连接，避免了负载的损坏和事故的发生。一旦监测到 电流过小，判断为待机电流，则自动完全切断电源，减少功耗。 

站点地址设定——从站点在与主站点进行通信时包含有地址信息，只有到主站点发送的指令中目的地址与自己相同时才进行响应，这样允许一个采集系统中存在多个从站点，实现了对多点数据的同时监测。同时从站点向主机发送的数据中也包含有地址信息，这样主机就可以区分数据是哪个从站点发送的。地址的设定是通过DIP开关S1来设定的，DIP开关的不同状态对应着不同的地址，可以设定16个不同的地址，其中地址0作为特殊用途，不分配给从站点。 

MCU——是整个系统的核心，负载控制各个模块协调工作，收集各个模块采集的数据，并进行分析和转换成需要的格式，同时接收主站点的指令，并将采集数据发送到主站点。 

智能插座(SB1)： 

智能插座由电源、负载耗电量采集、时钟、温度测量、火灾监测、显示、无线收发、掉电数据保存、负载控制、站点地址设定、MCU部分组成。参见图10，电路原理说明如下： 

电源——电网电压通过变压器T1降压，经过二极管D1整流之后，再通过U1进行稳压，为整个系统提供5V稳定电源。并联在变压器R3两端的压敏电阻R3可以为电路提供有效的浪涌保护。 

用电量采集——用电量采集部分核心为电能计量芯片U5。电网电压经过R1、R2、R3、R4、R6分压之后送入U5的电压采集端口。负载消耗电流经过分流器R7转变为电压信号送入U5的电流采集端口。电能计量芯片U5通过采集电压与电流信号，在内部进行AD转换，以及积分之后，将得到的电压、电流、功率值存于内部寄存器，并通过外部脉冲反映出电量大小，外部脉冲通过光耦U6输出到MCU的中断引脚RB7上。MCU通过读取U5内部寄存器得到逆变器输出的电压、电流、瞬时功率，通过计数脉冲个数、累加得到负载耗电量大小。 

时钟——时钟部分核心为专用时钟芯片U3。MCU通过读取时钟芯片U3得到当前时间。后备电池B T1保证了在系统掉电的情况下，时钟芯片可以继 续运行。MCU可以通过无线收发部分接收上位机发送的时间对时钟芯片进行校准，保证了时间的准确性。时钟部分为整个系统提供了准确的当前时间，为系统定时执行相关指令提供了保证。 

温度测量——数字温度传感器U4将外界温度值转换成数字量，存于内部寄存器中，MCU通过读取U4得到外界温度，从而实现了对温度的检测。MCU读取温度之后可以判断周围环境是否异常，同时可以将温度发送到平板电脑，由平板电脑应用程序进行进一步分析。 

火灾监测——当发生火灾时，初期会产生大量烟雾，此时烟雾传盖起CN1将输出烟雾浓度信号，当MCU检测到烟雾浓度过大，即认为发生了火灾，同时通过无线收发部分向外发出报警信号。 

显示——本采集显示屏LCD1为6位7段码LCD显示屏，MCU将需要显示的数据通过I2C接口送入LCD1，可以显示电压、电流、功率、电量、时钟，通过显示切换按钮S2在各个显示之间切换。初始时显示系统电网电压，按下按钮S2后依次切换显示为负载消耗电流、负载功率、负载累计用电量、时钟。 

无线收发——无线收发模块W1实现了采集板与主站之间进行通信，使用无线进行通信，避免了可以省掉通讯线路，使得整个系统更加简洁。无线收发模块可以接收主站点无线收发模块发送过来的指令，并传送给MCU，使得指令可以正确执行，同时可以将MCU得到的采集数据发送到主站点进行处理。 

掉电数据保存——累加得到的电量以及一些设置参数需要在系统掉电时得到正确保存，当系统恢复供电时，又需要将这些数据正确恢复到MCU的RAM中。这就需要系统能检测到电网是否掉电，同时在电网掉电后，系统要能维持工作一段时间，以将数据正确保存到EEPROM中。电阻R23、R34将变压器整流之后的电压分压之后送到MCU，进行AD转换，当检测到电压低于一定值，即认为电网掉电，MCU将电量等需要保存的数据保存到片内的EEPROM中，法拉级电容C22可以维持系统在掉电之后工作一段时间，从而保证掉电后数据能正确保存。 

负载控制——MCU通过控制光耦U2来控制继电器K1的开合，当继电器断开时，三相插座P2断电，当继电器闭合时，三相插座接到电网。MCU可以接收上位机的指令对接到插座P2上的负载进行控制，既可以接收指令对负载 进行开关，又可以通过比较设定的时间与当前系统时间，当两者时间相等时对负载进行开关控制，从而实现对负载的智能定时控制，避免了浪费。同时MCU通过读取电能计量芯片U5可以得到流过负载电流的大小，一旦监测到电流过大，超过限定值，MCU可以立即切断负载与电网的连接，避免了负载的损坏和事故的发生。一旦监测到电流过小，判断为待机电流，则自动完全切断电源，减少功耗。 

站点地址设定——从站点在与主站点进行通信时包含有地址信息，只有到主站点发送的指令中目的地址与自己相同时才进行响应，这样允许一个采集系统中存在多个从站点，实现了对多点数据的同时监测。同时从站点向主机发送的数据中也包含有地址信息，这样主机就可以区分数据是哪个从站点发送的。地址的设定是通过DIP开关S1来设定的，DIP开关的不同状态对应着不同的地址，可以设定16个不同的地址，其中地址0作为特殊用途，不分配给从站点。 

MCU——MCU是整个系统的核心，负载控制各个模块协调工作，收集各个模块采集的数据，并进行分析和转换成需要的格式，同时接收主站点的指令，并将采集数据发送到主站点。 

气量监测器(SG1)： 

气量监测器由电源、气体流量计量、时钟、温度测量、火灾监测、显示、无线收发、掉电数据保存、站点地址设定、MCU部分组成。参见图11，电路原理说明如下： 

电源——7.2V锂电池通过U2进行稳压，为整个系统提供+5V的电源。二极管D2可以在电池接反的情况下为系统提供有效的保护。 

气体流量采集——气体流量采集部分的核心为气体流量传感器CN2。当气体流过时，气体流量传感器CN2根据流速大小发出脉冲信号，气体流速越快，则脉冲频率越大。MCU通过计量脉冲频率得到流速大小，通过对脉冲信号累加得到流量大小。 

时钟——时钟部分核心为专用时钟芯片U1。MCU通过读取时钟芯片U1得到当前时间。后备电池BT1保证了在系统掉电的情况下，时钟芯片可以继 续运行。MCU可以通过无线收发部分接收上位机发送的时间对时钟芯片进行校准，保证了时间的准确性。时钟部分为整个系统提供了准确的当前时间，为系统定时执行相关指令提供了保证。 

温度测量——数字温度传感器U3将外界温度值转换成数字量，存于内部寄存器中，MCU通过读取U3得到外界温度，从而实现了对温度的检测。MCU读取温度之后可以判断周围环境是否异常，同时可以将温度发送到平板电脑，由平板电脑应用程序进行进一步分析。 

火灾报警——当发生火灾时，初期会产生大量烟雾，此时烟雾传盖起CN1将输出烟雾浓度信号，当MCU检测到烟雾浓度过大，即认为发生了火灾，同时通过无线收发部分向外发出报警信号。 

显示——本采集显示屏LCD1为6位7段码LCD显示屏，MCU将需要显示的数据通过I2C接口送入LCD1，可以显示气体实时流速，通过显示切换按钮S2在各个显示之间切换。初始时显示气体实时流速，按下按钮S2后切换显示为累计气体流量，再次按下S2，显示切换为气体实时流速。 

无线收发——无线收发模块W1实现了采集板与主站之间进行通信，使用无线进行通信，避免了可以省掉通讯线路，使得整个系统更加简洁。无线收发模块可以接收主站点无线收发模块发送过来的指令，并传送给MCU，使得指令可以正确执行，同时可以将MCU得到的采集数据发送到主站点进行处理。 

掉电数据保存——累加得到的气体流量以及一些设置参数需要在系统掉电时得到正确保存，当系统恢复供电时，又需要将这些数据正确恢复到MCU的RAM中。这就需要系统能检测到锂电池是否掉电，同时在锂电池掉电后，系统要能维持工作一段时间，以将数据正确保存到EEPROM中。电阻R4、R9将锂电池的电压分压之后送到MCU，进行AD转换，当检测到电压低于一定值，即认为锂电池掉电，MCU将流量等需要保存的数据保存到片内的EEPROM中，法拉级电容C10可以维持系统在掉电之后工作一段时间，从而保证掉电后数据能正确保存。 

站点地址设定——从站点在与主站点进行通信时包含有地址信息，只有到主站点发送的指令中目的地址与自己相同时才进行响应，这样允许一个采集系统中存在多个从站点，实现了对多点数据的同时监测。同时从站点向主机发送 的数据中也包含有地址信息，这样主机就可以区分数据是哪个从站点发送的。地址的设定是通过DIP开关S1来设定的，DIP开关的不同状态对应着不同的地址，可以设定16个不同的地址，其中地址0作为特殊用途，不分配给从站点。 

MCU——MCU是整个系统的核心，负载控制各个模块协调工作，收集各个模块采集的数据，并进行分析和转换成需要的格式，同时接收主站点的指令，并将采集数据发送到主站点。 

水量监测器(SW1、SW2)： 

水量监测器由电源、水流量计量、时钟、温度测量、火灾监测、显示、无线收发、掉电数据保存、站点地址设定、MCU部分组成。参见图12，水流量采集说明如下： 

电源——7.2V锂电池通过U2进行稳压，为整个系统提供+5V的电源。二极管D2可以在电池接反的情况下为系统提供有效的保护。 

水量采集——气体流量采集部分的核心为液体流量传感器CN2。水流量传感器CN2根据流速大小发出脉冲信号，水流动越快则脉冲频率越高。MCU通过计量脉冲频率得到水流速大小，通过对脉冲信号累加即可得到流量大小。 

时钟——时钟部分核心为专用时钟芯片U2。MCU通过读取时钟芯片21得到当前时间。后备电池BT1保证了在系统掉电的情况下，时钟芯片可以继续运行。MCU可以通过无线收发部分接收上位机发送的时间对时钟芯片进行校准，保证了时间的准确性。时钟部分为整个系统提供了准确的当前时间，为系统定时执行相关指令提供了保证。 

温度测量——数字温度传感器U3将热水器出口水温转换成数字量，存于内部寄存器中，MCU通过读取U3得到水温，从而实现了对水温的检测。根据水温U3和流量CN2，计算出太阳能热水器所获得的能量。 

火灾报警——当发生火灾时，初期会产生大量烟雾，此时烟雾传盖起CN1将输出烟雾浓度信号，当MCU检测到烟雾浓度过大，即认为发生了火灾，同时通过无线收发部分向外发出报警信号。 

显示——本采集系统显示屏LCD1为6位7段码LCD显示屏，MCU将需 要显示的数据通过I2C接口送入LCD1，可以显示水实时流速，通过显示切换按钮S2在各个显示之间切换。初始时显示水实时流速，按下按钮S2后切换显示为累计水流量，再次按下S2，显示切换为水实时流速。 

无线收发——无线收发模块W1实现了采集板与主站之间进行通信，使用无线进行通信，避免了可以省掉通讯线路，使得整个系统更加简洁。无线收发模块可以接收主站点无线收发模块发送过来的指令，并传送给MCU，使得指令可以正确执行，同时可以将MCU得到的采集数据发送到主站点进行处理。 

掉电数据保存——累加得到的水流量以及一些设置参数需要在系统掉电时得到正确保存，当系统恢复供电时，又需要将这些数据正确恢复到MCU的RAM中。这就需要系统能检测到锂电池是否掉电，同时在锂电池掉电后，系统要能维持工作一段时间，以将数据正确保存到EEPROM中。电阻R4、R9将锂电池的电压分压之后送到MCU，进行AD转换，当检测到电压低于一定值，即认为锂电池掉电，MCU将流量等需要保存的数据保存到片内的EEPROM中，法拉级电容C10可以维持系统在掉电之后工作一段时间，从而保证掉电后数据能正确保存。 

站点地址设定——从站点在与主站点进行通信时包含有地址信息，只有到主站点发送的指令中目的地址与自己相同时才进行响应，这样允许一个采集系统中存在多个从站点，实现了对多点数据的同时监测。同时从站点向主机发送的数据中也包含有地址信息，这样主机就可以区分数据是哪个从站点发送的。地址的设定是通过DIP开关S1来设定的，DIP开关的不同状态对应着不同的地址，可以设定16个不同的地址，其中地址0作为特殊用途，不分配给从站点。 

MCU——MCU是整个系统的核心，负载控制各个模块协调工作，收集各个模块采集的数据，并进行分析和转换成需要的格式，同时接收主站点的指令，并将采集数据发送到主站点。 

根据上述技术方案得到的本实用新型能够完成家庭能源的调度与监测，提高绿能利用效率，从而使得本实用新型有效降低年能源消耗约15％。 

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实 施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (1)

1.太阳能家庭能源监控系统，其特征在于，所述监控系统包括智能监控平台、主站、从站，所述智能监控平台包括采集系统、设备管理、能耗计量、数据管理、显示，所述主站包括数据存储器、无线收发模块、MCU、USB接口，所述从站包括智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器，所述智能监控平台和所述主站之间通过所述USB接口交换信息，所述主站和从站采用点对多点的无线通信方式联网，所述智能配电盘、智能插座、气量监测器、水量监测器分别采集相关数据发送至所述主站，该主站将接收到的相关数据发送到所述智能监控平台，该智能监控平台对收到的相关数据进行处理，并将控制命令发送至所述主站，该主站将接收到的控制命令发送到所述从站，该从站执行接收到的控制命令。 

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