CN202837961U - 一种基于物联网的能耗信息动态监测系统 - Google Patents

一种基于物联网的能耗信息动态监测系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，包括数据采集端、网关和监测服务端；所述数据采集端包括多个用于实时检测能耗的检测节点，检测节点与各种能耗计量仪表连接，所述检测节点通过有线或无线网络链路与网关连接；本实用新型采用物联网技术，实现能源资源的合理调度，综合利用能源资源对工厂消耗的电、水、蒸汽、煤、油等进行动态的实时监测，监测结果通过网络反馈给动态监控计算机，并存储到数据库，可根据用户需要生成报表，供决策层参考。企业可以摒除原来紧靠人工抄表所带来的误读、耗时等诸多缺点，有效提高企业对能耗的监测和管理的效率，促进合理调度能源资源决策的制定和实施。

Description

一种基于物联网的能耗信息动态监测系统
技术领域
本实用新型涉及能耗检测领域，特别是一种基于物联网的能耗信息动态监测系统。 
背景技术
随着经济的不断发展，需要大量的能源支持，目前我国的能源消耗仅次于美国，当前形势下资源环境与经济发展的矛盾十分突出，相当数量制造企业都属于能耗大、成本高的高耗能型企业，能源利用率低、浪费现象比较严重，造成产品附加值低、利润少，竞争能力降低。另外，制造企业所面临的能源资源紧张、原材料供应困难和劳动力成本升高等问题，滞缓企业进一步发展壮大。如何改变这种能耗大、成本高、利润少的现状成为“十二五”规划中的重点。 
造成能源资源高消耗和浪费的重要原因之一，是企业对能源消耗缺乏科学、有效的监测和管理。传统的能耗监测与能源管理均依赖人手工进行，纯人工抄表、统计的方式，存在下列问题：1，人工抄录采集能耗数据采集效率低，周期长，频率高，人工成本高；2，人工采集过程繁琐，容易出错，统计分析结果不一定客观、真实；3，大量纸质报表存储、统计分析存在困难，能耗数据无法与企业内部其它系统有效共享；4，能耗数据抄录采集、统计缺乏实时性，无法及时发现设备故障隐患；5，无法得知产品单位能耗成本、自产能源的生产成本等重要指标；6，无法及时获得全面准确地对自身及各厂线的能耗状况进行评价；7，能源无法合理调度，更无法主动的对有节能潜力的能耗设备或生产工艺进行节能改造。 
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供对工厂能耗如电、水、蒸汽、煤等消耗量进行动态监测和管理，实现工厂能源资源的最优配置的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统。 
本实用新型解决其问题所采用的技术方案是： 
一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，包括监测服务端；所述数据采集端包括多个用于实时检测能耗的检测节点，检测节点与各种能耗计量仪表连接，所述检测节点通过有线或无线网络链路与网关连接；所述监测服务端包括一台具有公网IP地址的动态监控计算机，所述网关通过工业以太网或互联网与动态监控计算机相连。
进一步，所述检测节点包括处理器模块、用于与测量动态能耗数据的节点传感器模块或集成有传感器测量模块的数字仪表相连的传感器接口、无线通信模块和电源模块；所述传感器接口通过接收节点传感器模块的检测数据并传输至处理器模块进行处理；无线通信模块与处理器模块相连接收来自处理器模块的数据并以无线收发的方式完成数据与网关及其他检测节点的通信；所述电源模块分别与处理器模块、传感器接口、无线通信模块相连提供工作电压。 
检测节点内的传感器接口与节点传感器模块连接，其中节点传感器模块与能耗计量仪表连接并动态检测该节点的能耗数据，并通过传感器接口将该数据传输至处理器模块；节点传感器模块包括水流量测量传感模块、耗电量测量传感模块、蒸汽消耗量测量传感模块、煤耗量测量传感器模块。 
本实用新型中对水、电、蒸汽等耗量也可采用数字仪表（也即数字集成化的传感器测量模块），读取的数据直接与传感器接口连接，从而实现信息的采集。 
进一步，所述检测节点还包括用于接收来自传感器接口能耗动态检测数据信号的调理电路，所述信号调理电路接收来自传感器接口的能耗动态检测数据，并对其进行放大滤波后输出至处理器模块。 
优选地，所述处理器模块采用TI公司的MSP430F149微控制器。处理器模块是检测节点的核心部件，节点的功能实现、任务调度、通信状态、工作状态、数据处理融合、通信协议、路由协议、监测服务端协议等都由处理器模块实现，所以处理器芯片的选择在节点的硬件设计中非常重要。采用TI公司的MSP430F149微控制器能满足成本低、外形小、集成度高、功耗低、运行速度快等要求。 
进一步，无线通信模块采用无线射频CC2420模块。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为 250kbps。 
进一步，所述电源模块包括通过环境振动进行发电的压电自发电单元和压电能量收集模块，所述压电能量收集模块与压电自发电单元相连通过收集来自压电自发电单元的电荷量，进行转换后为检测节点电路相连提供工作电压。 
压电自发电单元，相对于其他微型发电装置，其具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，因此，压电自发电装置广泛应用于不同领域，从而使其成为自供能系统研究领域中的焦点，在实际应用中有广阔的发展前途，同时也为无线传感检测节点能源开辟了新途径。其发电原理是利用压电材料的正压电效应将机械振动转化为电能，因压电陶瓷材料每次受压产生的电荷量不大，故需采用特定的电荷收集技术将这些电荷收集存储起来。 
作为上述的进一步改进，所述压电能量收集模块采用美国凌力尔特公司推出的新型压电能量收集模块LTC3588-1。LTC3588-1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电传感器收集环境中的振动能量，然后将这种能量转换成调节好的输出，可以很好地为微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。 
进一步，数据采集端中的检测节点采用基于TDMA机制的无竞争多通道MAC协议与网关或其他检测节点进行通信。该设计可避免不同检测节点与簇头节点间数据传送时的冲突，没有竞争机制中的碰撞重传问题，有利于延迟受限的实时业务传输，并且数据传输时不需要过多的控制信息，节点在空闲时槽可以及时进入睡眠而节省能量。多信道协议带宽利用率高，有利于传输需要高速率的业务，通过改进可以应用于簇内传感器节点与簇头节点间的通信。另外，由于在本地通信簇内通信都为单跳通信，因此无需特别设计相应的路由协议。 
进一步，所述动态监控计算机包括用于接收来自网关能耗动态检测数据的数据接收模块、用于对能耗动态检测数据进行存储的数据库存储模块，用于对能耗动态检测数据进行时间变化分析的时间变化分析模块、用于对能耗动态检测数据进行空间分布分析的空间分布分析模块和用于对检测节点发送配置信息的WSN参数配置模块；所述数据库存储模块、时间变化分析模块、空间分布分析模块、WSN参数配置模块分别与数据接收模块相连。 
进一步，所述数据接收模块包括异构网络数据接收模块和数据解析模块，所述异构网络数据接收模块与工业以太网或互联网相连获取动态能耗检测数据，并将该数据传输至数据解析模块进行解析，然后将解析后的数据传输至动态监控计算机内的其他模块。 
进一步，所述数据库存储模块包括用于存储数据的数据存储器和用于浏览数据存储器内数据的数据浏览模块，所述数据储存器从数据接收模块中获取数据信息并进行存储，当需要对数据进行读取、浏览时，系统通过数据浏览模块进行操作。 
进一步，所述时间变化分析模块包括数据时序绘图模块和曲线图交互操作模块，数据时序绘图模块和曲线图交互操作模块以数据绘图的方式对对数据的时间变化进行处理，并得出能耗时间数据分析。 
进一步，所述空间分布分析模块包括GIS功能模块和节点图层创建模块，动态监控计算机通过GIS功能模块和节点图层创建模块对能耗的控制分布进行分析。 
进一步，所述WSN参数配置模块包括节点设备参数配置模块和传感器参数配置模块，分别对检测节点和传感器进行远程配置，能主动对具有节能潜力的能耗设备或生成工艺进行节能改造。 
本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统, 采用物联网技术，通过数据采集端检测节点对制造业企业进行能耗的动态监测与管理，并利用过程优化控制和节能技术对工厂耗能设备进行控制，实现能源资源的合理调度，综合利用能源资源。在预定监测范围内布置无线传感器网络的检测节点，对工厂消耗的电、水、蒸汽、煤、油等进行动态的实时监测，监测结果通过网络反馈给动态监控计算机，并存储到数据库，可根据用户需要生成报表，供决策层参考。这样，企业可以摒除原来紧靠人工抄表所带来的误读、耗时等诸多缺点，有效提高企业对能耗的监测和管理的效率，促进合理调度能源资源决策的制定和实施。 
附图说明
图1是本实用能耗信息动态监测系统的系统结构图。 
图2是本实用新型检测节点的结构框图。 
图3是本实用新型动态监控计算机的系统框图。 
图4是本实用新型检测节点的微处理器及其接口示意图。 
图5是本实用新型无线通信模块的示意图。 
图6是本实用新型压电能量收集模块的电路原理图。 
具体实施方式
参照图1，本实用新型的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，包括： 
数据采集端，用于获取节点能耗动态信息，所述数据采集端包括多个用于实时检测能耗的检测节点，检测节点与各种能耗计量仪表连接，检测节点通过有线或无线网络链路将动态检测数据传输至网关。
网关，用于实时传输能耗动态检测数据，所述网关接收来自数据采集端的动态能耗检测数据，并通过工业以太网或物联网将动态能耗检测数据传输至监测服务端。 
监测服务端，用于分析动态能耗检测数据并实现对检测节点的在线监控和管理，所述监测服务端包括一台具有公网IP地址的动态监控计算机，所述动态监控计算机接收来自网关的动态能耗检测数据并进行分析和管理。 
进一步，参照图2，所述检测节点包括：处理器模块，用于实现节点的功能控制并进行通信调度。 
传感器接口，用于与测量动态能耗数据的节点传感器模块或集成有传感器测量模块的数字仪表相连，传感器接口通过接收节点传感器模块的检测数据并通过信号调理电路处理后传输至处理器模块进行处理。 
信号调理电路，所述信号调理电路接收来自传感器接口的能耗动态检测数据，并对其进行放大滤波后输出至处理器模块。 
无线通信模块，无线通信模块与处理器模块相连接收来自处理器模块的数据并以无线收发的方式完成数据与网关及其他检测节点的通信。 
电源模块，所述电源模块分别与处理器模块、传感器接口、无线通信模块相连提供工作电压。 
其中检测节点内的传感器接口与节点传感器模块连接，其中节点传感器模块与能耗计量仪表连接并动态检测该节点的能耗数据，并通过传感器接口将该数据传输至处理器模块；节点传感器模块包括水流量测量传感模块、耗电量测量传感模块、蒸汽消耗量测量传感模块、煤耗量测量传感器模块。 
本实用新型中对水、电、蒸汽等耗量也可采用数字仪表（也即数字集成化的传感器测量模块），读取的数据直接与传感器接口连接，从而实现信息的采集。 
优选地，所述处理器模块采用TI公司的MSP430F149微控制器。处理器模块是检测节点的核心部件，节点的功能实现、任务调度、通信状态、工作状态、数据处理融合、通信协议、路由协议、监测服务端协议等都由处理器模块实现，所以处理器芯片的选择在节点的硬件设计中非常重要。采用TI公司的MSP430F149微控制器能满足成本低、外形小、集成度高、功耗低、运行速度快等要求。 
MSP430F149微控制器采用16位RISC结构，芯片面积约1平方厘米（外形小），125ns指令周期（运行速度快），1.8~3.6V低电源电压，有5种节电模式（功耗低），具有片内60KB的程序存储器（Flash）、2KB的数据存储器（RAM）和4KB的EEPROM，12位200Kbps的A/D转换器、6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、UART、SPI、I2C总线等接口（集成度高），其中A/D转换器可以用于接入传感器模拟信号，带中断的端口可用于接入传感器数字信号，SPI用于与射频模块CC2420连接。微处理器的接口原理图如图4所示。 
进一步，无线通信模块采用无线射频CC2420模块。该芯片只需晶体振荡器及负载电容、输入/输出匹配元件和电源去耦电容等很少的外部元件即可正常工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性，其最大收发速率为 250kbps。模块示意图如图5所示。 
进一步，所述电源模块包括通过环境振动进行发电的压电自发电单元和压电能量收集模块，所述压电能量收集模块与压电自发电单元相连通过收集来自压电自发电单元的电荷量，进行转换后为检测节点电路相连提供工作电压。压电自发电单元，相对于其他微型发电装置，其具有结构简单、不发热、无电磁干扰等优点，因此，压电自发电装置广泛应用于不同领域，从而使其成为自供能系统研究领域中的焦点，在实际应用中有广阔的发展前途，同时也为无线传感检测节点能源开辟了新途径。其发电原理是利用压电材料的正压电效应将机械振动转化为电能，因压电陶瓷材料每次受压产生的电荷量不大，故需采用特定的电荷收集技术将这些电荷收集存储起来。 
作为上述的进一步改进，参照图6所示，所述压电能量收集模块采用美国凌力尔特公司推出的新型压电能量收集模块LTC3588-1。LTC3588-1内部集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器，通过压电传感器收集环境中的振动能量，然后将这种能量转换成调节好的输出，可以很好地为微控制器、传感器、数据转换器和无线传输组件供电。 
进一步，数据采集端中的检测节点采用基于TDMA机制的无竞争多通道MAC协议与网关或其他检测节点进行通信。该设计可避免不同检测节点与簇头节点间数据传送时的冲突，没有竞争机制中的碰撞重传问题，有利于延迟受限的实时业务传输，并且数据传输时不需要过多的控制信息，节点在空闲时槽可以及时进入睡眠而节省能量。多信道协议带宽利用率高，有利于传输需要高速率的业务，通过改进可以应用于簇内传感器节点与簇头节点间的通信。另外，由于在本地通信簇内通信都为单跳通信，因此无需特别设计相应的路由协议。 
进一步，参照图3，监测服务端中所述动态监控计算机包括： 
数据接收模块，用于接收来自网关的能耗动态检测数据；
数据库存储模块，与数据接收模块相连对能耗动态检测数据进行存储；
时间变化分析模块，接收来自数据传输模块的能耗动态检测数据并对其进行时间变化分析；
空间分布分析模块，接收来自数据传输模块的能耗动态检测数据并对其进行空间变化分析；
WSN参数配置模块，与数据接收模块连接并通过数据接收模块和网关向检测节点发送配置检测节点的信息。
进一步，所述数据接收模块包括异构网络数据接收模块和数据解析模块，所述异构网络数据接收模块与工业以太网或互联网相连获取动态能耗检测数据，并将该数据传输至数据解析模块进行解析，然后将解析后的数据传输至动态监控计算机内的其他模块。 
进一步，所述数据库存储模块包括用于存储数据的数据存储器和用于浏览数据存储器内数据的数据浏览模块，所述数据储存器从数据接收模块中获取数据信息并进行存储，当需要对数据进行读取、浏览时，系统通过数据浏览模块进行操作。 
进一步，所述时间变化分析模块包括数据时序绘图模块和曲线图交互操作模块，数据时序绘图模块和曲线图交互操作模块以数据绘图的方式对对数据的时间变化进行处理，并得出能耗时间数据分析。 
进一步，所述空间分布分析模块包括GIS功能模块和节点图层创建模块，动态监控计算机通过GIS功能模块和节点图层创建模块对能耗的控制分布进行分析。 
进一步，所述WSN参数配置模块包括节点设备参数配置模块和传感器参数配置模块，分别对检测节点和传感器进行远程配置，能主动对具有节能潜力的能耗设备或生成工艺进行节能改造。 
以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。 

Claims (5)

1.一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，其特征在于：包括监测服务端；所述数据采集端包括多个用于实时检测能耗的检测节点，检测节点与各种能耗计量仪表连接，所述检测节点通过有线或无线网络链路与网关连接；所述监测服务端包括一台具有公网IP地址的动态监控计算机，所述网关通过工业以太网或互联网与动态监控计算机相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，其特征在于：所述检测节点包括处理器模块、用于与测量动态能耗数据的节点传感器模块或集成有传感器测量模块的数字仪表相连的传感器接口、无线通信模块和电源模块；所述传感器接口通过接收节点传感器模块的检测数据并传输至处理器模块进行处理；无线通信模块与处理器模块相连接收来自处理器模块的数据并以无线收发的方式完成数据与网关及其他检测节点的通信；所述电源模块分别与处理器模块、传感器接口、无线通信模块相连提供工作电压。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，其特征在于：所述检测节点还包括用于接收来自传感器接口能耗动态检测数据信号的调理电路，所述信号调理电路接收来自传感器接口的能耗动态检测数据，并对其进行放大滤波后输出至处理器模块。
4.根据权利要求2所述的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，其特征在于：所述电源模块包括通过环境振动进行发电的压电自发电单元和压电能量收集模块，所述压电能量收集模块与压电自发电单元相连通过收集来自压电自发电单元的电荷量，进行转换后为检测节点电路相连提供工作电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的能耗信息动态监测系统，其特征在于：数据采集端中的检测节点采用基于TDMA机制的无竞争多通道MAC协议与网关或其他检测节点进行通信。
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