CN203054540U - 智能家居能源管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于智能用电能效管理领域，具体涉及一种用于智能用电小区的智能家居能源管理系统，该系统包括智能能源管理应用平台服务器、智能管理终端和传感装置，所述智能管理终端接收传感装置所采集的用电设备信息、并通过智能管理终端发送至智能能源管理应用平台服务器进行处理后，由所述智能能源管理应用平台服务器通过智能管理终端向用电设备发出控制命令。该系统具有操作方便、安全可靠、成本低、体积小等优点，能够保护已有用电设备的资金投入，实现向智能家居的平滑过渡和更加主动、智能的家庭能效管理。
Description
技术领域
本实用新型属于智能用电能效管理领域，具体涉及一种用于智能用电小区的智能家居能源管理系统。
背景技术
智能用电小区是为了适应分布式电源广泛应用、居民家用电动汽车及储能装置迅猛发展，满足居民客户对供电服务日趋多样的需求，提高家庭用能综合利用效率，综合运用现代信息、通信、计算机、自动控制等先进技术，支持小型光伏发电、风力发电等可再生能源和电动汽车、储能装置接入电网、双向结算和信息发布，实现居民小区能效智能管理、供电安全可靠、服务双向互动，服务国家“三网融合”战略实施，促进资源优化配置、居民用能效率提升，创建低碳、节能、环保、智能的现代居住示范区。
随着居民生活水平的提高以及新型家庭用电设备的不断出现，居民家庭中安装了越来越多的家庭用电设备，随之而来的是用电负荷快速增长，电能消耗越来越多，而且很多设备在无人时仍在运转，浪费了一定的电能，设备的能效提高以及不同设备之间的匹配需要科学的管理，用户端的能源管理因此受到了越来越多的关注。对家庭设备进行电能监控和控制是提高能效管理的有效方法。国外学者针对能效管理提出了基于PLC（Power Line Communication）的家庭能效管理系统，国内也研究了智能插座等装置来进行能耗管理。家庭网络是进行智能监控和控制的基础，选择合适的通信技术将直接影响智能家居的智能化水平。
ZigBee作为一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，在无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等多个领域得到了广泛的应用，ZigBee按功能角色可分为协调器、路由器以及终端节点三类，ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能，在相同的环境中，ZigBee抗干扰性能远远优于蓝牙和WLAN，通过ZigBee网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、安防装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实。
虽然各用电设备生产厂家都在积极研发新型智能产品，但阶段成果比较有限且普及率不高，各家庭都还使用传统的用电设备，随着智能家居的发展，用户希望在拥有传统用电设备基础上体验智能家居的生活，所以对传统的家庭进行能效管理具有一定的难度，电力线载波通信受干扰等因素影响较大，另外智能插座等产品的开发只是能效管理的初级阶段，还不能算是真正的智能，只是一种智能化产品，还需要人工进行参与管理，本文将基于ZigBee技术开发一种主动的更加智能化的能效管理系统。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提出一种操作方便、安全可靠、成本低、体积小的智能家居能源管理系统。
本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种智能家居能源管理系统，其特征在于：该系统包括智能能源管理应用平台服务器、智能管理终端和传感装置，所述智能管理终端接收传感装置所采集的用电设备信息，并通过智能管理终端发送至智能能源管理应用平台服务器进行处理后，由所述智能能源管理应用平台服务器通过智能管理终端向用电设备发出控制命令。
进一步地，该系统还包括ZigBee电源开关切换装置，所述智能能源管理应用平台服务器根据电力公司发送的分时电价信息，控制所述ZigBee电源开关切换装置进行用电接入方式的切换。
进一步地，所述ZigBee电源开关切换装置包括第一ZigBee通信模块、第一AC/DC转换器、第一继电保护器、切换开关、第一电源输入接口和第一电源输出接口；所述第一AC/DC转换器将通过第一电源输入接口输入的交流电转换为直流电后为该ZigBee电源开关切换装置供电，所述第一ZigBee通信模块收到智能管理终端发出的切换命令后，控制切换开关切换用电接入方式；所述第一继电保护器位于切换开关和第一电源输出接口之间。
进一步地，该系统还包括ZigBee转红外装置，所述ZigBee转红外装置将智能管理终端发送的ZigBee控制信号转换为红外控制信号。
进一步地，所述ZigBee转红外装置包括第二ZigBee通信模块、红外控制器、发光功率放大器、红外发射器和第一稳压电源，通过所述第二ZigBee通信模块完成与智能管理终端之间的通信，所述红外控制器将ZigBee信号转换为红外信号，所述发光功率放大器将转换后的红外信号进行功率放大，所述红外发射器将功率放大后的红外信号发送至用电设备；所述第一稳压电源为ZigBee转红外装置提供稳定的工作电源。
进一步地，所述智能能源管理应用平台服务器可以包括顺次连接的情景感知服务器、信息融合服务器、专家知识库服务器、预测推理服务器、判定决策服务器、情景重配置服务器和能效管理服务器。
进一步地，所述智能管理终端可以包括第二稳压电源、通信模块、安全控制服务器、中央处理器以及与中央处理器相连接的协议转换器、存储器、显示器、自检芯片、复位芯片和电力质量测量芯片，所述第二稳压电源为智能管理终端供电，所述安全控制服务器分别与通信模块和协议转换器相连接。
进一步地，所述通信模块可以包括光接口、LAN接口、WiFi接口和ZigBee接口。
进一步地，所述传感装置可以包括ZigBee电源适配器和分布式ZigBee感知装置。
进一步地，所述ZigBee电源适配器可以包括第三ZigBee通信模块、第二AC/DC转换器、第二继电保护器、检测芯片、计量芯片、第二电源输入接口和第二电源输出接口；所述第二AC/DC转换器将通过第二电源输入接口输入的交流电转换为直流电后为该ZigBee电源适配器供电；所述检测芯片和计量芯片对用电设备的功率进行检测和统计后，通过所述第三ZigBee通信模块传至智能管理终端；所述第二继电保护器位于第二电源输入接口和第二电源输出接口之间。
进一步地，所述分布式ZigBee感知装置可以包括感知模块、信号放大器、模数转换器、第四ZigBee通信模块和第三稳压电源，所述感知模块将所采集的用电设备信息送至信号放大器进行放大，并通过模数转换器将放大后的模拟信息转换为数字信息后通过第四ZigBee通信模块传至智能管理终端；所述第三稳压电源为该分布式ZigBee感知装置提供稳定的电源。
本实用新型的有益效果在于：
（1）实现更加主动、智能的家庭能效管理
本实用新型提出了一种智能能源管理系统，该系统利用家庭内部分布的各类传感装置能够主动对家庭用电环境进行感知，通过信息采集、融合处理以及经验学习手段，结合供电公司阶梯电价信息，能够自动做出节能优化方案，通过智能管理终端控制用能设备实现家庭用能设备管理和入户电源接入切换，有效提高能效管理水平、降低用户电费支出。
（2）感知、控制装置低配置、硬件少、成本低、体积小
本实用新型对各类感知、控制装置进行低配置、硬件少的设计，这样就有利于降低成本且体积较小易于安装，将数据处理部分通过家庭网络交予应用平台进行处理，充分利用应用平台硬件资源。
（3）充分利用ZigBee网络技术
本实用新型采用ZigBee的家庭内部组网方式实现能效管理，保证数据传输质量、提高传输抗干扰能力、减少布线复杂度、降低家庭组网成本。
（4）保护已有用电设备资金投入，实现向智能家居平滑过渡
本实用新型通过利用ZigBee电源适配器、ZigBee转红外装置等实现对传统用电设备的控制，有效保护用户已有投资，实现向智能家居平滑过渡。
附图说明
图1是本实用新型的智能家居能源管理系统的拓扑结构图；
图2是智能能源管理应用平台服务器的结构示意图；
图3是智能管理终端的结构示意图；
图4是ZigBee电源适配器的结构示意图；
图5是ZigBee转红外装置的结构示意图；
图6是ZigBee感知装置的结构示意图；
图7是ZigBee电源开关切换装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的智能家居能源管理系统做进一步详细的说明。
如图1所示，本例中的智能家居能源管理系统包括智能能源管理应用平台服务器、智能管理终端和传感装置。其中，传感装置可以包括ZigBee电源适配器（ZigBee Based PowerAdapter，简称ZBPA）和分布式ZigBee感知装置（Distributed ZigBee Based Sensing，简称DZBS）。为了实现本例中能源管理系统用电接入方式的灵活切换，该系统还可包括ZigBee电源开关切换装置（ZigBee Based Power Switch，简称ZBPS）。为了实现智能管理终端对传统红外用电设备的控制，本例中通过增设ZigBee转红外装置（ZigBee Convert IR，简称ZCIR）进一步实现。上述智能管理终端具备ZigBee协调器功能，ZigBee电源适配器具备路由器功能，分布式ZigBee感知装置、ZigBee转红外装置以及ZigBee电源开关切换装置充当ZigBee终端节点角色。智能能源管理应用平台负责对整个家居内的能耗进行管理，可以远程接收用户指令，实现不同应用模式的转换，实现对家庭内部各种电器的控制；定时向智能管理终端发送感知命令或者底层装置主动上传数据，借助各类传感装置，感知家庭内部环境，对反馈的数据进行智能处理，智能关闭或调节各类用电设备的工作状态；对末端节点主动上报的紧急信息进行及时处理；根据电力公司的最新电价信息，实现市电和清洁能源之间的用电切换，尽可能为用户减少电费支出。
如图2所示，智能能源管理应用平台包括情景感知服务器、信息融合服务器、专家知识库服务器、预测推理服务器、判定决策服务器、情景重配置服务器和能效管理服务器七大部分。其中，情景感知服务器通过分布式ZigBee感知装置实现主动或被动地对家庭用电环境进行感知，获取用电设备功耗信息、传感感知信息（温度信息、亮度信息、人员走动信息）等，例如通过感知得出在一定时间内某个房间处于无人状态，但空调、电视等用电设备仍在运行的信息；信息融合服务器对收集到的信息进行综合处理，形成具有一定格式的数据信息；专家知识库服务器负责为综合处理的信息进行比对和参考；预测推理服务器是根据实际感知信息以及专家知识库信息进行用电环境的推理；判定决策服务器是根据推理的结果做出决策，情景重配置服务器根据决策的结果对家庭用电设备的运行参数等进行调整；能效管理服务器负责将重配置的信息发送给智能管理终端，由智能管理终端通过ZigBee电源适配器、ZigBee转红外装置、ZigBee电源开关切换装置对用电方式进行转换、用电设备工作状态调整等。
如图3所示，智能管理终端是智能家居能源管理系统的核心设备，该终端包括通信模块、安全控制服务器、协议转换器、中央处理器、存储器、自检芯片、复位芯片、显示器、电力质量测量芯片和第二稳压电源。其中，通信模块连接安全控制服务器；安全控制服务器连接协议转换器；协议转换器、存储其、显示器、自检芯片、复位芯片、电力质量测量芯片与中央处理器连接；第二稳压电源负责整个智能管理终端的运行电力保障。通信模块包括光接口、LAN接口、WiFi接口和ZigBee接口，主要负责上行下行通信；其中，上行通过光接口与光纤复合低压电缆中的光纤连接，接收供电公司的不同时段的电价信息，为接入电源切换做参考；下行接口包括LAN接口、WiFi接口、ZigBee接口，LAN接口负责与智能能源管理应用平台连接，WiFi接口是方便移动智能设备的接入，例如使用ipad\iphone等设备对家庭能源进行管理，ZigBee接口负责整个家庭内部ZigBee的网络通信，ZigBee通信模块具备ZigBee协调器功能，由智能管理终端负责ZigBee网络的管理；安全控制服务器是保证信息的安全，防止恶意侵入；协议转换器是负责对各类传感数据的数据格式进行转换，以便中央处理器进行处理；中央处理器是整个终端的核心部件，负责对整个终端中各部件的管理；存储器是运行日志、故障日志等信息存储的部件；自检芯片是开机自检模块，保证终端正常运行；复位芯片是当终端出现故障时，可以进行复位回到上一次修订的状态；显示器主要显示终端工作状态信息；电力质量测量芯片负责电力质量测量，结合电力公司的电价信息在不同的时段选择合适的切换方式，保证用电质量同时降低用电费用。
如图4所示，基于ZigBee的电源适配器主要包括第二继电保护器、第二AC/DC转换器、第三ZigBee通信模块、检测芯片、计量芯片、第二电源输入接口和第二电源输出接口；第二继电保护器的输入端连接有第二电源输入接口、其输出端连接有第二电源输出接口，第二继电保护器的输出端还通过顺次连接的检测芯片和计量芯片与第三ZigBee通信模块相连，第三ZigBee通信模块的一端通过第二AC/DC转换器与第二继电保护器相连、另一端直接与第二继电保护器相连。该电源适配器主要用于与传统不带红外的用电设备进行连接，向上层发送用电设备耗能信息，接收智能管理终端的命令进行开关控制实现节能管理。其中，第二继电保护器用于保护用电安全；第二AC/DC转换器用于电源转换实现为装置供电；第三ZigBee通信模块负责信息无线传输并进行装置管理，具备ZigBee路由器功能；检测芯片负责检测用电设备的功率检测；计量芯片实现每时、每天、每周、每月的用电设备的功率信息统计；该电源适配器接收智能管理终端命令或主动将功率信息通过ZigBee网络发送给智能管理终端，再由智能管理终端发送到智能能源管理应用平台服务器进行数据处理执行一系列操作。
如图5所示，ZigBee转红外装置包括第二ZigBee通信模块、红外控制器（学习型）、发光功率放大器、红外发射器和第一稳压电源。该装置主要用于传统带红外的用电设备进行控制，通过智能处理可以对用电设备进行状态调整，比如空调的温度调整，电视的节目频道调整等，也可以执行开关命令。该装置中的第二ZigBee通信模块负责信息无线传输并进行装置管理，具备ZigBee终端节点功能；红外控制器（学习型）负责ZigBee信号和红外信号的转换；发光功率放大器负责对红外信号的功率进行放大，增加传输距离；红外发射器负责红外信号的发送；第一稳压电源负责为整个ZigBee转红外装置提供稳定电源。
如图6所示，分布式ZigBee感知装置包括感知模块、信号放大器、数模转换器、第四ZigBee通信模块和第三稳压电源。该装置中的感知模块负责定时主动或接收上层命令被动对家庭内部环境的感知，包括温度、湿度、光照、人员走动等信息；信号放大器负责对接收的传感信息信号进行放大，保证检测结果的准确性；数模转换器负责对感知的模拟信息进行转换，形成数字信息传输给第四ZigBee通信模块；第四ZigBee通信模块负责将感知信息发送给智能管理终端进行处理，具备ZigBee终端节点功能；第三稳压电源（由稳压模块和电池组成）负责整个装置的稳定供电。
如图7所示，ZigBee电源开关切换装置包括第一ZigBee通信模块、第一AC/DC转换器、第一继电保护器、切换开关、第一电源输入接口和第一电源输出接口；切换开关的一端与第一电源输入接口连接、其另一端与第一继电保护器连接，第一继电保护器的另一端连接有电源输出接口；切换开关与第一继电保护器之间通过第一AC/DC转换器与第一ZigBee通信模块的一端连接，第一ZigBee通信模块的另一端与切换开关连接。该装置中的第一ZigBee通信模块负责接收智能管理终端发送的切换命令信息并具备ZigBee终端节点功能；第一AC/DC转换器用于电源转换实现为装置供电；第一继电保护器是保护家庭用电安全；切换开关实现新能源发电和市电的用电接入方式的切换。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本实用新型进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (11)
1.一种智能家居能源管理系统，其特征在于：该系统包括智能能源管理应用平台服务器、智能管理终端和传感装置，所述智能管理终端接收传感装置所采集的用电设备信息、并发送至智能能源管理应用平台服务器进行处理后，由所述智能能源管理应用平台服务器通过智能管理终端向用电设备发出控制命令。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统还包括ZigBee电源开关切换装置，所述智能能源管理应用平台服务器根据电力公司发送的分时电价信息，控制所述ZigBee电源开关切换装置进行用电接入方式的切换。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述ZigBee电源开关切换装置包括第一ZigBee通信模块、第一AC/DC转换器、第一继电保护器、切换开关、第一电源输入接口和第一电源输出接口；所述第一AC/DC转换器将通过第一电源输入接口输入的交流电转换为直流电后为该ZigBee电源开关切换装置供电，所述第一ZigBee通信模块收到智能管理终端发出的切换命令后，控制切换开关切换用电接入方式；所述第一继电保护器位于切换开关和第一电源输出接口之间。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统还包括ZigBee转红外装置，所述ZigBee转红外装置将智能管理终端发送的ZigBee控制信号转换为红外控制信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述ZigBee转红外装置包括第二ZigBee通信模块、红外控制器、发光功率放大器、红外发射器和第一稳压电源，通过所述第二ZigBee通信模块完成与智能管理终端之间的通信，所述红外控制器将ZigBee信号转换为红外信号，所述发光功率放大器将转换后的红外信号进行功率放大，所述红外发射器将功率放大后的红外信号发送至用电设备；所述第一稳压电源为ZigBee转红外装置提供稳定的工作电源。
6.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于：所述智能能源管理应用平台服务器包括顺次连接的情景感知服务器、信息融合服务器、专家知识库服务器、预测推理服务器、判定决策服务器、情景重配置服务器和能效管理服务器。
7.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于：所述智能管理终端包括第二稳压电源、通信模块、安全控制服务器、中央处理器以及与中央处理器相连接的协议转换器、存储器、显示器、自检芯片、复位芯片和电力质量测量芯片，所述第二稳压电源为智能管理终端供电，所述安全控制服务器分别与通信模块和协议转换器相连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述通信模块包括光接口、LAN接口、WiFi接口和ZigBee接口。
9.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于：所述传感装置包括ZigBee电源适配器和分布式ZigBee感知装置。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述ZigBee电源适配器包括第三ZigBee通信模块、第二AC/DC转换器、第二继电保护器、检测芯片、计量芯片、第二电源输入接口和第二电源输出接口；所述第二AC/DC转换器将通过第二电源输入接口输入的交流电转换为直流电后为该ZigBee电源适配器供电；所述检测芯片和计量芯片对用电设备的功率进行检测和统计后，通过所述第三ZigBee通信模块传至智能管理终端；所述第二继电保护器位于第二电源输入接口和第二电源输出接口之间。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述分布式ZigBee感知装置包括感知模块、信号放大器、模数转换器、第四ZigBee通信模块和第三稳压电源，所述感知模块将所采集的用电设备信息送至信号放大器进行放大，并通过模数转换器将放大后的模拟信息转换为数字信息后通过第四ZigBee通信模块传至智能管理终端；所述第三稳压电源为该分布式ZigBee感知装置提供稳定的电源。
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