專利名稱：樓宇智能用電管理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種樓宇智能用電管理系統(tǒng)，具體說是一種樓宇自動化和智能用電技術相結合的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱。
背景技術：
國家電網公司現(xiàn)致力于建設堅強智能電網，主要涵蓋電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度6個環(huán)節(jié)，其中樓宇智能用電技術是智能電網用電環(huán)節(jié)的重要組成部分。另外，伴隨著我國城市化進程的加快，越來越多的高樓大廈拔地而起，但是，隨之而來的卻是能耗的急速加劇，高能耗既增加了樓宇等建筑的運行成本，同時也浪費了大量的不可再生資源。所以，樓宇智能用電管理技術無論對家庭還是商用都具有重大的意義。現(xiàn)有的相關技術中，一類是只有智能控制的系統(tǒng)，這類系統(tǒng)中，比較常見的就是智能家居控制系統(tǒng)，它主要是實現(xiàn)對用電設備的自動化控制，這類控制系統(tǒng)沒有和智能用電技術(如分時電價機制)相結合，只是根據(jù)環(huán)境因素(如溫濕度、人員活動情況等)或者簡單的定時機制等去控制，沒有實現(xiàn)真正的智能用電；還有一類是利用電能檢測裝置，實時采集樓宇內的各個用電設備的能耗情況，根據(jù)能耗分布去控制設備，這類控制系統(tǒng)中，多數(shù)是根據(jù)長時間的檢測，而后給出經驗性的控制策略，不能給出用戶的用電模型，以至于不能根據(jù)用戶需求、用電模型以及分時定價機制作出一個更為合理的控制策略，而且此類系統(tǒng)中主要是針對能耗的降低，沒有把人的感受和生活環(huán)境等因素考慮在內，不符合當代人們追求高質量的生活條件的需求。此外，現(xiàn)有的樓宇控制系統(tǒng)中，大多數(shù)是采用有線的方式進行通信，布置難度大，成本高，維護不方便。就算是采用了無線的方式，也都是基于簡單的組網方式，沒有嵌入IPv6協(xié)議，大大限制了網絡規(guī)模，也為向其他網絡融合增加了難度。

發(fā)明內容
為了解決上述技術問題，本發(fā)明設計一種樓宇自動化技術和智能用電技術相結合的控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)人的行為感知和分時電價機制，給出一套盡可能的節(jié)約能耗同時又不影響舒適程度的用電設備控制策略，并且，本系統(tǒng)的通信網絡采用基于IPv6的網絡互聯(lián)機制，有利于組建大規(guī)模的通信網絡，也有利于網絡的融合和統(tǒng)一。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:樓宇智能用電管理系統(tǒng)，包括無線測控裝置，用于采集用電設備的電量信息、環(huán)境狀況信息以及執(zhí)行控制命令；智能用電通信網絡，用于各個無線測控裝置與智能交互終端之間的數(shù)據(jù)信息和控制命令的傳遞；智能交互終端，運行電能管理軟件系統(tǒng)，對整個樓宇內采集到的用電信息和環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和處理，下達控制指令。
所述無線測控裝置為由檢測和執(zhí)行單元、中央處理單元以及無線通信單元組成的嵌入式設備。所述無線測控裝置嵌入了 IPv6協(xié)議棧，網絡中每一個無線測控裝置可以用IP來區(qū)分。所述無線測控裝置可以為具有數(shù)據(jù)采集功能的溫濕度采集裝置、光照度采集裝置和人員活動信息采集裝置；也可以為具有執(zhí)行控制指令功能的空調墻控器和照明墻控器；還可以為采集和執(zhí)行一體的裝置，兼有電能信息采集和執(zhí)行控制指令的功能的智能電表和智能插座。所述述智能用電通信網絡的通信電路采用支持IEEE 802.15.4標準的CC2420芯片組成，整個通信網絡使用IEEE 802.15.4作為MAC層協(xié)議，網絡層支持IPv6協(xié)議，并且采用優(yōu)化壓縮IPv6頭部的方法，在資源受限的嵌入式設備上實現(xiàn)IPv6。所述優(yōu)化壓縮IPv6頭部的方法，是對IPv6的協(xié)議棧進行裁剪，去掉冗余信息，壓縮通用信息，將IPv6頭部由48字節(jié)壓縮到6字節(jié)，減輕網絡負擔。所述冗余信息為報文長度、地址、版本；所述通用信息為信息分類、地址前綴、校驗和；所述智能交互終端由采集與控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元、通信單元、液晶顯示單元和中央處理單元組成。所述電能管理軟件系統(tǒng)把分時電價機制和人的行為感知結合起來，作出用電設備控制策略。所述智能交互終端還具有GPRS模塊和以太網模塊，可以與移動通信網絡互連，用戶也可以使用移動電話終端軟件通過互聯(lián)網與智能交互終端交互，隨時隨地監(jiān)控用電設備。本發(fā)明具有以下優(yōu)點:1.樓宇自動化和智能用電技術相結合。本發(fā)明能夠實現(xiàn)樓宇中用電設備的集中管理和分散控制。2.基于IPv6的網絡互聯(lián)機制。每個測控裝置都集成了嵌入式IPv6協(xié)議棧，聯(lián)網靈活可靠，標準統(tǒng)一，成本低，支持即插即用網絡連接。3.針對人行為和感知的用電控制策略。實現(xiàn)把用電設備的控制和人的行為喜好結合在一起，在節(jié)約能源的同時又不影響舒適程度。4.支持分時電價模型。通過對采集到的電能消耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，建立能耗模型，結合分時電價機制，在不影響舒適程度的前提下，盡可能的降低電能消耗。


圖1是本發(fā)明實施例的原理框圖；圖2是本發(fā)明實施例中無線測控裝置的總體結構框圖；圖3是本發(fā)明實施例通信網絡中IPv6報文格式圖；圖4是本發(fā)明實施例中智能交互終端的結構框圖；圖5是本發(fā)明實施例中中央空調的控制流程圖；圖6是本發(fā)明實施例中照明系統(tǒng)的控制流程圖7是本發(fā)明實施例中智能插座的控制流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。一種樓宇智能用電管理系統(tǒng)，由無線測控裝置、智能用電通信網絡、智能交互終端和電能管理軟件系統(tǒng)，共三大部分組成。無線測控裝置分為采集裝置、執(zhí)行裝置以及采集和執(zhí)行一體裝置三類。其中采集裝置只具有數(shù)據(jù)采集功能，包括溫濕度采集裝置、光照度采集裝置和人員活動信息采集裝置；執(zhí)行裝置只具有執(zhí)行控制指令的功能，包括空調墻控器和照明墻控器；采集和執(zhí)行一體裝置兼有電能信息采集和執(zhí)行控制指令的功能，包括智能電表和智能插座。智能用電通信網絡采用基于IPv6的網絡互聯(lián)機制，系統(tǒng)中每個測控裝置都嵌入了 IPv6協(xié)議棧，致使網絡中可以用IP來區(qū)分每一個設備，由于IPv6可以為網絡提供充足的資源，所以這種聯(lián)網機制為建立大型量測和控制系統(tǒng)提供了基礎。本發(fā)明實施例的通信網絡主要有以下特點:在簡單小巧的嵌入式設備中增加IPv6的功能，將大大降低設備聯(lián)網的成本；IPv6引入自動配置以及重配置技術，對于IP地址等信息實現(xiàn)自動增刪和更新配置，即插即用；使用IP進行路由和尋址，無需手動進行，提高了設備的易管理性；本網絡無線通信單點信息傳輸通信成功率大于99%，廣播信息通信成功率大于98%;網絡可實現(xiàn)每15分鐘數(shù)據(jù)雙向傳輸一次，下發(fā)的控制指令時延小于5秒，數(shù)據(jù)信息時延小于10秒；支持遠程軟件更新，支持遠程設置采樣速率、數(shù)據(jù)傳輸速率。本網絡的上述特點有利于向其他網絡的融合和統(tǒng)一，并提升了網絡的可管理性和可擴展性。智能交互終端是整個系統(tǒng)的控制核心，運行電能管理軟件系統(tǒng)，具有參數(shù)設置和查詢，負荷控制與管理，智能用電分析，事件記錄等功能。電能管理軟件系統(tǒng)主要由海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、統(tǒng)計與分析系統(tǒng)和管理與控制系統(tǒng)三部分組成。支持用電載荷情況和用戶環(huán)境信息實時顯示，支持多種電器控制模式，支持用電設備能效性分析，支持分時電價模型。圖1所示為系統(tǒng)的原理框圖，整個系統(tǒng)分為三層:信息采集與命令執(zhí)行層、通信層和控制與管理層。信息采集與命令執(zhí)行層由各種無線測控裝置組成，其中，溫濕度采集裝置由溫濕度傳感單元、無線通信單元和微處理器組成，負責對用電設備的周圍環(huán)境和人居住環(huán)境的溫濕度信息采集，并通過無線傳輸?shù)姆绞剑凑赵O定的時間間隔，(例如，每隔5分鐘，可遠程設置)，經由路由器把采集到的數(shù)據(jù)傳送給智能交互終端。光照度采集裝置由光照度傳感單元、無線通信單元和微處理器組成，負責對用電環(huán)境的燈光亮度信息進行檢測，并把數(shù)據(jù)按照設定的時間間隔，(例如，每隔5分鐘，可遠程設置)，傳送給智能交互終端；人員活動信息采集裝置由人體探測傳感單元、無線通信單元和微處理器組成，負責對人員活動情況進行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)按照設定的時間間隔，(例如，每隔5分鐘，可遠程設置)，傳送給智能交互終端；
空調墻控器由執(zhí)行單元、無線通信單元、按鍵單元、液晶顯示單元和微處理器組成，可以安裝在房間或某區(qū)域墻上的86式接線盒內，通過液晶屏可以實時顯示該區(qū)域的溫濕度和空調當前的運行狀態(tài)，為了方便對空調的控制，每個空調墻控器都帶有按鍵，用戶可以通過按鍵改變空調的狀態(tài)，如溫度設置、運行模式等。每當空調有狀態(tài)改變時，空調墻控器都會向智能交互終端反饋包括空調工作狀態(tài)、運行模式及當前設定溫度等信息?？照{墻控器通過無線的方式時刻等待智能交互終端下達的控制指令，從而實現(xiàn)對空調的控制；照明墻控器由執(zhí)行單元、無線通信單元、按鍵單元和微處理器組成，可以安裝在86式接線盒內，通過無線的方式與智能交互終端交互，實施智能交互終端下達的控制指令，實現(xiàn)對照明燈的控制，墻控器上還帶有按鍵，允許用戶進行臨時手動操作；智能電表主要由計量單元、開關單元、通信單元、存儲單元、顯示單元和微處理器組成。負責以整個房間為單位的能耗數(shù)據(jù)采集和通斷電控制，它由無線通信模塊傳輸采集數(shù)據(jù)和控制指令；智能插座主要由電量計量單元、執(zhí)行單元、無線通信單元和微處理器組成。負責對每個用電設備的能耗數(shù)據(jù)采集和控制，把每個房間內部的能耗分布數(shù)據(jù)通過無線的方式傳送給智能交互終端，并能夠實時根據(jù)交互終端的控制指令控制用電設備。綜上，各個測控裝置可以統(tǒng)一的概括為如圖2的結構，由檢測和執(zhí)行單元、中央處理單元以及無線通信單元組成。每個測控裝置都是一個微型的嵌入式設備，并且內嵌IPv6協(xié)議棧，使其構成網絡中具有唯一 IP地址的智能節(jié)點。通信層電路采用支持IEEE 802.15.4標準的CC2420芯片組成，整個通信網絡使用IEEE 802.15.4作為MAC層協(xié)議，網絡層全面支持IPv6協(xié)議，并且采用優(yōu)化壓縮IPv6頭部的方法，在資源受限的嵌入式設備上實現(xiàn)IPv6。對于本發(fā)明實施例中的測控節(jié)點來說，它們不必實現(xiàn)高層協(xié)議，只要能夠完成傳輸功能即可。所以可以對IPv6的協(xié)議棧進行裁剪，去掉冗余信息，如報文長度、地址、版本等，壓縮通用信息，如信息分類、地址前綴、校驗和等，將IPv6頭部由48字節(jié)壓縮到6字節(jié)，減輕網絡負擔。報文格式如圖3所示。各個測控節(jié)點，在不需要測控和傳輸數(shù)據(jù)的時候能夠轉入休眠模式，大大降低了通信網絡的功耗?？刂婆c管理層由智能交互終端和在其上運行的電能管理軟件系統(tǒng)組成。如圖4所示，智能交互終端由采集與控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元、通信單元、液晶顯示單元和中央處理單元組成。其中，采集與控制單元是與無線測控裝置交互的接口，負責接收各個采集裝置的信息和發(fā)送控制指令；數(shù)據(jù)存儲單元用來存儲臨時設置的參數(shù)，例如:時間和節(jié)點信息等；通信單元包括以太網和GPRS兩個通信接口，可以方便的與外部設備連接；液晶顯示單元由大尺寸觸摸屏及外圍電路組成，提供了一個簡便、美觀的人機交互界面；中央處理單元主要由高性能的微處理器系統(tǒng)組成，是智能交互終端的大腦，負責協(xié)調各個模塊，實現(xiàn)具體功倉泛。智能交互終端運行電能管理軟件系統(tǒng)，對整個樓宇內采集到的用電信息和環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以把采集到的數(shù)據(jù)以每個房間為單位，通過圖表的方式，顯示出能耗分布，同時用圖示的方式反映房間內的環(huán)境信息(溫濕度、光照度、有無人員)，也可以顯示整個樓宇的能耗情況。
樓宇管理人員可以通過智能交互終端的觸控菜單來分別查看各個圖例，實時了解用電設備的用電情況和能耗分布，實時了解各個房間的環(huán)境信息。樓宇管理人員還可以通過軟件系統(tǒng)對用電行為進行預測，建立用電模型，依據(jù)分時電價機制，并結合環(huán)境信息，作出一套面向電網穩(wěn)定、節(jié)能同時又不影響舒適程度的用電設備控制策略。用電設備的具體控制過程如下:智能交互終端提供兩種用電設備控制方式:手動控制和自動控制。手動控制方式下，樓宇管理人員可以通過智能交互終端屏幕上的觸控按鍵，對樓宇內的任何一個設備進行單獨控制。控制命令由智能交互終端下達給各個執(zhí)行裝置，除照明設備和中央空調以外的用電設備均由智能插座執(zhí)行控制。此方式適合在特殊情況，例如，用電設備出現(xiàn)故障，對某個房間有特殊需求等狀況下采用。自動控制方式下，電能管理軟件系統(tǒng)根據(jù)建立的用電模型和電網公司提供的分時電價機制，并結合環(huán)境信息，合理安排用電行為，調控網絡內電能分布，自動生成用電設備的控制序列，由智能交互終端下達給各個執(zhí)行裝置。例如:可以控制某些設備在低價時段運行，如熱水器、洗衣機、冰箱等；可以控制某些設備在高電價時段低功率運行，而在低電價時段加大功率，如空調制冷模式下，可以在高電價時段升高溫度設定值，低電價時段降低溫度設定值。圖5所示為中央空調的控制流程:智能交互終端會始終監(jiān)測區(qū)域內的人員活動情況，如果在一定時間內(如10分鐘)沒有檢測到人員存在，則智能交互終端會發(fā)送關閉指令，此時區(qū)域內的空調墻控器液晶顯示關閉，空調處于關閉狀態(tài)。如果檢測到有人存在，則智能交互終端會發(fā)送運行指令，空調處于運行狀態(tài)。此時，智能交互終端會每隔一定時間(由采集器的數(shù)據(jù)傳輸間隔時間而定)向空調墻控器發(fā)送一次環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并通過空調墻控器的液晶顯示?？照{處于運行狀態(tài)時，智能交互終端首先會根據(jù)控制策略給出推薦的溫度設定值。然后，智能交互終端周期性地采集當前室內溫度，并與當前的溫度設定值進行比較。1.在制冷情況下:如果采集的溫度高于設定溫度，則控制空調墻控器開啟風機；如果采集的溫度等于或者低于設定溫度，則控制空調墻控器關閉風機。2.在制熱情況下:如果采集的溫度低于設定溫度，則控制空調墻控器開啟風機；如果采集的溫度等于或者高于設定溫度，則控制空調墻控器關閉風機。圖6所示為照明系統(tǒng)的控制流程:智能交互終端會一直監(jiān)測區(qū)域內的人員活動情況，如果在一定時間內(如10分鐘)沒有檢測到人員存在，則智能交互終端會發(fā)送關閉燈具指令，此時區(qū)域內的照明墻控器會執(zhí)行相應指令，關閉所有燈具。如果檢測到有人存在，則智能交互終端會發(fā)送開啟燈具指令。此時，智能交互終端會根據(jù)控制策略給出當前時段的推薦照度閾值。如果智能交互終端采集到的光照度信息大于推薦閾值，則控制照明墻控器關閉燈具組合中的部分照明燈；如果接收到的光照度信息小于推薦閾值，則控制照明墻控器繼續(xù)打開組合中的照明燈。圖7所示為除中央空調和照明系統(tǒng)之外的用電設備的控制流程:智能插座是一種通用型的控制器，其帶有紅外遙控和電源通斷控制功能。對于帶有紅外遙控功能的設備，控制器可以學習其紅外控制編碼，實現(xiàn)遙控器的所有控制功能；對于不帶有紅外遙控功能的普通設備，控制器通過繼電器可以控制設備的電源通斷。智能交互終端按照電能管理軟件系統(tǒng)的控制策略，給出控制智能插座的指令，然后下達給智能插座，執(zhí)行相應的控制。智能交互終端，可以對各個房間進行單獨控制，也可以按區(qū)域(幾個房間或者一層樓)進行控制。用戶還可以使用移動電話終端軟件通過互聯(lián)網與智能交互終端交互，隨時隨地都可以了解樓宇用電情況，也可以隨時對用電設備實施控制。
權利要求
1.一種樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，包括 無線測控裝置，用于采集用電設備的電量信息、環(huán)境狀況信息以及執(zhí)行控制命令； 智能用電通信網絡，用于各個無線測控裝置與智能交互終端之間的數(shù)據(jù)信息和控制命令的傳遞； 智能交互終端，運行電能管理軟件系統(tǒng)，對整個樓宇內采集到的用電信息和環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和處理，下達控制指令。
2.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述無線測控裝置為由檢測和執(zhí)行單元、中央處理單元以及無線通信單元組成的嵌入式設備。
3.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述無線測控裝置嵌入了 IPv6協(xié)議棧，網絡中每一個無線測控裝置可以用IP來區(qū)分。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述無線測控裝置可以為具有數(shù)據(jù)采集功能的溫濕度采集裝置、光照度采集裝置和人員活動信息采集裝置；也可以為具有執(zhí)行控制指令功能的空調墻控器和照明墻控器；還可以為采集和執(zhí)行一體的裝置，兼有電能信息采集和執(zhí)行控制指令的功能的智能電表和智能插座。
5.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述述智能用電通信網絡的通信電路采用支持IEEE 802.15.4標準的CC2420芯片組成，整個通信網絡使用IEEE802.15.4作為MAC層協(xié)議，網絡層支持IPv6協(xié)議，并且采用優(yōu)化壓縮IPv6頭部的方法，在資源受限的嵌入式設備上實現(xiàn)IPv6。
6.根據(jù)權利要求5所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化壓縮IPv6頭部的方法，是對IPv6的協(xié)議棧進行裁剪，去掉冗余信息，壓縮通用信息，將IPv6頭部由48字節(jié)壓縮到6字節(jié)，減輕網絡負擔。
7.根據(jù)權利要求6所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述冗余信息為報文長度、地址、版本；所述通用信息為信息分類、地址前綴、校驗和。
8.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述智能交互終端由采集與控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元、通信單元、液晶顯示單元和中央處理單元組成。
9.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電能管理軟件系統(tǒng)把分時電價機制和人的行為感知結合起來，作出用電設備控制策略。
10.根據(jù)權利要求1所述的樓宇智能用電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述智能交互終端還具有GPRS模塊和以太網模塊，可以與移動通信網絡互連，用戶也可以使用移動電話終端軟件通過互聯(lián)網與智能交互終端交互，隨時隨地監(jiān)控用電設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種樓宇智能用電管理系統(tǒng)，具體說是一種樓宇自動化和智能用電技術相結合的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的統(tǒng)稱。本發(fā)明包括無線測控裝置，用于采集用電設備的電量信息、環(huán)境狀況信息以及執(zhí)行控制命令；智能用電通信網絡，用于各個無線測控裝置與智能交互終端之間的數(shù)據(jù)信息和控制命令的傳遞；智能交互終端，運行電能管理軟件系統(tǒng)，對整個樓宇內采集到的用電信息和環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和處理，下達控制指令。本發(fā)明將樓宇自動化和智能用電技術相結合，基于IPv6的網絡互聯(lián)機制，針對人行為和感知的用電控制策略，支持分時電價模型。
文檔編號H02J13/00GK103138395SQ20111040015
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權日2011年12月5日
發(fā)明者崔世界, 葛維春, 王英男, 王芝茗, 尹曉華, 曾鵬, 藏傳治, 尚志軍, 于海斌 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所, 遼寧省電力有限公司沈陽供電公司, 國家電網公司