基于物联网和云计算的实时互动智能用电系统及互动方法

摘要

本发明属于自动化用电系统范围的一种基于物联网和云计算的实时互动智能用电系统及互动方法，具体说是该互动智能用电系统是基于物联网和云计算技术的一种互动智能用电系统，该系统的智能终端与智能电表通过各自的RS485接口相连接，以半双工的方式进行有线通信；智能终端与N个智能插座通过各自ZigBee模块，以半双工的方式进行无线通信；其中智能终端为全功能型ZigBee主协调器，智能插座为精简型ZigBee终端节点。本发明结合智能电网特征，并利用物联网和云计算技术，实现用电信息的实时可视化、互动多元化、联动智能化、决策科学化。采用一键OK”式操作模式，提高了灵活性及易用性。

说明书

技术领域

本发明属于自动化用电系统范围的一种基于物联网和云计算技术的实时互动智能用电系统及互动方法。具体说是该互动智能用电系统是基于物联网和云计算技术的一种互动智能用电系统。具体结合智能电网特征，并利用物联网和云计算技术，实现用电信息的实时可视化；采用一键OK”式操作模式，提高了灵活性及易用性。 

技术背景

进入21世纪，节能减碳和提升能源效率成为全世界的共识，在此背景下，智能电网成为全球电力行业应对未来挑战的共同选择。2007年美国总统奥巴马确立了智能电网的国家战略地位，2009年国家电网公司也提出了建设坚强智能电网。 

同时，物联网技术被看作信息领略的一次重大变革，自2009年以来，美国、欧盟和日本等都将之上升为国家战略，而且我国“十二五”规划也将物联网作为国家5大战略性新兴产业之一。物联网技术将进一步助于智能电网的实现，如电网与用户间的智能互动。智能电网和物联网技术相互渗透、深度融合和广泛应用，将进一步促进节能减排，提升电网信息化、自动化和互动化的水平。 

此外，云计算自2007年被IBM公司提出，如今已成为信息技术领域的热门话题之一，是产业界、学术界、政府等各界均十分关注的焦点.云计算以其便利、经济、高可扩展性等优势吸引了越来越多的企业的目光，将其从IT基础设施管理与维护的沉重压力中解放出来，更专注于自身的核心业务发展。云计算代表了IT领域迅速向集约化、规模化与专业化道路发展的趋势，有人形象地将云计算比喻成为当前信息领域正在发生的工业化革命。 

纵观电力供应网络，在发、输、配和用电四个环节中，用电环节相对薄弱，严重影响了电力系统的整体性能和效率。并且各国都将以智能电表为关键的高级量测体系作为实现智能电网架构第一步，因此智能电表和智能交互终端等技术将带来一场用电革命。 

随着智能电网高级量测体系的推进，实时互动智能用电的需求日趋显现。由于智能电网具有双向的电力潮流和数字信息流，这就要求智能电表既是信息的检测和收集者，也是电网和用户之间数据传递的桥梁。然而国内的分时峰谷电表、预付费电表和自动抄表不支持信息和电能的交互，它们都不能同电网进行实时互动，与真正意义上的智能电表还有很大差别。 

智能电网最大特征就是互动化，然而目前的智能家居系统大多为单向通信或非交互式双向通信，单个家庭为单位，缺乏与电力公司的有效沟通，无法适应智能电网背景下的交互式通信、需求侧管理和实时电价等方面的要求。因此推出一种与电网互动的智能用电系统势在必行。 

智能用电系统控制家居设备控制方式单一，联动控制程度不高。设备相互之间没有形成通信和互动。物联网的核心就是物与物之间的信息交互和友好互动。借助物联网技术可以很好地实现智能家居内的各种设备相互通讯和联动，即不需要用户参与指挥，它们将按照自身状态和联动模式可靠地互动运行。这将实现全方位的互动，从而给用户带来最大程度的高效、节能、舒适与安全。 

随着智能电网的发展，用户希望智能家居能结合智能电网，能更经济和舒适地用电。“云计算”具有强大计算处理能力，能对海量的感知数据和信息进行分析并处理，以提供在线智能的决策和可靠的控制。通过云计算对采集的用电信息进行全面科学的分析，同时统计学习用户习惯，结合两者分析的结果即时向用户显示，科学指导用户的用电行为。这不仅可以改变用户的用电模式，降低用户的 用电成本，而且还可以提高用户的用电舒适度和自动化程度。目前，智能用电系统没有结合专家分析和用户习惯，而是根据预定程序进行指导用户，科学性不强同时自动化程度不高。 

智能电网鼓励分布式新能源和储能装置接入配电网，这就要求智能用电系统能实现家庭能源的感知和管理。具体来说，就是能感知和监测分布式能源和储能装置的运行状态；实现分布式能源和储能装置一体化集中管控、资源的优化配置；通过综合科学分析引导家庭合理用电，即用电何时取自电网，用电何时取自新能源，新能源何时倒送电网，储能装置何时充放电。在智能电网框架下的家庭能源的感知和管理，目前几乎是空白。 

随着智能电网和物联网技术的高速发展，以及用户居住理念的变化与提升，人们越来越追求生活细节的简单化和智能化，希望在智能终端中植入智能化程序，享受“一键OK”式的简单操作模式。用户不仅对家居的自动化和信息化程度要求越来越高，而且对家用设备控制的灵活性以及对外部信息获取的方便性提出来更高的要求。 

综上，目前智能用电系统缺乏同电力公司的互动以及家居设备之间的互动。设备相互之间没有形成通信和友好互动。未能对海量数据和信息进行分析处理，结合专家分析和用户习惯提供在线智能决策和可靠控制。并且不能兼顾事物处理的实时性和可靠性，家居系统的扩展性和灵活性不强。然而，用户对智能用电系统的可扩展性、灵活性及易用性提出的要求却越来越高。因此，设计一种实时互动智能用电系统来实现实时可视化、互动多元化、联动智能化、决策科学化将具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网和云计算的实时互动智能用电系统及互动方法，其特征在于，该实时智能互动用电系统为基于物联网和云计算技术的实时互动智能用电系统，该系统的智能终端与智能电表通过各自的RS485接口相连接，以半双工的方式进行有线通信；智能终端与N个智能插座通过各自ZigBee模块，以半双工的方式进行无线通信；其中智能终端为全功能型ZigBee主协调器，智能插座为精简型ZigBee终端节点。 

所述智能终端的TXD端口和RXD端口分别与智能电表的RXD端口和TXD端口连接。 

所述智能电表是一种实时计量双向通信智能电表，包括单片机、信号采集与处理电路、三相电能计量芯片、存储芯片、通信芯片、功能按键和显示器，所述三相电能计量芯片的输入端接信号采集与处理电路的输出信号，输出端接单片机的输入端口；具有实时电量计量，全面地监控电能信息的实时性参数，双向交互式通信使用户与电力公司可以实时地查看其用电信息，满足智能电网中的高级量测体系要求的特点。 

所述智能终端包括事务处理模块、实时存储刷新模块、专家系统模块、ZigBee/UPnP软件桥、认证和匹配服务模块和外围接口及云计算后台服务系统。采用智能电网特征和物联网、云计算技术相结合，实现用电信息的实时可视化；采用一键OK”式操作模式，提高了灵活性及易用性；同时专家系统提供的离线决策和云计算后台系统提供的在线决策模式很好地兼顾了事务处理的实时性和可靠性。 

所述智能插座为一种智能插座，包括CPU、电压互感器、电流互感器、计量模块、双向晶闸管、触发模块、RFID读写模块和Zigbee通信模块，其中计量模块通过电压互感器和电流互感器测量插座的交流电压和负载电流，其输出端接 CPU的输入端口；晶闸管串接在插座的电源线上，触发模块的输入端接CPU的TXD/P3.1端口，输出端接晶闸管的栅极，所述RFID读写模块接CPU的RXD/P3.0端口，CPU通过Zigbee通信模块与智能终端通信；能对单个用电设备进行实时监测，而且控制功能齐全，智能化程度高，特别适用于智能家居或物联网系统。 

所述实时互动智能用电系统的互动方法包括： 

1）智能终端与智能电表的智能互动 

智能电表和智能终端通过RS485总线进行通信，智能终端从智能电表接收用户侧的实时用电信息和电网侧的信息，具体步骤如下： 

步骤一，判断接收标志位是否为1，若是，则置P1.1=1，智能终端的RS485打开RXD接收端口，进入步骤二；若不是，则结束； 

步骤二，收帧起始符和控制码，对信息进行拆包分析，控制码可分为上传信息和接收信息，若是上传信息，则进入步骤三；若是接收信息，则进入步骤十二； 

步骤三，对控制码进一步分析，可分为电网信息与用户信息，若是电网信息则进入步骤四；若是用户信息则进入步骤九； 

步骤四，对控制码进一步分析，若是服务信息，则进入步骤五；否则，进入步骤七； 

步骤五，启动终端人机交互接口，显示服务信息提醒； 

步骤六，启动移动通信接口，打包服务信息，并发送至绑定手机，完成一次互动；

步骤七，对控制码进一步分析，若是电价信息，则进入步骤八；否则，不动作； 

步骤八，启动人机交互接口，显示电价信息，完成一次互动； 

步骤九，用户信息显示，并判断是否为正向计量，若是则进行损耗分析，进入步骤十一，否则进入步骤十； 

步骤十，信息为反向计量，分析分布式电源、储能设备等运行状态； 

步骤十一，启动人机交互接口显示，完成一次互动； 

步骤十二，人机接口接收信息，分析用户需求信息； 

步骤十三，置P1.1=1，智能终端RS485接口打开TXD接收端口，将信息按帧格式打包，发送，完成一次互动。 

2）智能终端与智能插座的智能互动 

智能插座可实时感知用电设备的状态，并将感知信息通过ZigBee无线通信发给智能终端。然后通过专家系统提供的离线决策或云计算服务提供的在线决策分析出控制模式，最后将控制信息发送至相应的智能插座；具体步骤如下： 

步骤一，智能插座从各ZigBee精简型RFD节点监测自身状态，接收RFID标签上用电器类型、状态及耗能信息，并且实时将信息上传至主协调器； 

步骤二，智能终端启动终端人机交互接口，显示提醒； 

步骤三，智能终端的实时存储刷新模块将物联网设备的信息进行存储，并与专家系统知识库进行分析匹配，判断是否满足联动条件；若满足，进入步骤四；否则，结束； 

步骤四，调用离线和在线决策流程，选择进入离线或在线决策模式即可进行执行；

步骤五，生成联动指令，然后将联动指令转码编制为控制帧，并且根据ZigBee协议中的AES/CCM算法对控制帧加密； 

步骤六，查询映射表，将联动指令发送至相应的ZigBee精简型(RFD)终端节点，然后对相应的物联网设备进行控制； 

步骤七，完成一轮物联网设备间互动。 

本发明的有益效果是用户通过智能终端人机界面进行操作，用户可以将家庭用电需求通过智能电表发送至电力公司主机站。通过智能终端的图文并茂的显示界面，用户可以查询近期和历史数据，并作对比分析，做到明白消费，有计划地用电，进而促进用户养成节能减排的习惯。电力公司通过双向交互式通信模块获得用电信息、损耗分析、分布式电源以及储能装置运行状态信息，将浮动电价（实时电价，阶梯电价）和用户感兴趣的电网服务信息（如停电计划）等和用户实时沟通。 

附图说明

图1为 基于物联网和云计算技术的智能用电系统构成示意图。 

图2为 智能终端与智能电表互动流程图。 

图3 为智能终端与智能插座互动流程图。 

图4为以电视机为例的智能系统设备间互动流程图。 

具体实施方式

本发明提供一种实时智能互动用电系统及智能互动方法。下面结合附图予以说明。 

图1所示为基于物联网和云计算技术的智能用电系统构成示意图。图中，实时智能互动用电系统为基于物联网和云计算技术的实时智能互动用电系统，该系统的智能终端与智能电表通过各自的RS485接口相连接，以半双工的方式进行有线通信；智能终端与N个智能插座通过各自ZigBee模块（N是至少为2的正整数），以半双工的方式进行无线通信；其中智能终端为全功能型ZigBee主协调器，智能插座为精简型ZigBee终端节点；智能终端的TXD端口和RXD端口分别与智能电表的RXD端口和TXD端口连接。其中 

1.智能电表是一种实时计量双向通信智能电表，包括单片机、信号采集与处理电路、三相电能计量芯片、存储芯片、通信芯片、功能按键和显示器，所述三相电能计量芯片的输入端接信号采集与处理电路的输出信号，输出端接单片机的输入端口；具有实时电量计量，通过存储模块刷新电量数据，全面地监控电能信息的实时性参数，用户可以近于实时地查看其用电信息。而双向交互式通信使智能电表作为电力公司与用户进行通信的网关，用户可以从电力公司接收电价信号，同时电力公司也可以准确快速地定位电网故障，评估设备运行状况及电能质量。此外，本智能电表还可以通过对功率因数的判断进行双向电量的计量，支持具有分布式发电的用户并入电网。用于满足智能电网中的高级量测体系要求。 

2.智能终端是一种基于物联网和云计算技术的实时互动智能终端平台。该智能终端平台包括事务处理模块、实时存储刷新模块、专家系统模块、ZigBee/UPnP软件桥、认证和匹配服务模块和外围接口。本发明的智能终端平台还广义地包括云计算后台服务系统。本发明结合智能电网特征和物联网技术实现了用电信息的实时可视化，可提供“同电力公司-物联网设备-设备间联动”全方位的互动。同时专家系统提供的离线决策和云计算后台系统提供的在线决策模式很好地兼顾了事务处理的实时性和可靠性。该智能终端平台利用UPnP技术增强了可扩展性，而“一键OK”式操作模式提高了灵活性及易用性。 

3.智能插座是一种智能插座，它包括CPU、电压互感器、电流互感器、计量模块、双向晶闸管、触发模块、RFID读写模块和Zigbee通信模块，所述计量模块通过电压互感器和电流互感器测量插座的交流电压和负载电流，其输出端接CPU的输入端口；所述晶闸管串接在插座的电源线上，所述触发模块的输入端接CPU的TXD/P3.1端口，输出端接晶闸管的栅极，所述RFID读写模块接CPU的RXD/P3.0端口，CPU通过Zigbee通信模块与智能终端通信。本发明能对单个用电设备进行实时监测，而且控制功能齐全，智能化程度高，特别适用于智能家居或物联网系统。 

4.用电系统的智能互动方式 

4.1 智能终端与智能电表 

图2所示为智能终端与智能电表设备间互动流程图，智能电表和智能终端通过RS485总线进行通信，智能终端从智能电表接收用户侧的实时用电信息和电网侧的信息。电网侧信息是通过智能电表的双向交互式通信模块从电力公司获得，包括浮动电价（实时电价，阶梯电价）和用户感兴趣的电网服务信息（如停电计划）等。而用户侧信息是来自智能电表的双向计量模块信息，包括用电信息、损耗分析、分布式电源以及储能装置运行状态等。通过智能终端人机界面进行操作，用户可以将家庭用电需求通过智能电表发送至电力公司主机站。通过智能终端的图文并茂的显示界面，用户可以查询近期和历史数据，并作对比分析，做到明白消费，有计划地用电，进而促进用户养成节能减排的习惯。 

具体步骤如下： 

步骤一，判断接收标志位是否为1，若是，则置P1.1=1，智能终端的RS485打开RXD接收端口，进入步骤二；若不是，则结束。 

步骤二，收帧起始符和控制码，对信息进行拆包分析，控制码可分为上传信息和接收信息，若是上传信息，则进入步骤三；若是接收信息，则进入步骤十二。 

步骤三，对控制码进一步分析，可分为电网信息与用户信息，若是电网信息则进入步骤四；若是用户信息则进入步骤九。 

步骤四，对控制码进一步分析，若是服务信息，则进入步骤五；否则，进入步骤七。 

步骤五，启动终端人机交互接口，显示服务信息提醒。 

步骤六，启动移动通信接口，打包服务信息，并发送至绑定手机，完成一次互动。

步骤七，对控制码进一步分析，若是电价信息，则进入步骤八；否则，不动作。 

步骤八，启动人机交互接口，显示电价信息，完成一次互动。 

步骤九，用户信息显示，并判断是否为正向计量，若是则进行损耗分析，进入步骤十一，否则进入步骤十。 

步骤十，信息为反向计量，分析分布式电源、储能设备等运行状态， 

步骤十一，启动人机交互接口显示，完成一次互动。 

步骤十二，人机接口接收信息，分析用户需求信息。 

步骤十三，置P1.1=1，智能终端RS485接口打开TXD接收端口，将信息按帧格式打包，发送，完成一次互动。 

4.2 智能终端与智能插座 

图3所示为智能终端与智能插座互动流程图.智能插座可实时感知用电设备的状态，并将感知信息通过ZigBee无线通信发给智能终端。然后通过专家系统提供的离线决策或云计算服务提供的在线决策分析出控制模式，最后将控制信息发送至相应的智能插座。例如，当连接电视的智能插座监测到电视开启，会向智能终端发送电视的状态信息。智能终端通过匹配专家系统（或云计算在线）分析出联动方式，即灯光控制器应与电视配合，然后智能终端将调暗灯光的指令通过ZigBee无线发送至灯光控制器，最后灯光控制器进行控制灯光亮度。这个过程完全是自动的，用户无需过问。在这联动的过程中，实现了自动节能，并提供给用户便捷舒适的生活体验。还比如电动窗会随着空调的开启而自动紧闭，互动流程思想同上。  

以智能插座接收信息为例说明步骤，具体步骤如下： 

步骤一，从各ZigBee精简型RFD节点监测自身状态，接收RFID标签上用电器类型、状态、耗能等信息，并且实时上传信息至主协调器； 

步骤二，启动终端人机交互接口，显示提醒； 

步骤三，实时存储刷新模块将物联网设备的信息进行存储，并与专家系统知识库进行分析匹配，判断是否满足联动条件。若满足，进入步骤四；否则，结束； 

步骤四，若智能插座选择进入离线或在线决策模式，即可执行调用离线和在线决策流程， 

步骤五，生成联动指令，然后将联动指令转码编制为控制帧，并且根据ZigBee协议中的AES/CCM算法对控制帧加密， 

步骤六，查询映射表，将联动指令发送至相应的ZigBee精简型(RFD)终端节点。然后对相应的物联网设备进行控制； 

步骤七，完成一轮物联网设备间互动。 

4.3实施例 

下面以电视机开启，周围灯光自动变暗的联动控制来说明本发明实时智能互动用电系统的配合流程（如图4所示的以电视机为例的智能系统设备间互动流程图）。例如，当连接电视的智能插座监测到电视开启，会向智能终端发送电视的状态信息，智能终端通过匹配专家系统（或云计算在线）分析出联动方式，即灯光控制器应与电视配合，然后智能终端将调暗灯光的指令通过ZigBee无线发送至灯光控制器，最后灯光控制器进行控制灯光亮度；具体步骤如下： 

步骤一，从电视机ZigBee精简型RFD节点监测自身开启状态，并且实时上传信息至主协调器； 

步骤二，实时存储刷新模块将物联网设备的信息进行存储，并与专家系统知识库进行分析匹配，判断是否满足联动条件。若满足，进入步骤三；否则，返回步骤一； 

步骤三，选择进入离线或在线决策模式即可进行执行调用离线和在线决策流程； 

步骤四，生成联动指令，然后将电视机周边灯光变暗的联动指令转码编制为控制帧，并且根据ZigBee协议中的AES/CCM算法对控制帧加密； 

步骤五，查询映射表，将联动指令发送至电视机周边灯光的ZigBee精简型(RFD)终端节点，然后控制电视机周边灯光变暗； 

步骤六，返回联动回复，完成一轮物联网设备间互动。