專利名稱：一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示的裝置，尤其是應(yīng)用于家庭能耗數(shù)據(jù)采集與綜合顯示的裝置。
技術(shù)背景據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國居民生活能源消費(fèi)占終端能源消費(fèi)的比例僅次于工業(yè)部門。目前有關(guān)我國家庭能源消費(fèi)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)十分匱乏，針對(duì)家庭能耗進(jìn)行的研究主要還是采用問卷調(diào)查的方式，缺少直觀的數(shù)據(jù)支持。2010末年我國提出征求實(shí)施階梯電價(jià)的反饋意見，更加突出了電力需求側(cè)管理管理的現(xiàn)實(shí)意義。國外的研究已經(jīng)證明，家庭用戶的生活和行為方式對(duì)居民生活能耗有著顯著的影響，甚至大于建筑材料或者生活電器等對(duì)能耗的作用。通過入戶安裝實(shí)時(shí)能耗顯示裝置，從而形成對(duì)用戶的激勵(lì)，能夠在一定程度上改變用戶的耗能行為，并達(dá)到一定的節(jié)能效果。日本和加拿大最新的研究成果表明，實(shí)施該激勵(lì)后的平均節(jié)能效益為10% -15%。智能電網(wǎng)的提出，勢必要求對(duì)以用電為代表的各種家庭能耗實(shí)施需量浮動(dòng)費(fèi)率， 因此需要一種功能靈活多樣的智能計(jì)量和顯示裝置。當(dāng)前國內(nèi)的研究主要集中于遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的開發(fā)和研制，由于基于電力線載波通信的技術(shù)具有技術(shù)成熟，不用考慮布線等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣為采用。但是由于電力線上干擾較大，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)自動(dòng)抄收效果并不理想， 特別是短時(shí)間高頻度的數(shù)據(jù)采集有效率不高，很難滿足實(shí)際科研中樣本數(shù)據(jù)的提取。目前， 針對(duì)我國單個(gè)家庭用戶的實(shí)時(shí)能耗計(jì)量顯示系統(tǒng)或裝置的研制較之國外尚屬欠缺。基于現(xiàn)狀，本實(shí)用新型人研制了一套適用于我國家庭用戶的能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)顯示裝置
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效采集家庭能耗數(shù)據(jù)并進(jìn)行綜合顯示的裝置。適用于家庭能耗樣本數(shù)據(jù)的采集，以及居民行為節(jié)能方面的實(shí)驗(yàn)研究。通過記錄和保存詳細(xì)的歷史數(shù)據(jù)，為家庭用戶提供隨時(shí)核對(duì)能耗消費(fèi)情況的參考依據(jù)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是—種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置，包括嵌入式一體化觸摸屏、家庭能耗綜合顯示軟件、基于電力線傳輸?shù)妮d波電表和載波燃?xì)獗怼㈦娏€載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊、儀器外殼。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示基于嵌入式處理器和Microsoft WindowsCE. Net 5. 0操作平臺(tái)；所述的嵌入式一體化觸摸屏供電電源為 DCMV，采用低功耗的S3C2410ARM9處理器和7寸真彩色液晶觸摸屏；在用戶家庭安裝電力線載波電表和燃?xì)獗?，其中電力線載波電表的測量精度為0.01度，載波燃?xì)獗淼臏y量精度為0. 01方；電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器和家庭中的載波表通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；嵌入式一體化觸摸屏與電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、以及溫濕度傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸基于RS485總線，遵守標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU通訊協(xié)議。所述的溫濕度傳感器模塊的測溫范圍至少為-20°C-85°C，在室溫為25°C時(shí)的測量精度至少為士0. 3°C ；所述的濕度測量范圍為0-100% RH，測量精度小于等于士3% RH ；所述的溫濕度傳感器模塊的供電電壓為DCMV。所述的家庭能耗綜合顯示軟件基于MCGS嵌入版組態(tài)軟件，采集和顯示了家庭最小單位時(shí)間至少為15分鐘的用電量和天然氣消耗量；繪制了每天、每周、每月、每年的能耗曲線；估算了整個(gè)家庭的日常生活碳排放量和當(dāng)前室內(nèi)的人體舒適度；模擬了階梯電價(jià)或峰谷電價(jià)的施行效果；系統(tǒng)通過手動(dòng)更改能耗費(fèi)率，計(jì)算并顯示了當(dāng)前的能耗金額；另外， 系統(tǒng)針對(duì)各模塊的通信和停電等故障進(jìn)行了報(bào)警和記錄；系統(tǒng)還保存了至少三年的能耗數(shù)據(jù)和故障記錄等信息，系統(tǒng)將上述信息導(dǎo)出的文件可以用Excel應(yīng)用軟件打開；系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行方式為屏保顯示效果，不會(huì)妨礙用戶的日常生活。所述的家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置。包括嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊、儀器外殼。其中電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器的輸入部分與開關(guān)電源模塊的輸入部分相連，外接220V的交流電源；開關(guān)電源模塊的輸出部分為DCMV，通過導(dǎo)線與嵌入式一體化觸摸屏和溫濕度傳感器模塊的電源端口相連；電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器的輸出部分與溫濕度傳感器模塊的輸出部分相連，接至嵌入式一體化觸摸屏上串口的7、8引腳；所述的儀器外殼將嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、電源模塊有機(jī)整合在一起，整個(gè)裝置僅引出一條 220V的交流電源線插頭，設(shè)備密封良好，整體最大功耗不超過7W。本實(shí)用新型的有益效果是利用低壓電力線載波進(jìn)行短距離的數(shù)據(jù)采集和傳輸， 保證了大量家庭實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)采集的有效性；整個(gè)系統(tǒng)基于嵌入式一體化觸摸屏，采用 MCGS嵌入版組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，綜合顯示效果美觀，開發(fā)周期短，未來升級(jí)拓展能力強(qiáng)；集成后的裝置整體美觀，低功耗運(yùn)行，具備一定的推廣價(jià)值。
附圖說明圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。


如下Sl :AV220V電力線；S2 :DV24V電源線；S3 :RS485總線；El 載波電表；E2 載波燃?xì)獗?；K 溫濕度傳感器模塊；F 電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器；G 嵌入式一體化觸摸屏；D 開關(guān)電源模塊；C:儀器外殼。圖2是本實(shí)用新型的工作流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見圖1-2，本實(shí)用新型是這樣實(shí)施的一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置， 包括嵌入式一體化觸摸屏、家庭能耗綜合顯示軟件、基于電力線傳輸?shù)妮d波電表和載波燃?xì)獗怼㈦娏€載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊、儀器外殼。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示基于嵌入式處理器；在用戶家庭安裝電力線載波電表和燃?xì)獗?；電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器跟家庭中的載波表通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；嵌入式一體化觸摸屏與電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、以及溫濕度傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸基于RS485總線，遵守標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU通訊協(xié)議。以某家庭為例，安裝一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置。根據(jù)需要可以在該家庭安裝具有低壓電力線載波通信功能的載波電表、載波燃?xì)獗砘蚴瞧渌d波功能表，例如載波水表等，載波表需接至AC220V家庭電網(wǎng)中。將家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置的插頭插上，該裝置開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)軟件，并按照最小單位時(shí)間至少為15分鐘的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過運(yùn)算處理得到實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù)，將提取出的有效數(shù)據(jù)繪制成能耗曲線，各能耗曲線按照每15分鐘、每小時(shí)、每天、每周、每月進(jìn)行循環(huán)更新。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定當(dāng)前的能耗費(fèi)率，包括電價(jià)和氣價(jià)。也可以自行設(shè)計(jì)三檔階梯電價(jià)進(jìn)行模擬能耗計(jì)量。歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過保存能夠根據(jù)需要導(dǎo)出到外接存儲(chǔ)器，如U盤上的指定位置，數(shù)據(jù)文件可以用Excel打開和編輯；當(dāng)能耗數(shù)值或溫濕度超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)顯示報(bào)警，提醒用戶能耗超標(biāo)或改善家庭溫濕度環(huán)境。在數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)通信故障或停電時(shí)， 系統(tǒng)記錄并保存故障信息，通過聲光報(bào)警，提示用戶采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)的工作流程圖如如圖2所示，可具體描述為步驟S101，上電開機(jī)，啟動(dòng)工作流程。步驟S102，加載驅(qū)動(dòng)，主要包括液晶觸摸屏和串口驅(qū)動(dòng)程序等。步驟S103，啟動(dòng)操作系統(tǒng)，即Microsoft Windows CE. Net 5. 0嵌入式操作系統(tǒng)。步驟S104，自動(dòng)運(yùn)行主程序，即家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)軟件。步驟S1041，啟動(dòng)各循環(huán)子程序，主要包括每秒故障巡檢子程序，30s循環(huán)子程序， 15分鐘循環(huán)子程序，M小時(shí)循環(huán)子程序，每月循環(huán)子程序，每年循環(huán)子程序等。通過不同的循環(huán)子程序，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。步驟S1042，嵌入式處理器通過串口向各通信模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU讀取指令， 各設(shè)備的串口參數(shù)設(shè)置要保持一致，但不同的設(shè)備需要分配不同的通信地址，對(duì)于所述的基于電力線傳輸?shù)妮d波電表和燃?xì)獗?，通訊等待時(shí)間至少為300ms。步驟S1043，檢測通信故障與否。步驟S1044，如果出現(xiàn)通信故障，則液晶觸摸屏上顯示相關(guān)故障信息，同時(shí)對(duì)該故障進(jìn)行記錄保存。步驟S1045，是在無通信故障時(shí)，系統(tǒng)各模塊，如載波電表、載波燃?xì)獗?、溫濕度傳感器等模塊將當(dāng)前的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給嵌入式處理器，但采到的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換處理才能最終顯示和保存。步驟S1046，根據(jù)不同的循環(huán)子程序，將采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行計(jì)算、顯示或存儲(chǔ)。步驟S105，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位對(duì)啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行標(biāo)記和保存，從而得到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間信息等。步驟S106，系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行后首先加載封面窗口。程序中各個(gè)窗口本質(zhì)上是不同的線程，系統(tǒng)運(yùn)行的過程中始終保持打開一個(gè)窗口同時(shí)關(guān)閉其他窗口，這樣有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。步驟S107，判斷是否有屏幕觸摸動(dòng)作，進(jìn)而根據(jù)不同的觸摸位置，調(diào)用不同的動(dòng)作相應(yīng)函數(shù)。步驟S108，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在封面窗口時(shí)，自動(dòng)打開計(jì)時(shí)器，等待10秒。步驟S109，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在封面窗口時(shí)，等待觸摸動(dòng)作，或是計(jì)時(shí)10秒結(jié)束后，自動(dòng)關(guān)閉封面窗口，加載啟動(dòng)窗口，該窗口也是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的門戶界面。用來顯示當(dāng)前用電量和用氣量、碳排放量、溫濕度、人體舒適度、時(shí)間等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線。步驟S110，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在啟動(dòng)窗口時(shí)，同時(shí)等待觸摸操作，并打開計(jì)時(shí)器，進(jìn)行20分鐘倒計(jì)時(shí)。步驟S1101，是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在啟動(dòng)窗口時(shí)，根據(jù)觸摸點(diǎn)擊到的不同按鍵，加載其他的窗口，如自動(dòng)查詢窗口、每周能耗窗口、每月能耗窗口、年度能耗窗口、階梯電價(jià)窗口、故障記錄窗口等。步驟S1102，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉啟動(dòng)窗口，加載了其他窗口時(shí)，在個(gè)別窗口顯示頁面上設(shè)置了導(dǎo)出數(shù)據(jù)的選項(xiàng)，可根據(jù)需要將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出。步驟S1103，根據(jù)步驟S1102中的選擇，如果觸摸了導(dǎo)出按鍵，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到外接U盤的指定路徑下，文件名根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)以及時(shí)間信息等分別自動(dòng)命名。 文件格式為逗號(hào)分隔的.CSV文件，該類文件可以用Office Excel軟件打開。步驟S1104，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉啟動(dòng)窗口，加載了其他窗口時(shí)，在這些窗口上設(shè)置了返回按鍵，可根據(jù)需要返回啟動(dòng)窗口，同時(shí)還將關(guān)閉已打開的其他窗口。步驟S1105，當(dāng)執(zhí)行步驟SllOl加載了其他窗口時(shí)，如果沒有任何觸摸動(dòng)作，則計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)10分鐘后，自動(dòng)關(guān)閉本窗口，同時(shí)加載啟動(dòng)窗口。步驟S111，當(dāng)執(zhí)行步驟S109，進(jìn)入啟動(dòng)窗口后，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)20分鐘，期間如果沒有任何觸摸動(dòng)作，則進(jìn)入步驟S112。步驟Sl 12，加載屏保窗口，該窗口以較大字體凸出顯示實(shí)時(shí)能耗信息，以及室內(nèi)溫濕度，從而對(duì)家庭用戶形成潛在的節(jié)能提醒。步驟S113，當(dāng)系統(tǒng)在顯示屏保窗口時(shí)，同時(shí)也處于等待觸摸動(dòng)作的狀態(tài)，如果發(fā)生觸摸動(dòng)作，則關(guān)閉屏保窗口，加載啟動(dòng)窗口。步驟S114，當(dāng)系統(tǒng)在顯示屏保窗口時(shí)，如果沒有任何動(dòng)作，則系統(tǒng)將始終保持屏保窗口的顯示。需要注意的是，在步驟S109中所述的人體舒適度采用的是溫濕度指數(shù)定量計(jì)算法，計(jì)算方法及數(shù)學(xué)表達(dá)式如下DI = Td-O. 55 · (I-R) · (Td_58)其中DI為定量的人體舒適度指數(shù)；Td為當(dāng)前溫度，采用華氏溫度進(jìn)行計(jì)算；R為相對(duì)濕度，即0 100%。當(dāng)DI為60 65時(shí)，大部分人感到舒適；當(dāng)DI = 75時(shí)，一半人感到不適；當(dāng)DI > 80時(shí)，大部分人會(huì)感到不適。而步驟S109中所述的家庭生活碳排放量的估算，主要是對(duì)家庭生活中的基礎(chǔ)能源，電和氣進(jìn)行換算，其中每度家庭用電折算為0. 90438Kg 二氧化碳，每立方米家庭用天然氣折算為2. 16502kg 二氧化碳。在本實(shí)例中，低壓電力線載波通信技術(shù)是通用公開技術(shù)，基于電力線傳輸?shù)妮d波電表和載波燃?xì)獗頌楝F(xiàn)有產(chǎn)品，2010年6月23日申請(qǐng)公開的中國專利ZL200810232504. 0 有詳細(xì)的相關(guān)說明，因此本實(shí)用新型中對(duì)于涉及低壓電力線載波通信技術(shù)的相關(guān)工作原理和設(shè)備并未做具體描述以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置，包括嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊、儀器外殼，其特征在于所述儀器外殼內(nèi)設(shè)置嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊和電源模塊；所述的電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器的輸入部分與開關(guān)電源模塊的輸入部分相連，引出一條外接220V交流電源插頭；開關(guān)電源模塊的輸出部分為DCMV，通過導(dǎo)線與嵌入式一體化觸摸屏和溫濕度傳感器模塊的電源端口相連；電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器的輸出部分與溫濕度傳感器模塊的輸出部分相連，接至嵌入式一體化觸摸屏上串口的7、8引腳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置，其特征在于 所述的嵌入式一體化觸摸屏供電電源為DCMV，采用低功耗的S3C2410ARM9處理器和7寸真彩色液晶觸摸屏；所述的嵌入式一體化觸摸屏與電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、以及溫濕度傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸基于RS485總線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置，其特征在于所述的溫濕度傳感器模塊的測溫范圍至少為-20°C -85°C，在室溫為25°C時(shí)的測量精度至少為士0. 3°C;濕度測量范圍為0-100% RH，測量精度小于等于士3% RH ；所述的溫濕度傳感器模塊的供電電壓為DCMV。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種家庭能耗數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示裝置，包括嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊、儀器外殼，其特征在于所述儀器外殼內(nèi)設(shè)置嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊和電源模塊；所述電源模塊引出一條220V的交流電源線插頭。該裝置基于嵌入式處理器和液晶觸摸屏，并利用組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集基于電力線載波通信技術(shù)，短距離傳輸確保了大量數(shù)據(jù)采集的有效性；儀器外殼將嵌入式一體化觸摸屏、電力線載波數(shù)據(jù)采集集中器、溫濕度傳感器模塊、開關(guān)電源模塊集成后的裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊、人機(jī)界面美觀大方、整體運(yùn)行功耗較低。
文檔編號(hào)H04B3/54GK201955895SQ20112005874
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者吳鍇, 張競博, 趙媛, 郭立, 龍虹毓 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)