本實用新型涉及物聯(lián)網領域，特別是一種電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術：

我們日常生活中到處都存在各種各樣的電氣設備，如空調、冰箱、電腦、服務器等設備，根據使用主體及需求的不同，電氣設備監(jiān)測應用市場可以分為家用市場、企事業(yè)單位市場以及商用市場。

在家用市場這塊，家庭并不像數據中心那樣特別關注電器運行狀況，因而像智能插座等相關產品，絕大多數都是主打智能控制功能而不在乎電氣設備運行狀況和運行環(huán)境。例如公牛wifi智能插座，具備遠程控制和定時功能；小米智能插座，能為智能手機充電，支持APP遠程控制和定時功能；類似的還有聯(lián)想智能插座、貝爾金智能插座等等；極少數如海爾家電寶，具備功率統(tǒng)計、用電統(tǒng)計、斷電記憶恢復功能。而這些智能插座都是集成在電源分配單元上，使用安裝不太方便，并且不能監(jiān)測電器運行環(huán)境。

在企事業(yè)單位市場上，目前并沒有類似能夠對單個電器進行運行狀態(tài)和使用環(huán)境監(jiān)測的設備。多數還是通過一層樓或者一個房間一個電表的形式來統(tǒng)計使用電量的方式，且不能實時監(jiān)測電壓、電流等電力參數，更沒有使用環(huán)境的監(jiān)測。故而，可以說企事業(yè)單位在電器資產管理上關于電氣設備的監(jiān)測方面還是空白。

在商用市場上，如大型商場的中央空調、云計算數據中心的服務器等設備對運行狀態(tài)和環(huán)境有很高的要求，這個領域的現(xiàn)狀還是傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線監(jiān)控模式，嚴重依賴于現(xiàn)場布線，其布線工作投入成本高、工作量大，已成為現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)的瓶頸和累贅。

由此可以看出，目前急需一種設計簡單、安裝方便，既能監(jiān)測電氣設備運行狀態(tài)又能監(jiān)測運行環(huán)境的新型的電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)來滿足不同的使用主體及其需求。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)，解決電氣設備在使用過程中的運行狀態(tài)及運行環(huán)境的全程監(jiān)控，實時監(jiān)測電氣設備的運行情況，使得使用人員能夠實時監(jiān)控電氣設備的運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，從而有效的對電氣設備進行監(jiān)控和智能化管理。

本實用新型提供了一種電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)，包括用于采集電氣設備運行狀態(tài)信息的第一傳感器節(jié)點、用于采集電氣設備運行環(huán)境信息的第二傳感器節(jié)點、安裝在每個房間的匯聚節(jié)點以及安裝在監(jiān)控中心的網關節(jié)點和管理層節(jié)點；所述第一傳感器節(jié)點嵌入或集成到電氣設備電源分配單元，所述第二傳感器節(jié)點安裝在電氣設備附近，

所述第一傳感器節(jié)點與第二傳感器節(jié)點均通過無線連接所述匯聚節(jié)點；

所述匯聚節(jié)點通過無線自主網絡連接所述網關節(jié)點；

所述網關節(jié)點通過無線連接所述管理層節(jié)點。

本實用新型的有益效果是：

(1)由于第一傳感器節(jié)點能夠集中采集電氣設備的運行狀態(tài)信息，監(jiān)測電氣設備使用情況，分析電氣設備利用率，減少了不必要的能源浪費，第二傳感器節(jié)點能夠采集電氣設備的運行環(huán)境信息，監(jiān)測電氣設備的環(huán)境狀態(tài)，因此該系統(tǒng)適合倡導綠色發(fā)展；

(2)摒棄傳統(tǒng)的有線傳輸模式，采用無線自組網傳輸使整個系統(tǒng)具有更高的靈活性，傳感器節(jié)點具有極強的獨立性，使數據采集具有更大的適用性和可定制性；沒有傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制，安裝簡單方便。

在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進。

進一步，所述匯聚節(jié)點的無線自主網絡采用二級星型拓撲結構，由第一傳感器節(jié)點、第二傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、網關節(jié)點及自定義通信協(xié)議組成，匯聚節(jié)點與第一傳感器節(jié)點、第二傳感器節(jié)點的無線通信采用主流的2.4GHz頻段，匯聚節(jié)點與網關節(jié)點的無線通信采用433MHz頻段。

采用上述進一步方案的有益效果是：簡單實用，成本低，且穿透性強、傳輸距離遠。

進一步，所述第一傳感器節(jié)點與第二傳感器節(jié)點均包括數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源模塊，

所述電源模塊分別連接所述數據采集模塊、數據處理模塊和數據傳輸模；

所述數據采集模塊、數據處理模塊以及數據傳輸模塊依次連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：設計簡單、成本低、安裝簡單易維護、適用性強，使數據采集具有更大的適用性和可定制性。

進一步，所述第一傳感器節(jié)點的數據采集模塊采用微型精密電流互感器；

所述數據處理模塊采用芯片STM32F030F4；

所述數據傳輸模塊采用無線芯片LT8900，片上集成2.4GHz無線收發(fā)器；

所述電源模塊采用隔離開關電源模塊隔離型降壓供電。

采用上述進一步方案的有益效果是：設計簡單、功耗低、成本低、安裝簡單易維護。

進一步，所述第二傳感器節(jié)點的數據采集模塊采用熱敏電阻和光敏電阻；

所述數據處理模塊采用芯片STM32F030F4；

所述數據傳輸模塊采用無線芯片LT8900，片上集成2.4GHz無線收發(fā)器；

所述電源模塊采用隔離開關電源模塊隔離型降壓供電。

采用上述進一步方案的有益效果是：設計簡單、功耗低、成本低、安裝簡單易維護。

進一步，所述管理層節(jié)點包括數據分析平臺，所述數據分析平臺包括Entity Framework數據庫鏈接模塊，UDP數據接收模塊、數據處理模塊、人機界面模塊以及數據庫，所述Entity Framework數據庫鏈接模塊，UDP數據接收模塊、數據處理模塊、數據庫以及人機界面模塊依次連接。

采用上述進一步方案的有益效果是：管理層節(jié)點可對電氣設備運行狀態(tài)和運行環(huán)境的大量數據進行云計算和大數據分析，可用于被監(jiān)測設備的優(yōu)化管理、節(jié)能管理、資產評估，還可用于防盜、防火的預警分析和事故追蹤，具有很好的經濟效益和重大社會效益。

附圖說明

圖1是本實用新型的電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)結構圖；

圖2是本實用新型的電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)原理匡圖；

圖3是本實用新型的第一傳感器節(jié)點和第二傳感器節(jié)點的原理框圖；

圖4是本實用新型的管理層節(jié)點的數據分析平臺原理框圖；

圖5是本實用新型的電氣設備監(jiān)測方法流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。

本實用新型為了解決現(xiàn)有電氣設備監(jiān)控模式中存在的布線工作投入成本高、工作量大，以及現(xiàn)有電氣設備缺乏運行狀態(tài)和運行環(huán)境監(jiān)測的問題，利用無線傳感網新技術，采用自主設計的傳感器節(jié)點集成或嵌入到電氣設備中和自定義通信協(xié)議的無線自組網，以無線方式采集獲取各電氣設備的運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)電氣監(jiān)測和數據分析的功能。

為了讓適用性更為廣泛，我們將系統(tǒng)劃分為三層：

數據采集層：根據監(jiān)測信息不同，所用傳感器也不同?？紤]到共性要求，本實用新型實現(xiàn)了功率監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測和環(huán)境光照監(jiān)測，將通過使傳感器節(jié)點集成或者說嵌入到電源分配單元(如插座)測量實時電流參數從而計算功率，另外通過電池供電的獨立傳感器采集環(huán)境溫度和環(huán)境光照信息，然后將這些數據通過2.4G無線網絡傳輸，數據匯集到網關節(jié)點并上傳給管理層節(jié)點，通過數據分析平臺進行存儲、管理和應用。

數據傳輸層：從功耗和成本的角度考慮，本實用新型沒有采用目前普遍為大家所知的無線傳感網系統(tǒng)，如ZigBee、Contiki等，而是設計并實現(xiàn)了一個簡單的星型自組網協(xié)議，自定義的低功耗的自組織組網協(xié)議，該無線自組網采用二級星型拓撲結構，由采集終端、匯聚節(jié)點和網關節(jié)點及自定義通信協(xié)議組成。

數據應用層：上層管理軟件，部署在中心監(jiān)測上位機上，能夠存儲、處理與應用無線傳感網絡采集來的數據，在數據分析平臺上，最基本的是收集獲得大量電氣設備運行的運行狀態(tài)信息和環(huán)境信息并實現(xiàn)數據庫存儲，在此基礎上實現(xiàn)了三個基本功能：第一，電流、功率、溫度、光照的實時監(jiān)測與顯示；第二，在時間和空間維度上對電氣設備使用電量的統(tǒng)計分析；第三，預先設置需要報警的狀況，出現(xiàn)異常情況時進行報警，進一步通過數據分析計算，可獲得有關設備的使用效率分析、預知故障分析、可靠性壽命分析、節(jié)能分析等，可用于各類設備或資產的運行監(jiān)控和智能化管理。

該系統(tǒng)包括電量參數監(jiān)測傳感器節(jié)點本實用新型稱為第一傳感器節(jié)點、環(huán)境參數監(jiān)測傳感器節(jié)點本實用新型稱為第二傳感器節(jié)點，無線自組網的匯聚節(jié)點，網關節(jié)點以及管理層節(jié)點。

如圖1、圖2所示，本實用新型提供了一種電氣設備監(jiān)測系統(tǒng)，其用于電氣設備的實時監(jiān)測，包括嵌入或集成到電氣設備電源分配單元的第一傳感器節(jié)點、以及安裝在電氣設備附近的第二傳感器節(jié)點，安裝在每個房間的匯聚節(jié)點，安裝在監(jiān)控中心的網關節(jié)點以及管理層節(jié)點；第一傳感器節(jié)點，用于采集電氣設備的運行狀態(tài)信息，并無線傳輸給匯聚節(jié)點；第二傳感器節(jié)點，用于采集電氣設備的運行環(huán)境信息，并無線傳輸給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點，用于將接收到的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息通過無線自主網絡發(fā)送到網關節(jié)點；網關節(jié)點，用于將接收到的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息經過協(xié)議轉換后無線發(fā)送到管理層節(jié)點；管理層節(jié)點，用于對經過協(xié)議轉后的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息進行分析處理，并通過人機界面模塊對分析處理后的信息進行訪問，且通過人機界面模塊預先設定電氣設備的報警信息及參數信息，并依次通過網關節(jié)點、匯聚節(jié)點無線傳輸至第一傳感器節(jié)點及第二傳感器節(jié)點。

其中，如圖3所示為第一傳感器節(jié)點和第二傳感器節(jié)點的原理框圖，第一傳感器節(jié)點及第二傳感器節(jié)點均負責采集數據、對數據進行預處理、傳輸數據三個功能，按照硬件功能劃分成如下模塊：

(1)數據采集模塊：對于第一傳感器節(jié)點為功率監(jiān)測節(jié)點，電流傳感器采用HWCT(5A/5mA)微型精密電流互感器；對于第二傳感器節(jié)點為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，光照傳感器采用光敏電阻，溫度傳感器采用熱敏電阻；

(2)數據處理模塊：主芯片選擇了STM32F030F4，一方面采集并初步處理數據，另一方面運行組網協(xié)議；

(3)數據傳輸模塊：無線芯片LT8900，片上集成2.4GHz無線收發(fā)器；

(4)電源模塊：精密5V-700mA(3.5W)隔離開關電源模塊隔離型降壓供電或采用直流電池供電，STM32和LT8900芯片都采用了睡眠模式，能顯著降低功耗。

匯聚節(jié)點安置在每個房間，負責與房間內的多個傳感器節(jié)點的無線通信，具體組網過程是：匯聚節(jié)點先運行，而傳感器節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送入網請求，由匯聚節(jié)點給傳感器節(jié)點分配一個唯一的網絡地址，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點有5個通信信道，采用專門設計的防碰撞算法實現(xiàn)高效通信，匯聚節(jié)點收集的現(xiàn)場數據再以無線方式轉發(fā)到網關節(jié)點，匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點的無線通信采用主流的2.4GHz頻段，與網關節(jié)點的無線通信采用433MHz(主要為保證穿透性和距離的要求)。

網關節(jié)點設在數據中心室，可連接數據服務器，它以無線433M頻段匯總多個房間匯聚節(jié)點的收集轉發(fā)來的數據，并且轉換成IP協(xié)議棧的UDP數據包格式，發(fā)送給數據分析平臺(采用UDP方式主要為提高數據通信效率)，可獲得設備運行狀態(tài)和運行環(huán)境的大量數據，用于統(tǒng)計和分析。

如圖4所示，管理層節(jié)點包括數據分析平臺，數據分析平臺包括Entity Framework數據庫鏈接模塊，UDP數據接收模塊、數據處理模塊、人機界面模塊以及數據庫，其中，Entity Framework數據庫鏈接模塊，UDP數據接收模塊、數據處理模塊、數據庫以及人機界面模塊依次連接；

數據庫，用于存儲預先設定的報警信息及電氣設備參數信息，

報警信息包括，電氣設備未處于運行狀態(tài)，以及環(huán)境溫度過高；

參數信息包括，

運行狀態(tài)信息：電壓有效值、電流有效值、有功功率；

運行運行環(huán)境信息：溫度、光照強度；

時間空間信息：空間標記、時間標記；

節(jié)點信息：節(jié)點編號；

電器信息：電器編號、電器名稱；

用戶信息：用戶編號、用戶名稱、用戶聯(lián)系方式；

Entity Framework數據庫鏈接模塊，用于將接收到的經過協(xié)議轉后的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息傳輸給所述UDP數據接收模塊；

UDP數據接收模塊讀取所述數據庫中的預先設定的參數信息，并將讀取的參數信息和接收到的的電器運行狀態(tài)信息和運行運行環(huán)境信息一并傳輸給數據處理模塊；

數據處理模塊，用于對所述運行狀態(tài)信息和運行運行環(huán)境信息與預先設置的參數信息比較，對出現(xiàn)異常的信息進行報警，并將報警信息與所述運行狀態(tài)信息和運行運行環(huán)境信息存入數據庫；

人機界面模塊，用于實時顯示存入所述數據庫中的運行狀態(tài)信息、運行運行環(huán)境信息和報警信息，同時也預先設定電氣設備的報警信息及參數信息，其中顯示的信息如下：

(1)運行狀態(tài)(電壓、電流、功率)和運行環(huán)境(溫度、光照)的實時(時間)監(jiān)測展示：實時展示特定區(qū)域R、特定電器EID的運行參數和運行環(huán)境(U、I、P、T、L)，以時間D為橫坐標。

(2)在時間和空間(空間)維度上對電氣設備使用情況的統(tǒng)計分析：

某個電氣設備使用時間：關注特定電器EID運行與未運行狀態(tài)的區(qū)別，監(jiān)控運行時間D；

某個電氣設備在時間上的使用率：特定電器EID，運行時間/總時間；

一定時間內一定區(qū)域內的電氣設備電能總消耗：特定時間D、特定區(qū)域R，總能耗＝總有功功率P*時間跨度D；

一定時間內某個區(qū)域內電氣設備電能消耗占比：特定時間D、特定區(qū)域R，占比＝特定區(qū)域電器功率總和P1/總有功功率P。

(3)根據耗電量預測電氣設備老化程度：

電氣設備隨著其老化能耗會有所增大，且這種變化不會太過明顯可以以年為單位，同時由于各種電氣設備電氣性能、工作模式各不相同，因而只能針對不同的電氣設備類型選擇相近的功耗數據進行對比，比如空調的一年中某個月份的平均功耗，不同年份來對比功耗變化，提供這種報表數據給管理人員做參考，并且在大數據量的情況下可以預測電氣設備的老化程度。

(4)根據監(jiān)測到的電氣參數，出現(xiàn)特殊情況根據需要進行提示，如不運行或長時間不運行、功率異常偏高或長時間功率較高：監(jiān)測電器的電壓電流及功率，我們可以看出電器運行與否，或者以什么模式運行；同時連續(xù)不斷的監(jiān)測，可以得到大量數據以供統(tǒng)計分析。一方面，根據需要我們可以提醒管理者某電器未處在運行狀態(tài)，或者說已長時間沒運行了；另一方面，在大數據量下對功耗等數據按情況(比如不同的工作模式)分類做一個正態(tài)分布的統(tǒng)計，對于異常數據也能提供給管理決策者作參考。

(5)根據預先設置的需要報警的狀況，出現(xiàn)異常情況時進行報警：

電氣設備未處在運行狀態(tài)；

溫度過高可能有火災隱患。

本系統(tǒng)的優(yōu)點為：

1.對電氣設備集中監(jiān)測功耗，能夠監(jiān)測資源使用情況，分析資源利用率，減少不必要的能源浪費，倡導綠色發(fā)展。

2.無線：摒棄傳統(tǒng)的有線傳輸模式，采用無線自組網傳輸使整個系統(tǒng)具有更高的靈活性。

3.低功耗：無線傳感網部分所有模塊皆以低功耗為追求，如數據處理模塊的休眠模式，數據傳輸模塊的低功耗和休眠等。

4.低成本：同低功耗一樣，從選型上著手包括傳感器、處理器和射頻模塊都選用低價格的模塊，盡可能的壓低硬件的成本。

5.適用性強：依據物聯(lián)網的三層結構來設計整個系統(tǒng)，并采用無線方式，節(jié)點具有極高的獨立性，使數據采集具有更大的適用性和可定制性。

6.安裝方便：由于傳感器節(jié)點是電池供電，傳輸采用無線模式，傳感器節(jié)點的放置具有更高的自由度，沒有傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的限制，安裝方便自主。

7.維護和更新簡單：整個系統(tǒng)是明確的三層結構，互不影響：感知層傳感器節(jié)點功能結構簡單更新和維護成本低；網絡層采用空中接口，只要保證傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和網關節(jié)點功能正?？捎镁涂?，其中任何一個出問題只要單獨維護更新即可。

8.上層數據分析算法只與底層傳感節(jié)點、無線網絡采集傳輸的數據有關，與他們實現(xiàn)技術無關，所以軟件平臺可以很容易地加載更換升級不同的分析算法，通過這些數量眾多嵌入到電氣設備的傳感器節(jié)點、多個無線傳感網絡，獲得設備運行狀態(tài)和運行環(huán)境的大量數據，經過云計算和大數據分析，可用于被監(jiān)測電氣設備的優(yōu)化管理、節(jié)能管理、資產評估，還可用于防盜、防火的預警分析和事故追蹤，因而具有很好的經濟效益和重大社會效益。

如圖5所示，為本實用新型的電氣設備監(jiān)測方法流程圖，包括如下步驟：

(1)通過管理層節(jié)點的人機界面模塊預先設定電氣設備的報警信息及參數信息，并存入數據庫中；

(2)第一傳感器節(jié)點采集電氣設備的運行狀態(tài)信息，第二傳感器節(jié)點采集電氣設備的運行環(huán)境信息，并將所述運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息一并無線傳輸給匯聚節(jié)點；

(3)匯聚節(jié)點將接收到的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息通過無線自主網絡發(fā)送到網關節(jié)點；

(4)網關節(jié)點將接收到的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息經過協(xié)議轉換后發(fā)送到管理層節(jié)點；

(5)管理層節(jié)點對經過協(xié)議轉后的運行狀態(tài)信息和運行環(huán)境信息與預先設定的參數信息進行比較、分析和處理，將出現(xiàn)的異常信息以預先設定的報警信息進行報警提示，同時也將采集的運行狀態(tài)信息、運行環(huán)境信息以及得到的報警信息存入數據庫中，通過人機界面模塊進行訪問，從而實現(xiàn)對電氣設備的實時監(jiān)測。

本實用新型的工作原理：該系統(tǒng)將第一傳感器節(jié)點嵌入或集成到電氣設備電源分配單元監(jiān)測電器運行狀態(tài)、以及第二傳感器節(jié)安裝在電氣設備附近監(jiān)測電器運行環(huán)境，然后將運行狀態(tài)信息和環(huán)境信息通過自定義通信協(xié)議的無線自組網上傳至管理層節(jié)點行分析處理，并通過人機界面模塊進行訪問查看相關信息，從而使得電氣設備使用人員能夠實時監(jiān)控電氣設備運行狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，有效地對進行監(jiān)控和智能化管理。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。