基于Internet的樓宇用電量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭桂力，沈 統(tǒng)，王首彬，陸 景

(1.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

基于Internet的樓宇用電量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭桂力1,2，沈 統(tǒng)1,3，王首彬2，陸 景1

(1.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621010；2.天津城建大學(xué)控制與機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來越高，便捷的智能化空間將成為人們的理想居住目標(biāo)。用電量關(guān)系到居民的日常生活，因此，智能家居中的用電量監(jiān)控和電能質(zhì)量分析非常重要。目前，主要采用無線抄表和人工抄表相結(jié)合的方式獲得樓宇用電量數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇電量的監(jiān)測與分析，設(shè)計(jì)了一種基于Internet的樓宇電量的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集終端和WiFi無線傳輸模塊，其功能是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。中心內(nèi)搭建的Windows Server 2003和Apache網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫管理樓宇電量網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)已經(jīng)完成對(duì)樓宇用電量的采集及傳輸，并實(shí)現(xiàn)了樓宇的電量數(shù)據(jù)的管理和維護(hù)。該研究對(duì)智能家居的樓宇電能優(yōu)化控制具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

智能家居； 用電量； 監(jiān)控系統(tǒng)； 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； MySQL數(shù)據(jù)庫； 電能質(zhì)量

0 引言

在現(xiàn)代社會(huì)中，電力是必不可少的重要能源。作為二次能源，其不可再生，是各個(gè)國家的重要資源之一[1]。我國電力資源相對(duì)匾乏。近年來，我國提出了智能電網(wǎng)與階梯電價(jià)制度，使科學(xué)用電和節(jié)約用電的理念深入人心。如何合理利用電子現(xiàn)代化手段管理和控制電力資源，已經(jīng)越來越受到人們的重視；利用信息技術(shù)加強(qiáng)對(duì)電力資源和智能電網(wǎng)的合理利用與有效監(jiān)控也初顯成效[2]。

與此同時(shí)，由于居民對(duì)自己所消耗的電量有相應(yīng)的知情權(quán)，供電局也需要對(duì)每一個(gè)用電單位的電量進(jìn)行監(jiān)控[3]。因此，一種遠(yuǎn)程電量監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)利用微電子傳感技術(shù)、單片機(jī)嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4-5]，將電力用戶電量信息自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中心進(jìn)行存貯和處理，并生成所需的數(shù)據(jù)信息報(bào)表，以提高電網(wǎng)運(yùn)行和管理的自動(dòng)化水平。同時(shí)，居民可通過手機(jī)用戶端登錄Internet，查詢家庭用電情況[6-7]。

1 電量監(jiān)控系統(tǒng)主要服務(wù)軟硬件架構(gòu)

本文基于Internet的供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了電量監(jiān)控系統(tǒng)主要服務(wù)軟硬件架構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括:采用WiFi無線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用Windows Server 2003和Apache建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用多種計(jì)算機(jī)軟件對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行仿真分析。電量監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電量監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)[8]。Windows Server 2003具有可用性、可伸縮性和安全性，是高度可靠的系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)支持文件和打印機(jī)共享，提供安全的Internet連接，允許集中的應(yīng)用程序部署，支持4個(gè)處理器，最低支持256 MB、最高支持4 GB的內(nèi)存，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的端口設(shè)置、密碼設(shè)置、登錄測試設(shè)置、遠(yuǎn)程桌面登錄設(shè)置和加密遠(yuǎn)程桌面連接等功能[9]。

系統(tǒng)架構(gòu)中，底層服務(wù)程序是連接操作系統(tǒng)層和數(shù)據(jù)庫MySQL服務(wù)層的中間環(huán)節(jié)[10]。其功能是監(jiān)控傳入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以被MySQL使用的格式；同時(shí)，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)站服務(wù)程序，由MySQL數(shù)據(jù)庫層完成對(duì)數(shù)據(jù)的記錄。該底層服務(wù)程序由PHP程序搭建而成。與其他編程語言相比，PHP制作動(dòng)態(tài)頁面的優(yōu)勢如下：PHP將程序嵌入到HTML文檔中執(zhí)行，執(zhí)行效率比完全生成HTML標(biāo)記的CGI要高得多。PHP是Web服務(wù)器的1個(gè)模塊功能，用于保證Web服務(wù)器的安全。PHP、MySQL與Apache服務(wù)器的組合使用，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[11]。

上層服務(wù)程序采用Apache Http Server。它是Apache軟件基金會(huì)的1個(gè)開放源碼的網(wǎng)頁服務(wù)器[12]，可以在大多數(shù)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中運(yùn)行。由于Apache Http Server可以應(yīng)用于多個(gè)平臺(tái)，并具有較高的安全性能，所以被廣泛使用，是目前最流行的Web服務(wù)器端軟件之一。其服務(wù)程序支持多種編譯功能，大部分可以通過編譯模塊實(shí)現(xiàn)。

以下為編譯Apache過程。

將服務(wù)程序安裝在/sw/pkg/apache目錄下，指定一個(gè)特定的編譯器以及編譯參數(shù)，且允許今后將2個(gè)附加的模塊mod_rewrite和mod_speling通過DSO機(jī)制在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)加載：

$ CC=‘pgcc’ CFLAGS=‘-O2’ .

/configure --prefix=/sw/pkg/apache

--enable-rewrite=shared

--enable-speling=shared

configure需要運(yùn)行幾分鐘，以測試指定的功能在系統(tǒng)中是否有效，并建立稍后編譯時(shí)所需的大量Makefile文件。

2 前端及其服務(wù)程序設(shè)計(jì)

在樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)前，需要對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)器環(huán)境進(jìn)行配置，主要包括以Windows Server 2003為操作系統(tǒng)的底層服務(wù)程序和上層的服務(wù)程序2部分。上層的服務(wù)程序又分為Apache Http Server服務(wù)程序、MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)程序、PHP服務(wù)程序3部分。Apache Http Server服務(wù)程序可以提供良好的Http網(wǎng)頁服務(wù)，MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，PHP服務(wù)程序能夠生成可供瀏覽的動(dòng)態(tài)頁面。它們的功能各不相同，但是相互之間存在數(shù)據(jù)傳輸，從而能完成整體的運(yùn)行。

服務(wù)程序分為7個(gè)功能塊。用戶打開網(wǎng)站之后，首先實(shí)現(xiàn)登錄功能。系統(tǒng)會(huì)核對(duì)用戶名、密碼以及驗(yàn)證碼。如果正確，則允許用戶登錄；否則，登錄失敗。登錄成功之后會(huì)在系統(tǒng)的session中寫入用戶名，管理員可以通過查看session，判斷用戶是否登錄成功。除登錄功能之外，服務(wù)程序還有以下功能：實(shí)時(shí)查看和查詢電量，用戶權(quán)限管理，房間電器狀態(tài)控制，房間電器電量歷史數(shù)據(jù)查詢以及用戶登錄控制等。

當(dāng)系統(tǒng)登錄成功之后，進(jìn)入歡迎界面。通過控制系統(tǒng)，可以顯示整個(gè)空間的總電量能耗，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控服務(wù)功能。通過歡迎界面上的3D空間圖，用戶可以進(jìn)入n個(gè)子空間，對(duì)子空間的電量進(jìn)行監(jiān)控，并在服務(wù)界面上根據(jù)用戶需求添加服務(wù)。當(dāng)完成對(duì)各個(gè)空間數(shù)據(jù)的查看和采集后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并隨時(shí)結(jié)束服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)服務(wù)流程圖

2.1 系統(tǒng)登錄頁面

在完整的系統(tǒng)中，能直接呈現(xiàn)給客戶的部分被稱為前端。本系統(tǒng)前端頁面采用html 4.0技術(shù)進(jìn)行內(nèi)容的展現(xiàn)。登錄界面設(shè)有簡潔、明了的用戶名稱、用戶密碼、校驗(yàn)碼、登錄和注冊對(duì)話框。用戶可以先進(jìn)行注冊，然后在此界面上輸入自己的用戶名、密碼和校驗(yàn)碼，以進(jìn)入系統(tǒng)。

2.2 登錄安全頁面

登錄界面采用了2個(gè)輸入框，有通用的輸入配置，可供用戶在任意瀏覽器中進(jìn)行瀏覽。系統(tǒng)采用了js原始代碼來檢測用戶的輸入情況，使用戶需要通過輸入安全校驗(yàn)碼進(jìn)行登錄。安全校驗(yàn)采用了驗(yàn)證碼機(jī)制，保障了用戶安全， 使系統(tǒng)的安全性有了實(shí)質(zhì)性的提升。

2.3 用戶注冊權(quán)限管理頁面

系統(tǒng)的用戶注冊權(quán)限頁面位于登錄之后，可以根據(jù)界面提示進(jìn)行填寫，包括用戶名稱、密碼、確認(rèn)密碼、權(quán)限和頭像。權(quán)限內(nèi)容主要分為2級(jí)：①管理員，即數(shù)據(jù)庫中標(biāo)注為權(quán)限1的用戶；②參觀者，即數(shù)據(jù)庫中標(biāo)注為權(quán)限2的用戶。管理員具有最高的權(quán)限，可以開放給一個(gè)空間的管理者，并可以控制電量；參觀者只可以查看空間中的電量，但其權(quán)限級(jí)別還可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行添加。系統(tǒng)設(shè)置的首要任務(wù)是明確用戶責(zé)任，確保系統(tǒng)安全。因此，通過權(quán)限管理可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，完善系統(tǒng)的架構(gòu)。本系統(tǒng)基于這方面考慮，也增加了權(quán)限管理功能。

2.4 監(jiān)控管理頁面

系統(tǒng)有1個(gè)總體的監(jiān)控管理頁面，可以直觀地觀察、了解整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)。用戶界面中采用了3D房型圖結(jié)構(gòu)，具有整個(gè)空間的全部房間以及可以控制的電器的列表，使用戶無需進(jìn)行操作即可看到房屋內(nèi)總體消耗電量的情況，并直觀地了解各個(gè)子空間里總體消耗電量的情況。目前，總體空間主要包括5個(gè)子空間頁面。用戶通過點(diǎn)擊進(jìn)入子空間內(nèi)部，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)哪個(gè)子空間正在消耗電量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢。

同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)每個(gè)子空間均創(chuàng)建了1個(gè)監(jiān)控頁面。用戶可以直接通過這些分頁面進(jìn)行管理。這樣的設(shè)計(jì)，有利于用戶針對(duì)性的監(jiān)控，并且邏輯分明，不會(huì)出現(xiàn)控制錯(cuò)誤或者找不到控制對(duì)象的情況。在每個(gè)分頁面中，可以直接顯示該子空間的用電情況，從而監(jiān)測每個(gè)用電器的用電情況。如果是權(quán)限2的用戶，只能觀察，并不能控制用電器；而權(quán)限1的用戶可以根據(jù)每個(gè)用電器的情況進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)用電器進(jìn)行開關(guān)的功能，對(duì)耗電量大的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

2.5 實(shí)時(shí)查詢電量頁面

在系統(tǒng)進(jìn)行空間電量監(jiān)控時(shí)，用戶可以實(shí)時(shí)進(jìn)入電量查詢頁面。用戶可以通過主頁面了解整體空間的實(shí)時(shí)消耗的總電量，并在子空間的分頁面上，對(duì)各個(gè)用電器進(jìn)行電量查詢和控制。子空間界面中依次顯示空間中的各個(gè)用電器名稱、時(shí)間、電壓值、電流值和當(dāng)前用電器的總功率值。

在每個(gè)用電器界面上，還存在2個(gè)標(biāo)簽：“打開設(shè)備”和“關(guān)閉設(shè)備”。權(quán)限1的用戶可以根據(jù)自身需求對(duì)該用電器進(jìn)行控制，如關(guān)閉暫時(shí)不用的或者耗電量大的用電器；而權(quán)限2的用戶則沒有該項(xiàng)控制功能。

2.6 樓宇電量歷史數(shù)據(jù)查詢頁面

系統(tǒng)的每個(gè)空間界面，還具有每個(gè)用電器的電量歷史數(shù)據(jù)查詢功能。該功能主要是為了滿足個(gè)別用戶對(duì)查詢某時(shí)間段電能消耗的需求。同時(shí)，對(duì)于管理者來說，也可以通過該功能更加精確地控制及監(jiān)管所有用電器的工作狀態(tài)，通過歷史數(shù)據(jù)分析用電器使用情況，延長用電器壽命。

用戶通過對(duì)每個(gè)用電器的歷史電量查詢，可以得到該用電器在過去不同時(shí)刻的電量值。該值對(duì)于今后的電能質(zhì)量和優(yōu)化控制有著十分重要的作用。今后，科研人員可以基于對(duì)該電器設(shè)備的多個(gè)時(shí)間段用電量統(tǒng)計(jì)，利用分析軟件得到該電器實(shí)時(shí)的電能質(zhì)量；也可進(jìn)行優(yōu)化控制，分析出該用電器在哪個(gè)時(shí)段使用頻繁、哪個(gè)時(shí)段閑置，從而控制該電器的通斷，以滿足該電器的用電需求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制的目的。歷史查詢界面可供用戶隨時(shí)進(jìn)行查詢，也可以通過excel文件進(jìn)行導(dǎo)出、存儲(chǔ)。

2.7 樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用及測試

目前，基于Internet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，并安裝到實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行測試。利用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的Internet進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部電量的采集和傳輸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可通過中央控制計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確采集電量數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和初步分析，同時(shí)也可以簡單控制用電器的開關(guān)與調(diào)節(jié)。對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定工作了72 h，沒有掉線，基本滿足了系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)要求。但在后續(xù)工作中，還要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)電量分析軟件，以配合該系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于Internet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)，主要為網(wǎng)頁控制的部分。通過網(wǎng)頁中設(shè)計(jì)的樓宇三維控制系統(tǒng)，只要能上網(wǎng)，用戶就可以隨時(shí)隨地看到房間的三維圖像，從而進(jìn)行任意控制和查詢操作。同時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和開關(guān)功能。通過無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用戶可以隨時(shí)隨地控制自己的家用電器和設(shè)備，以節(jié)約能源。

采用無線Internet與傳統(tǒng)用電設(shè)備相結(jié)合，全新的數(shù)字化、無線化控制必將對(duì)人類的能源觀念和用電文化造成新的沖擊[13]。Internet技術(shù)將樓宇與人連接得更加緊密?；贗nternet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)為樓宇電量數(shù)據(jù)分析處理、電能質(zhì)量和優(yōu)化控制算法研究奠定了基礎(chǔ)。

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DesignoftheBuildingPowerConsumptionMonitoringSystemBasedonInternet

PENG Guili1,2,SHEN Tong1,3,WANG Shoubin2,LU Jing1

(1.Fudamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.School of Control and Mechanical Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

With the social development and the improvement of people’s living standards,the requirements of the living environment is also higher and higher,and a convenient intelligent space is becoming the ideal living target.Because the amount of electricity consumption is related to the daily life of the residents,monitoring electricity consumption and analyzing the quality of electric power energy are very important in smart home.At present,the method for getting data of building electricity consumption is mainly combining the wireless meter reading and manual meter reading.To implement monitoring and analyzing of building electricity,the Internet-based monitoring system of building electricity is designed.This system consists of data acquisition terminal and WiFi wireless transmission module.Its function is transmitting the collected data to control center,in which the Windows Server 2003 and Apache network platform is equipped,and by using MySQL database,the operation data of building electricity consumption are managed.Currently,the collection and transmission of the building electricity consumption data have been completed and the management and maintenance of the data are realized.The study will possesses certain practical significance in building electric energy optimization control of smart home.

Smart home; Power consumption; Monitoring system； Internet techonology; MySQL database; Power quality

修改稿收到日期:2017-07-19

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41604153)、四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)基金資助項(xiàng)目(2017JY0006)、核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)基金資助項(xiàng)目(14tdhk03)

彭桂力(1981—)，男，碩士，講師，主要從事控制理論的研究、地質(zhì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的處理和分析、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和研制，E-mail:planepeople678@sina.com.cn

TH86;TP315

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712001