用于经由使用现场装置网络控制实现对电力的建筑管理的系统的制作方法
【专利摘要】一种用于监测并且控制建筑中的电力使用的系统，所述系统包括系统控制单元以及与所述系统控制单元无线通信的增强接线装置。所述增强接线装置硬接线到建筑电气基础设施，并且选自由电气插座和电源开关组成的组。所述增强接线装置还包括：用于监测建筑房间中的刺激参数的传感器；处理器；至少一个存储器，其耦接到所述处理器上；以及程序指令，其存储在所述至少一个存储器上，以供所述处理器执行来评估来自所述传感器的数据并且从其传达数据。所述增强接线装置还包括：天线，其用于将所述传感器数据发送到所述系统控制单元；以及用户接口，其连接到所述系统控制单元，适配用于配置并且监测来自所述增强接线装置中的数据。
【专利说明】用于经由使用现场装置网络控制实现对电力的建筑管理的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]引用并且本申请主张2012年I月6日提交的名称为“用于经由使用现场装置网络控制实现对电力的建筑管理的系统(SYSTEM FOR BUILDING MANAGEMENT OF ELECTRICITYVIA NETWORK CONTROL OF P0INT-0F-USE DEVICES) ” 的美国临时申请序列号 61/583，800 和2012年12月28日提交的名称为“用于经由使用现场装置网络控制实现对电力的建筑管理的系统(SYSTEM FOR BUILDING MANAGEMENT OF ELECTRICITY VIA NETWORK CONTROL OFP0INT-0F-USE DEVICES) ”的美国专利申请序列号13/729，890的优先权以及权益，这些申请在此以引用的方式全部并入本文。
发明领域
[0003]本发明是涉及用于电力使用的控制的系统，更具体地，涉及包括使用现场装置的这样的系统，并且最具体地，涉及一种结合多个“智能”使用现场电气插座和开关、系统控制单元以及图形用户接口的系统。
[0004]发明背景
[0005]能源节约是现有的企业业主可以在其物理基础设施中利用来增加利益同时有助于环境的最重要的投资之一。建筑效益投资中的“易摘到的果实(low-hanging fruit) ”已被收获，诸如安装具有能源效益的窗、加热系统以及建筑隔绝材料。
[0006]商业建筑市场包括商业和政府办公室、学校、餐馆以及医保设施。已在减少能源消耗方面取得显著进步，尤其是在商业水平上的显著进步。许多大型建筑正在经历“表皮”翻新(能源节约的窗以及隔绝材料)以及对HVAC(暖通空调)系统的翻新，以便增加能源效益。太阳能板以及风场得到采用以便增补能源效益。
[0007]商业电费高于住宅电费，由此提供更快速的投资回报。根据能源部(DOE)，家庭消耗约22%的国家能源，相比之下，商业和工业建筑是49%。且并不令人惊讶的是，商业和工业建筑是消耗该能源的不成比例的量。
[0008]在美国，平均功率电站是建造于20世纪60年代，并且由于成本以及许可程序，新的电厂并未足够快地上线以便处理对能源的增加需求。现在，能源消耗减少需求吸引ESCO(能源服务公司)来对端点能源使用进行评估，并且提供通过项目融资和性能协议由ESCO来资助的解决方案。虽然这些努力已经导致大量能源节约，但是这些全都未聚焦于最终使用端点、即电气插座或开关。计算机、打印机、复印机和其它装置继续消耗能源，甚至在不使用的情况下也是如此。通宵、周末以及加热甚至在待机时，能源被消耗并浪费掉了。
[0009]业主正在需求关于他们的建筑的性能的更多信息以使得他们可以减少操作成本并且符合企业可持续性目标。他们渴望充分利用允许在能源使用上实现具有成本效益的减少的最新技术进步。尽管建筑业主、设施以及公司管理人员很少尽力指示员工关闭未使用的设备，但若出现这种情况请这样做。很像部分由于消费者不消费最便宜的医保而造成的医保成本飙升，个人很少有减少能源使用的动机，因为随之而来的节约不惠及个人。考虑的是，虽然许多商业建筑开放并运营的时间仅占每周总时间的30%，但是它们的计算机以及办公设备保持开放和运营的时间是占该时间的100%。
[0010]发明概述
[0011]能源节约发展工作逐渐转至用于监测并且控制诸如办公建筑、仓库以及住宅等的结构中的电力消耗的各个方面的复杂管理系统。许多当前系统是依赖于联系到目前不存在并可能永不存在的区域“智能电网”。
[0012]本领域中需要的是一种经改进的新一代智能电气装置的独立系统，它可显著影响最终使用点的电力消耗的检测和控制，其中终端用户不依赖于购买特定器具、不是其成功连接到电网所依赖的、并且不依靠于外部能源供应方对控制进行决策。简而言之，根据本发明的使用现场网络控制电气(POUNCE)系统包括无线联接到中央系统控制器和用户接口的多个智能插座和开关(本文统称“智能插座”或“增强接线装置”)。所述接口能以多种方式、例如手动、通过智能手机、或者经由互联网来访问。所述智能插座是内置到建筑电气基础设施中的先前已有或现有技术公共插座和开关的直接替代元件。所述智能插座检测并且控制电气器具使用并且通过专有方法报告信息，所述信息能以多种方式使用并且显示以有助于用户理解并且优化所述建筑中的电力消耗。
[0013]提供给所述用户的信息使用实时非侵入性方法收集，由此尽可能地提供最准确的并最新的信息。所述智能插座具有将通信、天线、数据转换器、电磁部件以及其它离散功能集成到紧凑设计的能力。
[0014]所述系统的关键益处是要监测的资源消耗减少、用户实现投资回报、易于安装、维护以及利用。电力消耗越少表示采用公共事业账单的形式的操作开销越低、碳排放量越低并且利越闻。
[0015]那么，本发明的一个方面，公开的是一种用于监测并且控制建筑中的电力使用的系统。所述系统包括系统控制单元以及与所述系统控制单元无线通信的增强接线装置。所述系统控制单元包括处理器、耦接到所述处理器的至少一个存储器以及耦接到所述处理器的网络接口。所述增强接线装置硬接线到建筑电气基础设施，并且选自由电气插座和电源开关组成的组。所述增强接线装置还包括:用于监测建筑房间中的刺激参数的传感器；处理器；至少一个存储器，其耦接到所述处理器上；以及程序指令，其存储在所述至少一个存储器上，以供所述处理器执行来评估来自所述传感器的数据并且从其传达数据。所述增强接线装置还包括:天线，其用于将所述传感器数据发送到所述系统控制单元；以及用户接口，其与所述系统控制单元中的所述网络接口通信。所述用户接口适配用于经由所述系统控制单元配置并且监测来自所述增强接线装置中的数据。
[0016]本发明的另一方面，在包括与系统控制单元无线通信的一个或多个增强接线装置的一种系统中，所述增强接线装置是电气插座和电气电源开关中的一个，并且包括天线、一个或多个处理器、耦接到所述一个或多个处理器的至少一个存储器以及存储在所述至少一个存储器上以供所述一个或多个处理器执行的程序指令，公开一种节约建筑系统的能源消耗的方法。所述方法包括以下步骤:将所述一个或多个增强接线装置硬接线到建筑中的电气基础设施；以及通过所述增强接线装置中的一个上的传感器来感测所述建筑中的房间中的刺激参数。所述方法还包括以下步骤:在所述存储器上存储表示所感测的参数的数据；以及执行程序指令以便将所感测的参数数据发送到所述系统控制单元。[0017]本发明的另一方面，公开一种防篡改用电气插座。所述插座包括:磁轭组件，所述磁轭组件适配用于连接到建筑接线系统的电气引线；以及联锁外壳，所述联锁外壳被耦接到所述磁轭组件。所述联锁外壳界定凹口。所述电气插座还包括联锁主体，所述联锁主体包括位于所述主体的第一侧上的、适配用于提供插头插脚的可移动的屏障的至少两个楔形表面。所述电气插座还包括包括位于所述主体的相对第二侧上的栓锁凸片。所述栓锁凸片被定位成接近所述联锁外壳中的所述凹口。不均匀力到所述楔形表面的施加促使所述栓锁凸片进入所述联锁外壳中的所述凹口，并且施加到所述楔形表面的平衡力的所述施加促使所述联锁主体在垂直所述力的方向的方向上移动。
[0018]附图简述
[0019]参照以下所述附图可更好地理解本文所述特征。附图不必按照比例，而着重点一般在于说明本发明的原理。在附图中，各个附图中的相似数字用于指示相似部分。
[0020]图1描绘根据本发明的一个实施方案的一种用于监测并且控制建筑中的电力使用的系统的框图；
[0021]图2描绘图1所示增强插座的分解透视图；
[0022]图3描绘图2所示增强插座的正视平面图；
[0023]图4描绘图2所示防篡改用装置的正视平面图和分解透视图；
[0024]图5描绘图1所示增强开关的分解透视图；
[0025]图6描绘图1所示系统控制单元的分解透视图；
[0026]图7A和图7B描绘用于系统控制单元的图形用户接口的示例性显示；
[0027]图8和图9描绘从图1所示系统收集的数据的时间-温度-占用图表；以及
[0028]图10描绘从图1所示系统收集的数据的2D热像图。
【具体实施方式】
[0029]参照图1，示出用于监测并且控制建筑中的电力使用的使用现场网络控制系统10的框图。系统10包括系统控制单元12、与系统控制单元无线通信的一个或多个增强接线装置14以及与系统控制单元通信的用户接口 16。增强接线装置14硬接线到建筑接线系统(未示出)并且替代或取代常规插座盒和开关。如图所示，增强接线装置14的实施方案可以包括安装在壁上的插座18或者安装在壁上的开关20。例如，每个增强接线装置14包括一个或多个传感器，用以监测房间中的刺激参数，诸如温度、占用人的存在，连接到电气负载的器具功率消耗以及负载电流汲取。
[0030]用户接口 16(或者说是用户平台)可实现为诸如便携式计算机、台式电脑、平板电脑、智能手机或具有浏览器能力的任何装置的计算机。如果实施为计算机，用户接口 16可以根据诸如以太网的有线网络通信协议来与系统控制单元12进行通信，或可根据诸如WiFi的无线协议进行通信。用户接口 16可以提供图形接口(例如，GUI)以配置并监测网络10中的每个增强接线装置14，并且显示网络内的装置上发生的重要事件。在一个可能的实施方案中，图形用户接口 16可以被定位在系统控制单元12前面。
[0031]例如，系统控制单元12集成并且控制被安装在网络10内的所有增强接线装置14，并与用户接口 16通信以便提供实时反馈、历史数据、电力消耗、成本预测，并且针对每个装置14的警报。定制的组态设定可以在用户界面16上输入用于每个接线装置14，传送到系统控制单元12，并以无线方式传输到每个增强布线装置一些实施方案中，系统控制单元12可与用于利于监测并且控制建筑的机械、照明、安全和/或其它系统的建筑自动系统网络的控制器22进行通信。一个方面，例如，从一个或多个增强接线装置14所获得的数据可以用作用于建筑暖通空调(HVAC)控制器或建筑照明系统控制器的输入。
[0032]图2描绘安装在壁上的插座18的分解透视图。插座18可以包括前盖24、防篡改用装置26、插座组件28以及常规后盖30。插座18还包括电子封装32，所示实施方案中，所述电子封装32被实现为印刷电路板(PCB)组件。电子封装32包含必要硬件和软件来实行所公开的发明中的各实施方案中描述的功能。
[0033]前盖24安装到后盖30上，以便提供环境密封。前盖24界定开口 34以便容纳电源插头(未示出)的插片或插脚，并且可以另外界定开口以便容纳PCB组件32上的传感器或指示器，诸如用于无源红外传感器的开口 36、用于LED指示器的开口 38以及用于针头部的开口 40。本发明的一个实施方案中，当安装插座18时，前盖24从壁突出。换句话说，前盖24并不墙壁齐平如果安装在电子封装32上的温度传感器41位于后盖30所形成的内腔外侦牝就可获得更准确的室温读数。以此方式，电路板就可以横向于壁平面定位，因此它沿前该24和后盖30的内部垂直表面向前延伸。前盖24和电路板32可配置成从壁平面突出，并且温度传感器41可定位在板的前部以使其从壁突出。为了提供更准确的室温读数，前盖24可以另外界定适配用于通过内腔的无源空气循环的循环端口 42。电子封装32可以被固定在前盖24和后盖30所形成的内腔内，被实现为带有关联的硬件和软件的印刷电路板。
[0034]相关实施方案中，印刷电路板32可以还包括天线43，用以无线接收来自系统控制单元12 (图1)的通信并从所述系统控制单元发射通信。所示实施方案中，天线43是铜微带并定位在印刷电路板的前缘，以像温度传感器41那样，天线突出离开壁平面并突出到房间空间之中。此结构的一个优点在于天线43的性能不受金属所形成的后盖或电箱30。因此，在包括了外部金属线槽的建筑接线系统中，例如，所公开的插座18可以被改装到现有系统，而不影响天线43性能。
[0035]虽然本实施方案中未示出，有源循环还可用于提供准确室温读数。例如，带有最小寄存功率汲取的小风扇可以放在腔中。
[0036]安装在壁上的插座18的插座组件28包括适配用于固定火线插片接触元件(hotblade contact element) 46 和零线插片接触兀件(neutral blade contact element) 48 的主体44或接触保持器。火线插片接触元件46背侧具有通过电路板32连接到建筑电气基础设备的火线引线50的器件，并且零线插片接触元件48背侧具有通过电路板32连接到零线引线52的器件。以此方式，可以利用各种功能以及控件，诸如用于测量包括实际功率和无功功率的瞬时功率的电压和电流监测电路。接地插脚54连接到磁轭组件56上，磁轭组件56被固定到主体44背侧。磁轭组件56具有连接到建筑电气基础设施的接地导线58的器件。一个实施方案中，隔离接地选项被设计成通过移除连接螺杆、突片或其它机械装置使通常电连接到接地接线和插头插入端子的安装条带电气隔离。
[0037]现在参照图3，示出插座组件28的前视平面图，其中前盖移除。插座组件28的一个独特方面在于火线插片接触元件46、零线插片接触元件48以及接地插脚54的中心线CLl以距离D与磁轭组件56的中心线CL2偏移。一个方面，偏移D可能产生电路板组件32的另外内部容积，以使温度传感器41和安装在其上的天线43可以从壁平面突出。[0038]图1描绘根据本发明的一个实施方案的每个增强接线装置14中的电子封装32的框图。电子封装32包括耦接到系统总线62的处理器(或CPU)60，诸如微控制器。计算机可读存储器64被耦接到系统总线62。在一个实例中，存储器64是整体的非易失性存储器，诸如可擦除的可编程只读存储器(EPROM)。存储器64可以包含程序指令65，用以根据从系统控制单元12接收的输入、或从电子封装上的传感器数据来操作增强接线装置14。
[0039]电子封装32还包括一个或多个传感器66，用以监视房间中的刺激参数。示例性传感器包括但不限于温度传感器41以及用以检测占用人的运动或存在的无源红外(PIR)传感器66a (图2)。一个实施方案中，用户可以通过编程不同阈值而来远程设置PIR传感器66a的灵敏度。因此，增强接线装置14(诸如插座18)可以检测个人合适坐在它们的小分隔间中，但是PIR传感器66a的灵敏度可以被设置为较高阈值以便紧紧触发在近处的移动。以此方式，如果有人走过成排小分隔间之间过道，将不触发传感器66a。电子封装32中的其它传感器可以包括电流传感器和电压传感器。增强接线装置14能够被提供有程序指令65以从电压和电流测量来计算到负载的电力。未示出但被设想用于系统10的其它传感器66包括用于语音命令的麦克风，麦克风可使得命令发送回到系统控制单元12并且连同相关联的警报一起发送回到CO2传感器。电子封装32由于其模块化设计而可包括传感器和能力任何组合。电子封装32可以还包括开/关接触器继电器(未示出)以使插入增强接线装置14中的电气负载连接或者断开连接(接触器会确定极和投掷开关(throw)数量)。微控制器60另外可以包括模数转换器以数字化传感器的模拟输出。
[0040]电子封装32还包括发射器和接收器、或收发器68，以与系统控制单元12进行通信。在一个实例中，收发器68是耦接到天线43的WiFi射频。如上所述，收发器也可以被安装在电路板32上，以使其从壁中突出，由此允许增强接线装置14被安装到公共金属电箱，而不降低天线性能。
[0041]图4描绘根据本发明的一个实施方案的防篡改用装置26的前视平面图和分解透视图。平面图中，为了清楚起见，联锁主体和弹簧被移除。防篡改用装置26包括联锁壳体70，它的尺寸被调整成接合磁轭组件56，以使上部接地插脚54突出穿过联锁外壳中的开口72，并且下部接地插脚54被定为在联锁壳体下方。上部联锁主体74和下部联锁主体76包括精确定位的孔，它的尺寸被调整成接受弹簧78下端。每个弹簧78的顶部部分由弓I导插针80支撑，当弹簧压缩并且联锁处于打开位置时，所述引导插针配合联锁主体中的凹陷的孔。弹簧78尺寸被调整成提供足够的力来将主体74、76保持处于闭合位置，同时松弛以便允许在正常操作下接取。当插座18未被使用时，弹簧78促使上部联锁主体74和下部联锁主体76抵靠相应上部架子82和下部架子83，并且阻塞前盖24 (图2)中的插头插片开口 34。
[0042]每个联锁主体74、76的阻塞表面包括复杂楔形表面84，所述复杂楔形表面包括允许主体在施加平衡力到两侧时上滑的支点和倾斜度。倾斜表面是成角度的，这样，插入插头插脚将会促使联锁主体向上并且脱开。本发明的一个实施方案中，联锁主体可由不导电的材料(诸如塑料)形成。例如，楔形表面84可与水平方向处于范围在31度到41度的角度。所示实施方案中，每个联锁主体74、76还包括了背侧上的栓锁突片85(部分隐藏)以便在施加不均匀力时拒绝接取。栓锁突片85被对准成接近联锁壳体74中的相应凹口 87。当施加力(朝向墙壁)到楔形表面84时，支点导致栓锁突片85与壁略微枢转分离，由此确保插片部并不接合凹口 87。然而，如果不均匀的压力被施加到楔形表面84，诸如当刀或硬币被推动到插片开口 34中的仅仅一个之中时，不均匀的压力迫使相对栓锁突片85枢轴到凹口 87中，并且联锁装置主体将不垂直提升出来。
[0043]图5描绘根据本发明的一个实施方案的安装在壁上的开关20的分解透视图。开关20可制造成基本上类似于插座18。也就是说，开关20可包括前盖124、开关组件186、常规后盖130以及电子封装132，所述电子封装就像参照图2和图4描述的封装那样可实现为印刷电路板组件。在一个示例中，前盖124可以界定用于按钮开关的开口 188。前盖124另外可以界定开口以便容纳PCB组件132上的传感器或指示器，诸如用于无源红外传感器的开口 136、用于LED指示器的开口 138以及用于插针头部的开口 140。在机械能安装以允许横向于壁平面定位电路板132时，前盖124还可从壁突出，由此它沿前盖124和后盖130的内部垂直表面向前延伸。循环端口 142可以适配用于分别通过前部壳体124和后部壳体130的内腔的无源空气循环。
[0044]开关组件172包括适配用于固定开关按钮组件190的主体144或接触保持器。主体144被固定到安装凸缘156，所述安装凸缘具有连接到建筑电气基础设施的接地导线158的器件。火线、零线以及开关引线150、152、192分别是固定到用于控制系统控制单元所发起的功能的电路板132。电路板132的总体布局和操作如参照图2和图4所描述。例如，可以利用各种功能以及控件，诸如用于测量瞬时功率的电压和电流监测电路，所述瞬时功率包括通过开关来接线的负载(诸如照明或者电机负载)的实际功率和无功功率电路另外可以包括开/关接触器继电器以使通过开关来接线的负载以及瞬时或保持拉杆、肘杆和按钮开关连接并且断开连接。开关可为可编程的，从而无论初始位置如何，始终响应相反的接触器状态。另外，开关可以被编程为忽略开关状态改变。这将应用于仅仅希望射频通信或内部编程开关命令的应用。开关响应还可通过将开关命令发送到系统中或与系统集成的其它装置而来命令与连接到开关的电路在物理上分开的其它装置的动作。例如，在由PIR检测器检测时，连接到灯上的浴室开关可以将接触器关闭。如果手动接合同一开关，装置可以用射频发送该动作到其它地方以便打开排气风扇。
[0045]所示实施方案中，示出NEMA5-20插座(20安培，120VAC)。然而，本文所公开的发明性的概念能以任何电压定额用于世界上的任何国家中的任何标准或规格的插座。例如，旅馆房间中的提供电力到单独热泵、电热单元或空调单元的240伏插座可有利地用于本发明的各实施方案。
[0046]同样，所示实施方案中，示出单极、单掷开关。然而，开关120可以包括常常用于建筑接线中的120VAC或277VAC单相并且15或20安培定额的单极、双极、单掷开关以及双掷开关。
[0047]图6描绘系统控制单元12的分解透视图，一个实施方案中，它是一种紧凑的计算机系统94。紧凑的计算机系统78可以包括基础计算机的所有功能，诸如带有微处理器和微型SD卡(例如，非易失性存储器)的计算机主板。计算机系统94另外可包括电池，所述电池允许平滑关断或假信号穿越以便不会损害存储器卡。计算机系统94另外可以包括带有电池备份的实时时钟，由此增强接线装置14(图1)可与系统定序并且在供电中断后不就返回到其配置好的操作。如果系统控制单元12连接到因特网，系统时钟可从NTP服务器进行更新。否则，系统94在初始配置中在其自己的时钟上运行。因此，例如，每个增强接线装置14具有同步并且维持由ss/hh/dd/mm/yyyy时间组成的实时时钟的能力。[0048]计算机系统94还可包括带有微控制器的扩展板94a以供用于射频卡与微处理器之间射频通信接口。所示实施方案中，系统控制单元12具有在扩展板94a上的四个多色指示器LED:蓝色LED95a状态指示器；黄色LED95b警报指示器；绿色LED95c设备网络指示器；以及红色LED95d DC电源指示器。系统控制单元12另外可以包括防护性壁外罩96和安装支撑板97。一个实施方案中，系统控制单元12通过诸如MiWi协议的无线个人区域网(WPAN)与增强接线装置14进行通信。系统控制单元12可以包括2.4GHz射频和单极天线98作为MiWi物理结构的一部分。
[0049]图1描绘系统控制单元12内的计算机系统94的框图。计算机系统94包括耦接到系统总线562的处理器560。处理器560可以利用一个或多个处理器,其中每个都有一个或多个处理器芯。系统存储器564也耦接到系统总线562。系统存储器564被定义为计算机94中最低级的易失性存储器。易失性存储器可以包括另外更高级的易失性存储器(未示出)，包括但不限于，缓存存储器、寄存器以及缓冲器。填充系统存储器564的数据包括计算机的操作系统561以及应用程序563。操作系统561还包括了内核(未示出)，所述内核包括用于操作系统的较低级的功能，所述功能包括提供操作系统和应用程序563的其它部分所要求的必要服务，包括存储器管理、处理以及任务管理。
[0050]如图描绘，计算机系统94能够使用网络接口 559经由网络19来与建筑自动系统控制器22和用户接口 16通信。网络19可以是诸如因特网的外部网络、或诸如以太网或虚拟专用网络的内部网络。因此，应用程序563还可包括浏览器，它包括了程序模块和指令以使得万维网客户端(即，计算机94)能够使用超文本传输协议(HTTP)发送网络消息到因特网并且接收所述网络消息，由此实现了与其它计算机系统(诸如便携式计算机、个人计算机、智能手机、平板电脑以及建筑自动系统控制器22)的通信。
[0051]在操作中，系统10可以被组织成使得每个增强接线装置14具有其自己的指令集合。每个装置14所采取的动作基于它的单独编程配置。一个实施方案中，对超出阈值的响应可为以下三个选项之一:改变接触器的状态、报告系统控制单元12、或这两者。系统控制单元12可以具有其自己的指令以便命令其它增强接线装置14也来响应、或发送文本消息或电子邮件。
[0052]增强接线装置14中的每个可从图形用户接口 16编程。用户接口 16包括用户来配置并初始化系统10的能力。在一个实例中，用户接口 16可以提供用于装置条目的表，所述装置条目诸如装置类型(例如，插座18或开关20)、装置位置、用于射频通信的装置ID以及装置群组。其它装置条目可以包括运动检测选项(启用或者禁用)和接触器特征选项(启用或者禁用)。用于每个增强接线装置14的唯一地址、关联位置以及唯一识别名称和用于每个装置的唯一配置命令可保留在装置的存储器64(图1)之中例如，用户可以编程增强接线装置14以响应于每个传感器66的阈值。如上所述，示例性的响应可为打开或关闭其自己的接触器、将通知发送到系统控制单元12、或这两者。随后，系统控制单元12可以命令不同增强接线装置14也来响应。当到达了传感器阈值时，可以采取其它动作。例如，6瓦功率中的每个更改可被记录下来并且打时间戳。或者，每个其它阈值可以打时间戳并被存储起来。在另一实例中，每个增强接线装置14每小时或每两小时就将其历史(包括温度)上传到系统控制单元12。
[0053]用户接口 16也可被编程为提供系统10中的所有增强装置14的实时显示。当前，并未向能源消费者提供指示在子电路水平上的电力使用的成本的信息。因此，没有理由尝试减少某些器具可操作的时间。所公开的系统10提供可转化为用于操作连接好的设备的实际成本的统计数据以及实际测量。消费者可使用这个信息决定何时操作所监测的器具。
[0054]本发明的另一实施方案中，系统10提供用于增强接线装置14的操作的四个恒温模式，所述模式被定义为“恒温模式1”，“恒温模式2”，“恒温模式3”以及“恒温模式4”。这些模式由系统10使用以控制气候控制设备、加热装置或冷却装置、或恒温器。设备、装置或恒温器可以直接被连接到增强接线装置14的接触器，或者增强接线装置14可向系统控制单元12提供温度数据，以便其可控制另一增强接线装置14、或与第三方装置通信。
[0055]恒温模式I是在将要控制带有现有恒温器的加热或冷却装置时使用。如果在房间中存在个体，无论温度如何，占用(例如，运动)将会保持装置打开。如果并不存在个体，装置将会操作接触器以使得温度保持在“效率范围”内，这是一种较低温度设置。模式I类似于可编程的自动调低式恒温器，其中用户通过用户接口程序时刻设置以及用户存在时的舒适水平以及用户离开时的效率水平来编程。
[0056]恒温模式2是在控制不带有现有恒温器的加热或冷却时使用，并且作为替代，“舒适范围”用于执行这个功能。如果存在个体，增强接线装置14将会操作接触器以使得温度保持在舒适范围内。如果并不存在个体，装置14将会操作接触器以使得温度保持在效率范围内。使用相同的舒适水平和效率水平，但是它们是基于占用的。如果占用传感器(例如，PIR传感器)检测到了存在，那么它将命令气候控制系统转入舒适范围；否则它返回到效率范围。
[0057]恒温模式3是在将要控制带有恒温器的加热或冷却装置时使用，诸如在带有现有热泵或加热器的旅馆房间之中。安装在房间的气候控制系统具有其自己的恒温器刻度盘，所述恒温器刻度盘允许占用人能设置其自己的舒适水平。如果增强开关20检测到了占用，允许电力转至热泵，而不考虑房间温度。当人们离开房间时，热泵被控制到效率范围。
[0058]装置模式4是在装置正向系统控制单元12提供远程温度数据时使用，以便所述系统控制单元又将数据提供到第三方装置。这种模式并不控制接触器或观察任何温度范围，但它确实提供温度报告能力。
[0059]所公开的系统10的一个所指出的改进在于，来自增强接线装置14a的一个传感器读数可以用于通过另一装置14b控制电力负载操作。增强接线装置14中的任何都可针对三种有源模式中的任何一个编程，并且从装置到系统控制单元12的命令可以命令另一插座或另一开关来执行功能。例如，当人走进他们的旅馆房间并且他们使用增强开关20来打开灯时，消息可发送至系统控制单元12以告知其某人走进了房间中。例如，系统控制单元12智能到足够对其它增强接线装置14进行命令，以便打开加热而至舒适范围。
[0060]图7A示出操作期间图形用户接口 16的示例性显示，其中八个增强接线装置14正被监测。数据实时并以简单格式显示。“名称”栏表示连接到增强接线装置14的负载“状态”栏指示装置14是否将电力传递到所连接的负载。“运动”栏指示是否已在所分配的时间跨度内检测到运动。“温度”栏表示装置14上的所记录的环境温度。“电力”栏示出传递到所连接的负载的电量。标记为CPM的栏指示在所指示的负载保持连续打开一个月的情况下每个月的成本。
[0061]图7B描绘图形用户接口 16的另一示例性显示，其中顶级仪表板页允许用户快速导航并且选择在房间或位置中的一组增强接线装置14。在所示实例中，用户可以通过依次将鼠标放在系统>设备>房间103上以导航到位于房间103中的增强接线装置。
[0062]因此，图形用户接口 16提供增强接线装置14的管理以在从系统10中的其它增强接线装置14接收预编程的刺激的通知时中继命令到指定设备上。用户接口 16还提供了编程对系统中的每个增强接线装置14的自动查询的能力，以便获得每个装置内存储的所记录的数据。其它动作包括:一旦通过用户接口 16请求，或在系统10和用户接口 16连接的任何时间，将存储的数据从每个增强接线装置14转发到系统控制单元12 ;如从图形用户接口 16接收到的命令所请求的那样，查询来自任何增强接线装置14的状态；以及允许来自任何增强接线装置14的未经允许的消息被预编程以报告刺激状况的能力。
[0063]本发明的一个实施方案中，系统10并不要求用户平台16上的特殊软件，系统10可为基于浏览器的，由此系统控制单元12的存储器564上存储的数据和信息可加载到像网页等用户平台16上。在初始连接后，用户可以保持存储在他其自己的平台的存储器中的初始浏览器设置以减少重新加载时间。用户还可偏好将系统控制单元12上存储的数据保存到其平台作为备份或供稍后分析。
[0064]系统控制单元12的存储器564可以包括用于各种任务的应用程序或程序指令563，并且结果可由用户在用户平台16上实时查看。例如，系统控制单元12可以包括绘图能力，以便允许用户选择一个或多个变量来绘制在y轴(纵坐标)上并且选择数据类型来绘制在横坐标上，包括诸如起始时间和停止时间的极限。
[0065]系统控制单元12可以维持网络10中的增强接线装置14的自主控制，如在安装时并在更新到从用户接口 16接收到的配置时所配置的那样。可以输入用户信息设置以便通过任何外部通信装置(包括但不限于，以太网通信、W1-F1、POTS等等)手动或自动将系统信息中继到用户或其它的容许方。还可输入配置设置以便跟踪如电气公共设施提供商所指定的能源成本。系统10可以具有与装置14进行实时和瞬时用户交互以采取动作的能力，所述动作诸如在查询时检索状态和传感器数据、或命令装置14通过连接到用户接口 16的任何电子装置(包括但不限于，任何所连接的计算机的键盘或鼠标、通过文本或语音发送消息的手机以及通过基于网络的应用的智能手机)上的手动操作改变其接触器状态。系统10还可提供用于检索数据以供进行历史记录、以及对任何和所有可能装置进行交互标绘以供查阅数据(包括但不限于来自任何种类或组合的装置并针对任何可变时间长度的单独装置数据、同质数据、异质数据以及聚结数据)的存储能力，包括能源成本的统计表示和分析。系统10另外可以提供与“智能电网”兼容接口和“智能电网”系统的通信和协调、基于接口来与其他建筑系统(包括但不限于安全系统，占用系统、其它能源系统以及其它控制系统)的通信和协调，并且提供形成一种具有在单个接口上受控制的多个系统的系统的能力。
[0066]因此，所公开的系统10可以用来在宏观级别上实现根据所提供的信息而造成的行为改变。在一个实例中，公司“A”具有的策略是通过允许其员工对其自己的工作时间进行选择而来产生工人友好环境。大多数的员工是在上午8:00与上午9:00点之间到达，并且在下午4:30与下午5:30之间离开。少数员工是在上午6:00点之前到达并且一个或两个员工晚至下午7:00离开。基于占用传感器的针对每个阈交的打时间戳的数据的累积，所公开的系统10所记录的统计给予设施管理人员关于任何时间跨度(包括日、周、月以及年)上的建筑中的人口实际表示。另外，从相同的装置记录到的平均温度数据可随时间而与占用数据进行比较。结论可从这个所记录的历史数据得出，诸如加热或冷却建筑以容纳极小数量的工人的成本对比通过限制营业时间减少舒适水平加热和冷却的时间的能力。
[0067]图8所描绘的时间-温度-占用图表示出此类型的数据可以如何显示出的示例。温度以华氏度标定，并在右轴上来表示。占用检测被示出在左轴。加热季节期间，记录数据，以便温度在非高峰时间期间降低。此数据的检查表明，建筑温度设置保持处于更高舒适水平，直到下午8:00之后还示出了，建筑中的人数在约下午7:00的时候接近于零。
[0068]图9所描绘的时间-温度-占用图表显示相同数据并还通过框内区域示出加热系统何时能以对日常操作的最小更改机械能调整。设施管理人员可容易地使得温度降低每天约两小时并且满足占用人的舒适需要。加热成本减少可以通过增强接线装置14控制单元加热/冷却器具来测量的功率或在接收到了按月计的公用事业公司帐单之后直接观察在进一步检查之后，企业业主能够决定继续弹性工作时间的公司策略价值。
[0069]所供的数据粒度可以用于分析建筑内的单个房间(诸如旅馆房间或者大学宿舍房间)，或者分析完整场地。如果加热和冷却系统由房间分区，并且到单元的功率通过作为控制恒温器来操作的增强接线装置14 (诸如开关20)供应，则不需要到更大系统的接口。对于利用大的电气负载的大区或加热源(诸如地热)，或者对于使用化石燃料的系统、利用以上示例所示出的数据以及系统接口能力，系统10可以编程以响应于实时占用来与建筑加热/冷却系统智能交互。给定这个信息和接口能力，建筑加热/冷却系统将会直接地响应于运动检测并且改变室温，而无分析、手动交互或干预的外部需要。
[0070]仍然参照图8和图9，例如，如果加热/冷却设备具有充分智能，使用BACnet协议，温度设置将会在下午7:00时间帧自动降低。系统10还可通过直接控制区阀、阻尼以及其它设备来维持舒适水平与子系统部件交互而不直接接到大型加热和冷却设备(诸如炉子、暖通空调单元以及锅炉)。
[0071]在个体行为水平上，伴随每日能源消耗的正常交互将打开最通常是照明负载的负载，并且仅在负载是干扰时关闭负载。通过要求动作而来保持负载打开，可以减少在并不一定必需时能量消耗时间长度。例如，企业业主可对针对插座和灯来馈电的分支电路进行编程，以在一天中的某个时间在建筑中使得插座和灯断电。如果这是唯一选项，硬关断后，员工将不能再继续工作。生产率将降低。利用所公开的系统10，假设未检测到占用，灯将如所计划那样关闭。然而，如果在灯所计划的关闭时间附近检测到了占用，灯将保持打开，直到第二已编程的关断时间这会要求用户所做出的运动(虽然动作最小)以便保持灯的打开。由于增强接线装置14包含运动传感器，用户仅仅需要最小运动(诸如用户的手在用户桌上的增强插座18或增强开关20前方摆动)被检测到。
[0072]在用于实现宏观级别上的行为改变的所公开的系统10的另一实例中，图10用图描绘办公环境2D温度覆盖，其中线是指示恒定温度区域。热图使用从在办公室内的增强接线装置14获得的温度数据生成。曲线示出，办公室的带有接待区和会议室的部分显著暖于其中存在小分隔间和盥洗室的办公室的相对侧。这个数据可以用来智能重新平衡HVAC系统、重新定位恒温器、改进其中温度不如预期的情况下的隔绝并且可能添加另一个区。
[0073]本发明的其它实施方案中，系统控制单元12可以适配用于监测整个建筑能源使用能源质量、建筑占用、有机建筑使用趋势、建筑温度、预防维护、所有所连接的负载的能源消耗的优化，所述负载包括但不限于HVAC、照明器件、电子器具(打印机、PC和便携式计算机、电视、音频和视频设备、烹饪器具、如在睡眠模式利用电力同时对用户断电的其它负载)。
[0074]系统10中的软件设计的灵活性提供与其它建筑系统通信的能力。因此，系统10可以具有与任何其它类型的建筑管理控制系统集成的能力，并且可有助于监测并且控制建筑的机械、照明、安全和/或其它系统。在某些情况下，根据需要，控制单元12可以根据有线通信协议(例如，诸如建筑自动化与控制网络(BACnet)协议，主从/令牌传递(MS/TP)协议、11)队08”^0(^118、或任何其它合适有线网络协议)来与建筑网络控制器22进行通信。
[0075]本发明的一个实施方案中，系统10实现用于在现代建筑控制系统之间传达数据的BACnet协议。系统10可以提供关于在装置(子电路)级别上的建筑电力使用以及在子房间级别上的建筑占用和环境温度的有用并实时的信息。这个共享信息可以通过动态调整加热和冷却负载并通过适配安全系统特征增加其它系统效率。
[0076]所公开的系统10可以添加附加的建立协议和专有协议，用于连接其它系统，这些系统能够增强用户的体验，同时减少了能量消耗。例如，给定从标记敲击或数字键控输入系统传递出的信息，在预期到人的到达的情况下，系统10可将人的标识与其办公位置关联并且激励照明器件、插座以及加热或冷却单元。
[0077]与安全系统集成的另一实例包括电力存取预测特征，其中使用任何类型的安全标记或代码进入一个区域的占用人可与建筑中的具体位置关联，由此，安全系统将此信息发送到随后仅照亮到个体的指定位置的路径的系统10，并在个体位置来对插座供电以便允许电子装置在用户接近时启动。
[0078]系统10的进一 步改进可以提供这样的实施方案:其中PIR传感器的灵敏度通过编程不同阈值进行远程设定。在一个实例中，增强接线装置14可以检测有些人是何时坐在他们的小分隔间中。灵敏度可调整，以使走过小分隔间的有些人将不触发警报。换句话说，阈值设定得较高以仅在近处移动时才触发。
[0079]本发明的另一实施方案中，增强接线装置14配合嵌入每个接线装置内的运动感测电子器件借助测量从每个接线装置和系统控制单元12发送并从其接收的信号质量而来感测占用。信号质量测量可以通过测量故意地衰减的信号的幅值和/或位误差率、或无线通信信号的一些其它特性完成。
[0080]现有技术在占用感测方面的当前情况包括用于感测占用的PIR、超声声学以及雷达技术。它们各自都有缺点，其中间歇或连续的运动是占用人证明给定时间跨度上的占用所要求的。信号质量方法并不要求连续或间歇的运动。
[0081]了解无线通信技术的知识的个体会认识到，当身体非常接近于发射或接收装置天线时，在无线通信链路中通常存在变化。天线所发出的信号可以基于身体在附近时天线的阻抗和方向上的变化的影响来衰减并且偶尔放大。利用这个特性，本系统回利用一种算法改进占用检测功能执行。
[0082]算法不是所联接的装置间进行的正常通信链路接收信号强度指示器(RSSI)调整的部分。在这个算法中，当区域未被占用时，装置旨在衰减其发射的信号，直到接收装置位误差率(BER)而非可测量的解码消息速率达到最小。接收装置知道预期消息，并将已知消息与接收到的消息进行比较。发射装置随后该衰减值作为占用人-校准值。在预定时间间隔上，两个装置在占用人-校准水平上进行通信以便测试BER。如果身体非常接近，信号将会通过将信号衰减至比校准过的BER高得多的BER或低得多的BER来更改。这是身体或在此情况下是占用人在附近的指示。对于相同BER测试，这个相同情景可以替代使用装置上的自衰减的内部接收路径，而非依赖发射装置来减小其输出功率。
[0083]通过应用在整个建筑中的许多装置之间的这种算法，方便地定位在增强接线装置14内，算法可以被应用为独立功能或它可结合传统PIR技术占用传感器或每个接线装置内的其它传感器技术来应用、或应用为单独装置，占用感测功能质量极大改进。
[0084]所公开的系统10的另一实施方案是利用极低功率的发射器，所述极低功率的发射器嵌入以极低的功率和低的工作周期发射特殊识别代码的用户识别标记(未示出)中。这种低功率的信号足以通过整个建筑中的用户附近范围内的接线装置接收。这种应用使得单个ID卡的使用寿命在替换电池前延长了许多年。这个ID标记还可出于跟踪这些硬资产的位置的目的而用在任何类型的设备上，由此，要求建筑商对设备进行定位以供进行维护和/或校准。
[0085]本文所述装置和方法的样本如下:
[0086]一种防篡改用电气插座,包括:
[0087]磁轭组件，所述磁轭组件适配用于连接到建筑接线系统的电气引线；
[0088]联锁外壳，所述联锁外壳被耦接到所述磁轭组件，所述联锁外壳界定凹口 ；
[0089]联锁主体，所述联锁主体包括位于所述主体的第一侧上的、适配用于提供插头插脚的可移动的屏障的至少两个楔形表面，并还包括位于所述主体的相对第二侧上的栓锁凸片，所述栓锁凸片被定位成接近所述联锁外壳中的所述凹口 ；
[0090]其中不均匀力到所述楔形表面的施加促使所述栓锁凸片进入所述联锁外壳中的所述凹口，并且施加到所述楔形表面的平衡力的所述施加促使所述联锁主体在垂直所述力的方向的方向上移动。
[0091]根据段落[0082]所述的防篡改用电气插座，其还包括耦接到所述联锁外壳的弹簧，所述弹簧适配用于提供抵制所述联锁主体的移动的阻力。
[0092]根据段落[0082]所述的防篡改用电气插座，其中所述平衡力的方向是水平的，并且所述联锁主体所述移动是垂直的。
[0093]虽然本发明已参照多个具体实施方案来描述，但将理解，本发明的真实精神和范围应仅仅参照本说明书可支持的权利要求书来确定。另外，虽然在本文中的多个情况下，其中系统和设备以及方法被描述为具有某些数量的元件，但将理解，此类系统、设备以及方法能以少于所提及的某些数量的元件来实践。另外，虽然多个特定实施方案已描述，但将理解，参照每个特定实施方案已描述的特征和方面可与每个其余特定描述的实施方案一起使用。
【权利要求】
1.一种用于监测并且控制建筑中的电力使用的系统，包括: 系统控制单元，其包括了系统控制单元处理器、耦接到所述系统控制单元处理器的至少一个系统控制单元存储器以及耦接到所述系统控制单元处理器的网络接口； 增强接线装置，其与所述系统控制单元无线通信，所述增强接线装置硬接线到建筑电气基础设施，并且选自由电气插座和电源开关组成的组，所述增强接线装置包括:用于监测建筑房间中的刺激参数的传感器；增强接线装置处理器；至少一个增强接线装置存储器，其耦接到所述增强接线装置处理器上；以及程序指令，其存储在所述至少一个增强接线装置存储器上，以供所述增强接线装置处理器执行来评估来自所述传感器的数据并且从其传达数据，所述增强接线装置还包括:天线，其用于将所述传感器数据发送到所述系统控制单元；以及 用户接口，其与所述系统控制单元中的所述网络接口通信，所述用户接口适配用于经由所述系统控制单元配置并且监测来自所述增强接线装置中的数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述用户接口是经由以太网耦接到所述系统控制单元的图形用户接口。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述增强接线装置上的所述程序指令命令开/关接触器式继电器来连接接线到其上的电气负载或使所述电气负载断开连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统控制单元响应于超过所述存储器中存储的阈值极限来向所述增强接线装置发布命令。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器是选自由温度传感器、无源红外传感器、运动检测器、电压传感器以及电流传感器组成的组。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述增强接线装置是选自由瞬时拉杆、保持拉杆、肘杆以及按钮组成的组中的安装在壁上的电气电源开关。
7.根据权利要求1所述的系统，其还包括用于与所述系统控制单元通信的建筑自动系统网络的控制器，来自所述增强接线装置中的所述传感器的所述数据经由所述系统控制单元提供输入到所述控制器。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述建筑自动系统网络包括建筑自动化与控制网络(BACNet)协议。
9.根据权利要求1所述的系统，其还包括多个增强接线装置，其中所述系统控制单元响应于超过一个增强接线装置中的所述存储器中存储的阈值极限来向另一增强接线装置发布命令。
10.根据权利要求1所述的系统，其还包括用于系统用户的电子配备标记，包括嵌在所述标记中的至少一个发射器，其中所述发射器以低的功率以及低的工作周期发送特殊标识代码，并且其中所述特殊标识代码是由所述增强接线装置中的接近所述用户的一个来接收。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述增强接线装置是具有防篡改用装置的电气插座，所述防篡改用装置包括: 磁轭组件，所述磁轭组件适配用于连接到建筑接线系统的电气引线； 联锁外壳，所述联锁外壳被耦接到所述磁轭组件，所述联锁外壳界定凹口 ；以及 联锁主体，所述联锁主体包括位于所述主体的第一侧上的、适配用于提供插头插脚的可移动的屏障的至少两个楔形表面，并还包括位于所述主体的相对第二侧上的栓锁凸片，所述栓锁凸片被定位成接近所述联锁外壳中的所述凹口； 其中不均匀力到所述楔形表面的施加促使所述栓锁凸片进入所述联锁外壳中的所述凹口，并且施加到所述楔形表面的平衡力的所述施加促使所述联锁主体在垂直所述力的方向的方向上移动。
12.在包括与系统控制单元无线通信的一个或多个增强接线装置的一种系统中，所述增强接线装置是电气插座和电气电源开关中的一个，并且包括天线、一个或多个增强接线装置处理器、耦接到所述一个或多个增强接线装置处理器的至少一个增强接线装置存储器以及存储在所述至少一个增强接线装置存储器上以供所述一个或多个增强接线装置处理器执行的程序指令，一种节约建筑系统的能源消耗的方法，所述方法包括以下步骤: 将所述一个或多个增强接线装置硬接线到建筑的电气基础设施； 通过所述增强接线装置中的一个上的传感器来感测所述建筑的房间中的刺激参数； 在所述增强接线装置存储器上存储表示所感测的参数的数据；以及 执行程序指令以便将所感测的参数数据发送到所述系统控制单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其还包括以下步骤:通过所述一个或多个增强接线装置处理器，比较第一增强接线装置的所感测的参数数据与阈值限值，并且如果所感测的参数数据超过所述阈值限值，执行程序指令以便改变耦接到所述第一增强接线装置的电气负载状态。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述传感器是占用传感器，并且执行所述程序指令施加或终止到耦接到所述第一增强接线装置的气候控制设备的电力。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述传感器是占用传感器，其中占用人的存在或不存在通过比较所述传感器数据的校准位误差率与实际位误差率来断定。
16.根据权利要求12所述的方法，其还包括以下步骤，通过所述一个或多个增强接线装置处理器，比较第一增强接线装置的所感测的参数数据与阈值限值，并且如果所感测的参数数据超过所述阈值限值，经由所述天线将所感测的参数数据发送到所述系统控制单元，所述系统控制单元响应于所感测的参数数据向第二增强接线装置发送指令，所述第二增强接线装置执行程序指令以便改变耦接到其上的电气负载状态。
17.根据权利要求12所述的方法，所述系统还包括用于与所述系统控制单元通信的建筑自动系统网络的控制器，所述方法还包括以下步骤:将所感测的参数数据发送到所述控制器以用于控制所述建筑自动系统网络。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所感测的参数数据提供关于在子电路级别上的建筑电力使用以及在子房间级别上的建筑占用和环境温度的实时信息。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所感测的参数数据通过动态调整加热负载和冷却负载或通过适配安全系统特征增加其它建筑系统效率。
【文档编号】H02J3/12GK104040820SQ201380004932
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年1月4日 优先权日:2012年1月6日
【发明者】斯蒂芬·麦克马洪 申请人:科特兰研究有限责任公司