本发明属于电能表监控领域，尤其涉及一种电能表远程监控系统及其方法。
背景技术：
随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大，不同时间用电量不均衡的现象也日益严重。为缓解我国日趋尖锐的电力供需矛盾，调节负荷曲线，改善用电量不均衡的现象，全面实行峰、平、谷分时电价制度，“削峰填谷”，提高全国的用电效率，合理利用电力资源，国内部分省市的电力部门已开始逐步推出了多费率电能表，对用户的用电量分时计费。1995年4月，由国家计委、国家经贸委和电力工业部联合在上海召开的全国计划用电工作会议上决定，用3～4年时间，在全国各大电网内，有计划、分步骤全面推行峰谷分时电价制度。总目标是各网转移高峰电力10～15％，全国实现转移高峰电力1000～2000万千瓦，推行的范围不仅是工业、商业用户，而且对非工业、农业用电也要逐步实行。在有条件的地区，即已经实行一户一表的居民用电区，也将有计划的开发低谷用电，实行峰谷电价，以提高电能利用率，提高居民的用电质量。对电力用户采用不同时段和不同计费标准。鼓励低谷时段的电力消费。
目前，电能表远程监控系统的现状多以用电采集和电能质量监测为主。用电监控方面在远程实时可视化监控、用电挖掘、人机交互处理上存在一定的不足，不能足够做到智能。因此，现有技术中对于数据挖掘以及大数据分析下的人机交互的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种电能表远程监控系统。该系统具有低成本、操作简单、实时可靠、提供用户用电行为分析以及电量预测功能，帮助用户分析查看用电数据和合理规划用电，提高了用户用电管理水平。
本发明的一种电能表远程监控系统，包括：
本地服务器，其作为内网的服务器，且其内部嵌入有树莓派作为中心处理器，所述树莓派通过第一无线通信模块获取电能表状态监控电路所采集到的信息；及
mqtt服务器，其与本地服务器和web服务器分别相连，用于保证内网与外网之间通信的安全、稳定及实时性；及
web服务器，其与多种类型的客户端分别相连；所述web服务器用于保障客户端的可视化界面的稳定运行与访问；
所述mqtt服务器还与缓存服务器相连，所述缓存服务器用于周期性地写入mqtt服务器所接收到的数据；所述缓存服务器还与数据持久化模块相连，所述数据持久化模块用于调取缓存服务器内缓存的数据并按照预设格式及顺序进行预设时间间隔将数据存储至数据持久化模块并做持久化处理。
进一步的，所述数据持久化模块还与数据挖掘模块相连，所述数据挖掘模块用于调取数据持久化模块内的数据并预测未来预设时间的用电量。
其中，缓存服务器可选用redis作为数据缓存模块，周期性的把更新的数据写入磁盘或把修改操作写入追加的记录文件。
数据持久化模块可选用hbase模块，其中，hbase把数据按照日期、时间、用电量、温度格式化的顺序每个小时为一条按条储存到hbase中做数据的持久化，方便信息的读取使用。
进一步的，所述树莓派还通过第二无线通信模块与mqtt服务器相连。
进一步的，所述电能表状态监控电路包括监控处理器相连，所述监控处理器分别与电压采样电路、电流采样电路、功率采样电路、温度及湿度采样电路相连。
进一步的，所述电能表状态监控电路还包括开关状态获取模块和报警信息获取模块，其分别与电能表芯片相连，所述电能表芯片用于主动将开关状态及报警信息分别传送至开关状态获取模块和报警信息获取模块，进而分别传送至监控处理器。
进一步的，所述第一无线通信模块为zigbee模块。
其中，树莓派通过串口与外置的zigbee通信，树莓派再通过自身的zigbee端口与各线路模块上的zigbee进行通信，完成线路模块信息的采集与控制。
树莓派相当于一个微型的计算机，自带有wifi模块、usb接口、内存卡卡槽，能够与局域网之间进行通信，连接io设备以及有一定量的存储空间便于存储本地数据。通过串口与带有zigbee芯片的扩展板连接，实现数据采集和电路控制。树莓派的扩展性好、稳定性高、体积小非常适合嵌入式开发。
进一步的，所述第二无线通信模块为wifi模块。
树莓派结合自身时间校验对采集对数据作初期缓存、判断、处理，然后通过wifi模块链接内网传输数据包。
进一步的，所述数据持久化模块用于将调取的缓存在缓存服务器内数据按照日期、时间、用电量、温度格式化的顺序每个小时为一条信息进行存储。
进一步的，所述数据挖掘模块用于利用lstm递归神经网络算法来预测未来预设时间的用电量。
进一步的，所述客户端包括ios客户端、andorid客户端和web客户端。
本发明还提供了一种电能表远程监控系统的监控方法。
本发明的电能表远程监控系统的监控方法，包括：
电能表状态监控电路将采集到的信息经第一无线通信模块传送至本地服务器内嵌入的树莓派中；
树莓派将其接收到的信息转发至mqtt服务器，由mqtt服务器发送至web服务器，由web服务器再传送至客户端进行实时监控；
其中，与mqtt服务器相连的缓存服务器还周期性地写入mqtt服务器所接收到的数据，数据持久化模块调取缓存服务器内缓存的数据并按照预设格式及顺序进行预设时间间隔将数据存储至数据持久化模块并做持久化处理。
进一步的，该方法还包括：
数据挖掘模块调取数据持久化模块内的数据并预测未来预设时间的用电量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用mqtt服务器中mqtt协议发布订阅和转发机制有效的解决了内外网之间端对端通信，并有效保证了信息读取、传输控制的准确性、实时性。
(2)本发明采用树莓派作为本地的中央处理模块，结合zigbee模块，有效地解决了终端采集与控制，可复用性高，有高可扩展性。
(3)本发明采用ios客户端、andorid客户端和web客户端作为人机交互界面，可视化实时监控查看用电信息，预警信息及电量预测可视化信息，给用户操作使用带来便利。
(4)本发明将缓存服务器、数据持久化模块以及数据挖掘模块三者相结合，提高了数据的存储读取效率，和预测的准确性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例中一种电能表远程监控系统的结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
针对用电情况监控方式中，多从用电信息采集和电能质量监控为主，缺少必要的及实时远程用电监控、用电可视化分析、用电数据挖掘与人机交互为一体的电能监控管理方法，以及外出时忘记关闭电源造成用电浪费，用户不能对自己的历史用电明确的查看、分析，不清楚自己的具体用电去向造成的用电浪费等一系列问题，本发明提出一种电能表远程监控系统。
本发明的关键技术采用物联网mqtt轻量级传输协议和树莓派智能模块组建，提供用电信息实时查看，智能定时，远程遥控和历史数据分析等。系统提供b/s和c/s架构方式访问接口，只要在网络覆盖范围，用户可随时随地通过多种终端查看用电信息并实时远程遥控电器开关，合理设置用电方案。使用户掌握主动权，自主监控用电的信息，为掌握智能用电和用电安全提供了便利。
为了节约电能，合理支配用电，本发明通过对用户历史用电数据可视化分析、挖掘用户用电行为，针对有波峰波谷计费的地区给予提醒，节约经济开销和能源消费，并对未来的用电量进行预测。给用户用电，电力系统调度分配，社会经济的预判提供依据和便利。
图1是本发明实施例中一种电能表远程监控系统的结构示意图，如图所示本实施例中的一种电能表远程监控系统可以包括：
本地服务器，其作为内网的服务器，且其内部嵌入有树莓派作为中心处理器，所述树莓派通过第一无线通信模块获取电能表状态监控电路所采集到的信息；及
mqtt服务器，其与本地服务器和web服务器分别相连，用于保证内网与外网之间通信的安全、稳定及实时性；及
web服务器，其与多种类型的客户端分别相连；所述web服务器用于保障客户端的可视化界面的稳定运行与访问；
所述mqtt服务器还与缓存服务器相连，所述缓存服务器用于周期性地写入mqtt服务器所接收到的数据；所述缓存服务器还与数据持久化模块相连，所述数据持久化模块用于调取缓存服务器内缓存的数据并按照预设格式及顺序进行预设时间间隔将数据存储至数据持久化模块并做持久化处理。
mqtt服务器是专门针对物联网设计的轻量级发布/订阅式消息传输通信协议的服务器，可在为低带宽和不稳定的网络环境中为物联网设备提供可靠的网络服务。它还具有可靠、轻巧、简单、占用移动应用程序宽带小、快带利用率高、低功耗等特性，并且最值得称颂的是它轻松解决外网访问内网的问题，作为中介用来接收并转发内网和外网传来的数据。
本发明的数据持久化模块还与数据挖掘模块相连，所述数据挖掘模块用于调取数据持久化模块内的数据并预测未来预设时间的用电量。
其中，缓存服务器可选用redis作为数据缓存模块，周期性的把更新的数据写入磁盘或把修改操作写入追加的记录文件。
数据持久化模块可选用hbase模块，其中，hbase把数据按照日期、时间、用电量、温度格式化的顺序每个小时为一条按条储存到hbase中做数据的持久化，方便信息的读取使用。
本发明的客户端包括ios客户端、andorid客户端和web客户端。
具体地，所述树莓派还通过第二无线通信模块与mqtt服务器相连。
具体地，所述电能表状态监控电路包括监控处理器相连，所述监控处理器分别与电压采样电路、电流采样电路、功率采样电路、温度及湿度采样电路相连。
具体地，所述电能表状态监控电路还包括开关状态获取模块和报警信息获取模块，其分别与电能表芯片相连，所述电能表芯片用于主动将开关状态及报警信息分别传送至开关状态获取模块和报警信息获取模块，进而分别传送至监控处理器。
其中，开关状态又分为手动开关、手动合闸、远程断开、远程合闸。警报信息又分为漏电警告、短路警告、过压警告、过流警告、欠压警告、功率过载警告、温度过高、温度过低、欠功率预警、频率变化预警。其中开关信息和警告信息是主动推送。
其中。所述第一无线通信模块为zigbee模块。
树莓派通过串口与外置的zigbee通信，树莓派再通过自身的zigbee端口与各线路模块上的zigbee进行通信，完成线路模块信息的采集与控制。
树莓派相当于一个微型的计算机，自带有wifi模块、usb接口、内存卡卡槽，能够与局域网之间进行通信，连接io设备以及有一定量的存储空间便于存储本地数据。通过串口与带有zigbee芯片的扩展板连接，实现数据采集和电路控制。树莓派的扩展性好、稳定性高、体积小非常适合嵌入式开发。
具体地，所述第二无线通信模块为wifi模块。
树莓派结合自身时间校验对采集对数据作初期缓存、判断、处理，然后通过wifi模块链接内网传输数据包。
其中，所述数据持久化模块用于将调取的缓存在缓存服务器内数据按照日期、时间、用电量、温度格式化的顺序每个小时为一条信息进行存储。
其中，所述数据挖掘模块用于利用lstm递归神经网络算法来预测未来预设时间的用电量。
具体地，利用lstm递归神经网络算法来预测未来预设时间的用电量的过程包括：
步骤s1、把按照日期、时间、用电量、温度化好的数据每个小时为一条作为输入，进行训练。
步骤s2、构建一个lstm的递归神经网络，迭代训练，输出未来几天的用电量预测结果。我们使用电箱采集了某公寓十个月的用电数据。
利用lstm递归神经网络算法，选数据的百分之九十用来训练，剩下百分之十用来检验预测。根据历史几个小时的用电数据作为输入，来预测未来的用电量作为输出。选用之前5个小时的用电量作为输入，预测未来十天的用电量。
本发明的该电能表远程监控系统的构建过程为：
步骤s10、搭建本地服务器，嵌入树莓派与带有zigbee芯片的扩展板作为中央处理单元；
步骤s20、树莓派扩展板的zigbee芯片和在各线路开关模块分别外置的zigbee芯片相互发送数据包，作为线路模块采集和控制模块；
步骤s30、客户端与电箱端在局域网内采用socket通信机制，在保证没有外网连接的情况下，智能终端通过局域网访问控制电能；
步骤s40、搭建mqtt服务器作为内网与外网之间安全稳定实时通信模块；
步骤s50、搭建存储服务器保障数据的持久化，并为后期的数据分析挖掘做预处理；
步骤s60、搭建web服务器保障能源监控web端的可视化界面稳定的运行与访问；
步骤s70、分别设计ios、andorid、web三种客户端访问方式，为各种类型用户提供访问控制便利。
其中，采集用电信息分别为电压、电流、频率、电能、功率、功率因数、漏电电流、箱体温度、箱体湿度、开关状态、警报信息。其中开关状态又分为手动开关、手动合闸、远程断开、远程合闸。警报信息又分为漏电警告、短路警告、过压警告、过流警告、欠压警告、功率过载警告、温度过高、温度过低、欠功率预警、频率变化预警。其中开关信息和警告信息是主动推送。
本发明还提供了一种电能表远程监控系统的监控方法。
本发明的电能表远程监控系统的监控方法，包括：
电能表状态监控电路将采集到的信息经第一无线通信模块传送至本地服务器内嵌入的树莓派中；
树莓派将其接收到的信息转发至mqtt服务器，由mqtt服务器发送至web服务器，由web服务器再传送至客户端进行实时监控；
其中，与mqtt服务器相连的缓存服务器还周期性地写入mqtt服务器所接收到的数据，数据持久化模块调取缓存服务器内缓存的数据并按照预设格式及顺序进行预设时间间隔将数据存储至数据持久化模块并做持久化处理。
进一步的，该方法还包括：
数据挖掘模块调取数据持久化模块内的数据并预测未来预设时间的用电量。
本发明利用mqtt服务器中mqtt协议发布订阅和转发机制有效的解决了内外网之间端对端通信，并有效保证了信息读取、传输控制的准确性、实时性。
本发明采用树莓派作为本地的中央处理模块，结合zigbee模块，有效地解决了终端采集与控制，可复用性高，有高可扩展性。
本发明采用ios客户端、andorid客户端和web客户端作为人机交互界面，可视化实时监控查看用电信息，预警信息及电量预测可视化信息，给用户操作使用带来便利。
本发明将缓存服务器、数据持久化模块以及数据挖掘模块三者相结合，提高了数据的存储读取效率，和预测的准确性。
本发明将mqtt协议与zigbee通通信技术相结合解决了实时信息传输问题，又采用大数据技术和深度学习算法相结合，对用电数据并行计算以及未来用电量预测。
本发明充分利用物联网轻量传输协议以及基于ieee标准的低功耗局域网协议和wifi技术组建了一套监控网络，用树莓派作为内网服务器，mqtt作为中介服务器，web服务器，存储服务器和云存储服务器保证了整个系统的稳定运行。实现从用电数据的采集、实时传输、可视化界面再到控制，一体化智能监控，外加漏电、短路、过压、过流、欠压、功率过载、温度过高或过低的警报装置，在无人看管的情况下自动报警，为用电安全提供了智能保障。住户外出或者工厂放假忘记关闭电源，可实施远程监控，查看线路情况、遥控电源开关、设置各线路定时开关、额定最大功率、漏电阈值、温度报警阈值，节约电能。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。