一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统及方法与流程

本发明涉及物联网领域，尤其是一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统及方法。

背景技术：

设备和仪器作为工厂和科研院所的重要固定资产，运行状态和使用情况是评估其发挥效用的重要指标，一般而言，科研院所或者工厂拥有数量众多的设备和仪器，并且分布在不同的厂房或者实验室，依靠人工统计设备运行和使用信息，随着设备数量增多，工作量暴增，且不易形成全年的连续记录。

现阶段多数产品仅单纯记录设备使用情况，或者单纯记录设备用电状态，无法形成人、设备、运行信息的有机综合，无法满足管理人员准确把握员工和设备的状态，不能满足需要。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统及方法，解决仪器设备运行信息实时状态监测和对安全隐患进行预警问题，实现员工操作设备的使用情况实时记录，有效评估人员的工作效率与设备的使用效能。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统，包括：用电设备管理终端1、通信桥路单元2和用电管理单元3；

一个所述用电设备管理终端1与一个用电设备相连，对该用电设备用电情况和人员操作情况进行采集和控制；

所述通信桥路单元2通过电力线连接本实验室或厂房内设置的所有用电设备管理终端1，与所述所有用电设备管理终端1一起组成物联网供电管理系统的一个子网络，并通过电力线与所述用电管理单元3连接，为所述所有用电设备管理终端1和所述用电管理单元3的数据交换提供桥路；

所述用电管理单元(3)用于监控所有用电设备用电和操作人员使用情况。

进一步地，所述用电设备管理终端1包括单相用电设备管理终端11和三相用电设备管理终端12，所述单相用电设备管理终端11连接单相用电设备，所述三相用电设备管理终端12连接三相用电设备。

进一步地，所述单相用电设备管理终端11的控制电路包括主控单元1191、基本信息采集单元1192、用电信息采集单元1193、通断控制单元1194和电力载波通信单元1195；

所述主控单元1191通过电力载波通信单元1195与所述用电管理单元3通信，将接收到的信息发送给所述用电管理单元3，并接收所述用电管理单元3发送的控制信息；

所述基本信息采集单元1192通过设备射频识别标志117采集用电设备id信息，通过人员射频识别标志118采集操作人员id信息，从而对用电设备和操作人员进行识别，并把识别的id信息输出到所述主控单元(1191)；

所述用电信息采集单元1193用来采集包括功率、电压、电流、功率因数和电量信息在内的单相用电设备的运行状态信息；

所述通断控制单元1194根据主控单元1191接收的控制信息对用电设备的单相供电进行通断控制；

所述电力载波通信单元1195向所述用电管理单元3发送所述基本信息采集单元1192和所述用电信息采集单元1193采集的信息，接收从所述用电管理单元3发送的控制信号。

进一步地，所述三相用电设备管理终端12的控制电路包括主控单元1291、基本信息采集单元1292、三相用电信息采集单元1293、三相通断控制单元1294和电力载波通信单元(1295)；

所述主控单元1291通过电力载波通信单元1295与所述用电管理单元3通信，将接收到的信息发送给所述用电管理单元3，并接收所述用电管理单元3发送的控制信息；

所述基本信息采集单元1292通过设备射频识别标志127采集用电设备id信息，通过人员射频识别标志128采集操作人员id信息，从而对用电设备和操作人员进行识别，并把识别的id信息输出到所述主控单元1291；

所述三相用电信息采集单元1293用来采集包括功率、电压、电流、功率因数、电量信息、三相电相序检测结果和三相电流、三相电压的平衡检测结果在内的三相用电设备的运行状态信息；

所述三相通断控制单元1294根据主控单元1291接收的控制信息对三相用电设备的供电进行通断控制；

所述电力载波通信单元1295向所述用电管理单元3发送所述基本信息采集单元1292和所述三相用电信息采集单元1293采集的信息，接收从所述用电管理单元3发送的控制信号。

进一步地，每一用电设备的电源线上均绑缚有用电设备金属铭牌10；所述金属铭牌10包括金属牌101和用电设备的电子标签102；所述金属牌101的背面黏贴有电子标签102，所述电子标签102为抗金属电子标签，记录有用电设备的id信息。

进一步地，所述通信桥路单元2包括电力载波阻截模块21、设备管理汇聚单元22和第一数据透传单元23；

所述电力载波阻截模块21包括四路电抗器，分别布置在所述实验室或厂房配电柜中总断路器三相火线及零线的出线端，电力线经过所述电力载波阻截模块21之后再分配至每个用电设备管理终端1；

所述设备管理汇聚单元22包括主控模块a、电力载波通信模块a和串行通信模块a；所述设备管理汇聚单元22连接在所述电力载波阻截模块21出线端电力线的三相火线、零线和接地线上；所述电力载波通信模块21与电力线的三相火线、零线和接地线相连，所述串行通信模块a与所述第一数据透传单元23的串行通信模块b相连，所述主控模块a连接所述电力载波通信模块a和串行通信模块a；

所述第一数据透传单元23包括主控模块b、电力载波通信模块b和串行通信模块b；所述数据透传单元23的串行通信模块b与设备管理汇聚单元22的串行通信模块a相连，所述电力载波通信模块b连接到所述实验室或厂房配电柜总断路器进线端电力线的三相火线、零线和接地线上，所述主控模块b连接所述电力载波通信模块b和串行通信模块b。

进一步地，所述用电管理单元3包括第二数据透传单元31和设备管理服务器32；

所述第二数据透传单元31包括主控模块c、电力载波通信模块c和串行通信模块c；所述第二数据透传单元31的电力载波通信模块c连接到所述电力中控室配电柜输出的电力线的三相火线、零线和接地线上，所述第二数据透传单元31的串行通信模块c与所述设备管理服务器32的串口相连；

所述设备管理服务器32接收整个物联网内用电设备管理终端1发送来的设备id信息和操作人员的id信息，发送用电控制信息到相应的用电设备管理终端1，并形成相应用电设备上线日志和设备操作使用日志；在用电设备用电时，记录用电设备管理终端采集设备运行时运行状态信息，形成设备运行日志；对用电设备的用电安全阈值进行了设置，当所述用电设备管理终端1采集到的用电参数指标超过阈值后，所述设备管理服务器32可选择断电、报警两种处理措施，控制用电设备管理终端1切断设备供电或进行报警。

一种基于电力载波通信的物联网供电管理方法，包括以下步骤：

步骤s1、建立用电管理数据库，所述用电管理数据库包括用电设备信息数据库和操作人员信息数据库；

步骤s2、监控操作人员使用和设备运行情况，对用电设备在线状态监测，实现用电设备使用情况与人员作业情况的信息采集与实时记录，并通过保护和报警机制实现用电安全。

进一步地，所述步骤s1包括如下子步骤：

步骤s101、建立工厂或实验室用电设备信息数据库；在设备管理服务器中建立用电设备的信息数据库，并将于数据库中用电设备信息对应的id信息写入与用电设备匹配的用电设备金属铭牌的电子标签中，当新购设备或者设备信息发生变化时，需要更新设备信息数据库；

步骤s102、建立操作人员信息数据库；在设备管理服务器中建立每位操作人员的信息数据库，并将于数据库中信息相对应的操作人员的id信息写入操作人员身份卡中，当操作人员信息发生变化时，需要更新操作人员信息数据库。

进一步地，所述步骤s2包括如下子步骤：

步骤s201、用电设备上线，当用电设备从所对应的用电设备管理终端取电时，用电设备的电子标签内的用电设备id信息被用电设备管理终端识别，并以电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，所述用电设备id信息与用电设备信息数据库中的信息进行比对确认，记录相应用电设备的上线时间，并形成设备上线日志；

步骤s202、操作人员使用情况记录，操作人员将身份卡在用电设备管理终端上进行刷卡识别，操作人员id信息通过电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，并与操作人员信息数据库中的信息比对确认后，将操作人员和相应设备信息进行绑定，发送控制信息到相应用电设备管理终端给用电设备供电，并记录操作人员与上岗时间信息，当变更操作人员时，需要重新刷对应操作人员身份卡，设备管理服务器自动变更设备操作人员于上岗时间信息，并形成设备操作使用日志；

步骤s203、设备管理服务器实时监控用电设备运行状态；用电设备管理终端采集用电设备运行状态信息，通过电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，设备管理服务器能够查询任意一台上线设备的运行状态信息，自动记录存储用电设备实时运行状态信息，形成设备运行日志；所述设备运行日志通过调取在设备管理服务器的显示器端显示；设备管理服务器对用电设备的用电安全阈值进行了设置，所述用电设备管理终端采集到的用电参数指标超过阈值后，设备管理服务器选择断电、报警两种处理措施，控制用电设备管理终端切断用电设备供电或进行报警。

本发明有益效果如下：

1)实现了设备使用情况和运行状态的监测和实时记录；

2)基于电力载波通信方式避免了无线传输方案在特定场合受限使用的情况；

3)采用电力线作为信号传输介质避免了使用专用通信线缆带来的重新布线工作；

4)实现了多个实验室和厂房的设备分层级管理，有效增加了电力载波通信方式下的电力线利用率；

5)设定每个设备的用电安全阈值；当设备超负荷运行时实现设备断电和报警操作；

6)实现了设备与人员动态组合，系统具有很高的灵活性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为系统组成与连接关系框图。

图2为单相用电设备管理终端结构示意图。

图3为单相用电设备管理终端控制电路结构框图。

图4为三相用电设备管理终端结构示意图。

图5为三相用电设备管理终端控制电路结构框图。

图6为用电设备金属铭牌结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统。

如图1所示，所述物联网供电管理系统包括：用电设备管理终端1、通信桥路单元2和用电管理单元3；

一般科研院所和工厂都建有多个实验室或厂房，在每个实验室或厂房的每个工位上对应每个用电设备都设置有单独的所述用电设备管理终端1，在每个实验室或厂房的配电柜中都装配有所述通信桥路单元2，在科研院所和工厂的电力中控室中设置有用电管理单元3；

用电管理单元数量为1个，通信桥路单元2数量与实验室或厂房的数量相等，用电设备管理终端1根据实际需要设置。

所述用电设备管理终端1连接用电设备，分为单相用电设备管理终端11和三相用电设备管理终端12，分别连接单相用电设备和三相用电设备。

所述单相用电设备管理终端11布置于实验室或者厂房中的工位上，连接三相电力线l1、l2、l3的任意一相火线、零线n和接地线pe，为单相用电设备提供电能；

如图2所示，所述单相用电设备管理终端11包括壳体112、电源插座113、指示灯114、供电插座115、永磁体116、设备射频识别标志117、人员射频识别标志118和固定在所述壳体112内部的控制电路；

如图3所示，所述控制电路包括主控单元1191、信息采集单元a、通断控制单元1194和电力载波通信单元1195；所述主控单元1191通过电力载波通信单元1195与用电管理单元3通信，将接收到的信息发送给用电管理单元3，并接收用电管理单元3发送的控制信息；所述通断控制单元1194根据主控单元1191接收的控制信息对用电设备的单相供电进行通断控制；所述信息采集单元a包括用电信息采集单元1193和基本信息采集单元1192，所述基本信息采集单元1192由设备射频识别标志117、人员射频识别标志118、双路射频识别模块a和通信串口a组成，所述设备射频识别标志117和人员射频识别标志118连接在双路射频识别模块a上，用来识别接收用电设备id信息和操作人员id信息，所述通信串口a把识别的id信息输出到所述主控单元1191；所述用电信息采集单元1193用来采集包括功率、电压、电流、功率因数和电量信息等单相用电设备的运行状态信息；

所述供电插座115连接到三相电力线l1、l2、l3的任意一相火线、零线n和接地线pe上给所述控制电路供电；所述供电插座115的火线依次通过所述通断控制单元1194和信息采集单元a与电源插座113的火线相连，所述供电插座115的零线和接地线直接与电源插座113的零线和接地线相连。

所述三相用电设备管理终端12布置于实验室或者厂房的工位上，连接三相电力线l1、l2、l3、零线n和接地线pe，为三相用电设备提供电能；

如图4所示，所述三相用电设备管理终端12包括三相电源插座121、壳体122、指示灯124、永磁体126、设备射频识别标志127、人员射频识别标志128和固定在所述壳体122内部的控制电路；

如图5所示，所述控制电路包括主控单元1291、信息采集单元b、三相通断控制单元1294和电力载波通信单元1295；所述主控单元通过电力载波通信单元1295与用电管理单元3通信，将接收到的信息发送给用电管理单元3，并接收用电管理单元3发送的控制信息；所述三相通断控制单元1294根据主控单元1291接收的控制信息对用电设备的三相供电进行通断控制；所述信息采集单元b包括三相用电信息采集单元1293和基本信息采集单元1292，所述基本信息采集单元1292由设备射频识别标志127、人员射频识别标志128、双路射频识别模块b和通信串口b组成，所述设备射频识别标志117和人员射频识别标志118连接在双路射频识别模块b上，用来识别接收用电设备id信息和操作人员id信息，所述通信串口b把识别的id信息输出到所述主控单元1191；所述三相用电信息采集单元1193用来采集包括功率、电压、电流、功率因数、电量信息、三相电相序检测结果和三相电流、三相电压的平衡检测结果等三相用电设备的运行状态信息；

三相电力线l1、l2、l3中的任一相火线与零线n构成单相电给所述控制电路129供电；三相电力线l1、l2、l3依次通过所述通断控制单元1294和三相用电信息采集单元1293与电源插座121的火线相连，所述接地线pe直接与电源插座1的接地线相连。

所述用电设备的电源线上绑缚有用电设备金属铭牌10，如图6所示，所述用电设备金属铭牌10由金属牌101、用电设备的电子标签102和绳索103组成，所述金属牌一侧有孔，所述绳索103一端通过孔系在所述金属牌101上，另一端绑缚在用电设备的供电电源线上，所述金属牌101的背面黏贴有电子标签102，所述电子标签102为抗金属电子标签，记录用电设备的id信息，当用电设备用电时，用电设备的供电电源线插接在所述用电设备管理终端上，绑缚在用电设备的供电电源线上的所述用电设备金属铭牌10可吸附在所述用电设备管理终端的永磁体上，所述电子标签102可贴合在所述用电设备管理终端的设备射频识别标志。

所述通信桥路单元2通过电力线连接所述用电设备管理终端1和所述用电管理单元3；所述通信桥路单元2包括电力载波阻截模块21、设备管理汇聚单元22、第一数据透传单元23。

所述电力载波阻截模块21由四路电抗器组成，布置在所述实验室或厂房配电柜中总断路器三相火线及零线的出线端，电力线经过所述电力载波阻截模块21之后再分配至每个用电设备管理终端1；所述电力载波阻截模块21阻截实验室或者厂房内部的电力载波信号逃逸，同时防止不同实验室或者厂房之间的电力载波信号干扰；所述电力载波阻截模块21将物联网供电管理系统分成不同层级的网络，即在所述电力载波阻截模块21的阻截作用下，单个实验室或厂房中的用电设备管理终端组成一个物联网供电管理系统的子网络，避免了不同层级之间或不同实验室或厂房之间信号的干扰，提高了系统数据传输能力。

所述设备管理汇聚单元22包括主控模块a、电力载波通信模块a和串行通信模块a；所述设备管理汇聚单元22连接在所述电力载波阻截模块21出线端电力线的三相火线l1、l2、l3、零线n和接地线pe上；所述电力载波通信模块a与电力线的三相火线l1、l2、l3、零线n和接地线pe相连，所述串行通信模块a与所述第一数据透传单元23的串口通信模块b相连，所述主控模块a连接所述电力载波通信模块a和串行通信模块a；

在采集用电设备信息时，所述主控模块a通过电力载波通信模块a采用轮询方式查询本实验室或者厂房中每一个用电设备管理终端所采集的信息，将所有信息通过通信模块a采用串行通信方式发送给所述第一数据透传单元23；

在向用电设备管理终端发出控制信息时，所述串口通信模块a接收所述第一数据透传单元23串口通信模块b输出的控制信号，所述主控模块a解析控制信号，并通过电力载波通信模块a将控制信号发送给相应的用电设备管理终端，控制相应的用电设备。

所述第一数据透传单元23包括主控模块b、电力载波通信模块b和串行通信模块b，数据透传单元和设备管理汇聚单元的结构相同，其功能差异由烧写在主控模块上的固件确定；所述第一数据透传单元23的串行通信模块b与设备管理汇聚单元22的串行通信模块a相连，所述第一数据透传单元23的电力载波通信模块b连接到所述实验室或厂房配电柜总断路器进线端电力线的三相火线l1、l2、l3、零线n和接地线pe上；所述第一数据透传单元23实现电力载波信号和串行通信信号的双向传输，为所述设备管理汇聚单元22和所述用电管理单元3串行通信提供了桥路；

在采集用电设备信息时，所述第一数据透传单元23通过串行通信模块b接收所述设备管理汇聚单元22发送的打包信息，在主控模块b将串行打包信息转换为载波信号，通过电力载波通信模块b发送到中控室的用电管理单元3；

在向用电设备管理终端发出控制信息时，所述第一数据透传单元23通过电力载波通信模块b接收所述用电管理单元3发送的控制信息，在主控模块b将载波信号转换为串行数据，通过串行通信模块b将控制信息发送到所述设备管理汇聚单元22。

所述用电管理单元3包括第二数据透传单元31和设备管理服务器32；

所述第二数据透传单元31与所述第一数据透传单元23结构相同，实现载波信号与串行通信信号的双向转换，所述第二数据透传单元31的电力载波通信模块c连接在中控室配电网的电力线上，可以与所有的通信桥路单元2的第一数据透传单元23的电力载波通信模块b进行通信，所述第二数据透传单元31的串行通信模块c与设备管理服务器32进行串口通信；

在采集用电设备信息时，所述第二数据透传单元31接收所述第一数据透传单元23发来的载波信号，在所述第二数据透传单元31中完成载波信号到串行数据的转换，将打包信息传送到所述设备管理服务器32中；

在向用电设备管理终端发出控制信息时，所述第二数据透传单元31的串行通信模块c接收所述设备管理服务器32发出的控制信息，经过所述第二数据透传单元31的转换成为载波信号通过电力线输送到所述第一数据透传单元23的电力载波通信模块b；

一种基于电力载波通信的物联网供电管理方法，包括以下步骤：

步骤s1、建立用电管理数据库

s101，建立工厂或实验室用电设备信息数据库。在设备管理软件中建立每台用电设备的信息数据库，包括设备的购置时间、生产厂家、额定用电参数、完好状态、维修记录、维护人员联系方式、设备射频识别信息等，当新购设备或者设备信息发生变化时，需要更新设备信息数据库。

s102，建立操作人员信息数据库。在设备管理软件中建立每位操作人员的信息数据库，包括操作人员姓名、联系方式、员工身份射频识别信息等，当操作人员信息发生变化时，需要更新操作人员信息数据库。

步骤s2、监控操作人员使用和设备运行情况，对用电设备在线状态监测，实现用电设备使用情况与人员作业情况的信息采集与实时记录，并通过保护和报警机制实现用电安全。

s201，用电设备上线。当用电设备从所对应的用电设备管理终端取电时，用电设备的电子标签内的用电设备id信息被用电设备管理终端识别，并以电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，所述用电设备id信息与用电设备信息数据库中的信息进行比对确认，记录相应用电设备的上线时间，并形成设备上线日志。

s202，操作人员使用情况记录。操作人员将身份卡在用电设备管理终端上进行刷卡识别，操作人员id信息通过电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，并与操作人员信息数据库中的信息比对确认后，将操作人员和相应设备信息进行绑定，发送控制信息到相应用电设备管理终端给用电设备供电，并记录操作人员与上岗时间信息，当变更操作人员时，需要重新刷对应操作人员身份卡，设备管理服务器自动变更设备操作人员于上岗时间信息，并形成设备操作使用日志。

步骤s3、设备管理服务器实时监控用电设备运行状态；用电设备管理终端采集用电设备运行状态信息，通过电力载波通信方式发送到设备管理服务器中，设备管理服务器能够查询任意一台上线设备的运行状态信息，自动记录存储用电设备实时运行状态信息，形成设备运行日志；所述设备运行日志通过调取在设备管理服务器的显示器端显示；设备管理服务器对用电设备的用电安全阈值进行了设置，所述用电设备管理终端采集到的用电参数指标超过阈值后，设备管理服务器选择断电、报警两种处理措施，控制用电设备管理终端切断用电设备供电或进行报警。

本实施例中，设备管理汇聚单元的串行通信模块可以更换为以太网模块，如此，每个实验室的设备管理汇聚单元和设备管理服务器可以通过交换机进行组网，这样，实验室内部采用电力载波通信，实验室和设备管理服务器之间采用以太网通信，这样可以减少以太网硬件建设工作，同时由于以太网通信带宽远高于电力载波通信方式，这种方式更适合于组建大型设备物联网管理系统。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于电力载波通信的物联网供电管理系统及方法，具有如下有益效果：

1)实现了设备使用情况和运行状态的监测和实时记录；

2)基于电力载波通信方式避免了无线传输方案在特定场合受限使用的情况；

3)采用电力线作为信号传输介质避免了使用专用通信线缆带来的重新布线工作；

4)实现了多个实验室和厂房的设备分层级管理，有效增加了电力载波通信方式下的电力线利用率；

5)设定每个设备的用电安全阈值；当设备超负荷运行时实现设备断电和报警操作；

6)实现了设备与人员动态组合，系统具有很高的灵活性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。