专利名称：一种家庭网关及其智能用电管理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及智能用电领域，具体涉及一种具有能源管理功能的家庭网关及其智能用电管理系统。
背景技术：
家庭网关是家庭内部的网络设备，使家庭内部智能设备实现联网，是实现家庭内部和外部网络互联的一座桥梁。家庭网关可以提供用电设备之间的互联以及接入宽带的服务，本地用户不仅可以通过家庭网关访问家庭内部的各种用电设备，还可以通过internet 来远程控制家庭中的多种智能用电设备。现有家庭网关的发展经历了三个阶段，实现通信业务为主的起步阶段，该阶段主要是为接入家庭局域网的多台PC机提供共享上网服务；除了为用户提供通信业务外还可以为用户提供娱乐服务的成长阶段，该阶段的家庭网关集成数据、话音和视频等多种业务。 在这些业务中，基本的业务是高速互联网接入和话音业务，视频则是重点业务；除了为用户提供通信业务、娱乐业务外，还为用户提供接入家庭网络的控制服务的成熟阶段。但是，在能源日渐紧张的趋势下，目前的家庭网关还仅仅是实现接入家庭网络的用电设备通信、娱乐业务。
实用新型内容本实用新型的发明人经长期研究提供了一个完善的家庭网关的技术方案，其目的在于解决现有技术存在的下述问题1)由于家用电器种类不断增多而世界能源紧张，用电高峰出现的拉闸限电情况， 现有家庭网关还没有利用家庭各用电设备的数据资源为用户或者家庭用电数据和某个区域用电数据相结合为用户提供能效分析或者用电解决方案的功能。2)各用电设备工作模式或者工作状态差异对用户整体用电量的影响较大，但用户尚不清楚每个用电设备不同工作模式对用户的确切影响究竟多大。3)鉴于家庭网关的固件和软件升级能力是运营商和用户节省投资的重要因素，为了降低运营成本，对这些固件和软件的远程升级无疑非常必要。本实用新型的目的在于提出一种具有多样化应用、便捷、高可靠性的家庭网关。本实用新型的家庭网关是通过如下技术方案实现的一种具有能源管理功能的家庭网关包括微处理器、广域网通信卡、无线局域网通信卡、电源器、传感网通信卡和存储器；所述存储器、电源器分别与所述微处理器一端连接；所述微处理器另一端分别与 USB通信卡、广域网通信卡、所述无线局域网通信卡和所述传感网通信卡连接；所述无线局域网通信卡与本地通信终端无线连接；所述家庭网关的数据通过广域网通信卡与智能用电服务器交互；所述家庭网关的广域网通信卡与移动通信终端或者智能用电服务器无线连接。[0016]本实用新型提供的第2优选技术方案中所述家庭网关包括USB通信卡和红外通信卡，所述USB通信卡与微处理器连接，所述红外通信卡与微处理器无线连接、且微处理器通过红外通信卡对用电设备进行控制；所述传感网通信卡包括有线传感网通信卡和无线传感网通信卡，所述有线传感网通信卡包括PLC载波通信卡；所述微处理器分别与无线传感网通信卡和PLC载波通信卡连接，无线传感网通信卡通过无线方式对用电设备进行信息采集和控制。本实用新型提供的第3优选技术方案中所述红外通信卡为内置有一个安装有动态编码库、且具备红外学习功能的光敏管接收器；所述光敏管接收器由用户自主录入编码， 并把编码指令发送到本地通信终端。本实用新型提供的第4优选技术方案中所述微处理器通过所述传感网通信卡从用电设备采集用电信息；且用电设备经传感网通信卡与家庭网关连接。本实用新型提供的第5优选技术方案中所述微处理器通过所述传感网通信卡，并以固定频率从用电设备采集用电信息。所述用电信息来源于用电设备，所述用电信息包括用电相关数据信息、用电设备信息和用电设备的状态信息，并且用电设备根据所述用电信息进行耗能分析和/或能源控制。本实用新型提供的第6优选技术方案中所述微处理器接收到用户指令信息后对该用户的用电信息进行分析。本实用新型提供的第7优选技术方案中所述无线传感网通信卡为Zigbee通信卡、 WIFI通信卡或WIA无线通信卡，用户通过无线传感网通信卡以无线方式连接用电设备，并且通过无线传感网通信卡对用电设备进行信息采集和控制。本实用新型提供的第8优选技术方案中所述无线局域网通信卡做为本地通信终端与家庭网关的通信接口卡，用户登录本地通信终端并通过该无线局域网通信卡访问家庭网关。本实用新型还提出了一种具有上述家庭网关的智能用电管理系统，所述家庭网关用于采集各终端用户用电信息，并将该信息传到智能用电服务器，同时接受智能用电服务器指令对用电设备进行控制。本实用新型提供的优选技术方案中，所述智能用电服务器，用于对家庭网关上传的用电信息进行汇总、存储和分析计算，接收用户的访问和请求，向家庭网关发送设备控制 fn息ο本实用新型提供的技术方案具有能源管理功能的家庭网关，同时兼有网关、采集、 控制以及能源管理的功能，该家庭网关是家庭网络和外部网络的接口装置，智能用电服务器是该家庭网关用电业务的部署和控制平台也是该家庭网关采控的远程管理平台。通过智能用电服务器既可以实现对家庭网关所承载的业务进行配置管理，又可以对用电设备进行远程状态查询、控制管理、参数配置和软件升级。家庭网络内部各种用电设备通过家庭网关的用户侧接口(例如，WIA无线传感网通信卡和PLC载波通信卡)与家庭网关进行通信，家庭网关对经过其的数据进行转发、控制和管理，并通过网络侧接口(例如以太网通信卡)与智能用电服务器进行交互，实现家庭网络和外部网络的通信，并管理和控制家庭网络内各种用电设备的耗能。与现有技术比，本实用新型除具有网关、采集、用电控制和能源管理功能以外，还具有以下优点1)可以实现多样化应用。可以组建家庭通讯应用网络和家庭监控网络以完成用电设备的用电管理等应用功能。2)便捷。可以在可能需要使用设备的地方预留接口，当在变更设备位置和未来增加设备时，只要轻轻一插就能将设备连接完成。3)安全可靠性高。由于将整个家庭作为一个系统进行设计，所以无论是从材料选择还是施工规划，均是依照国际规范进行，因此所有线路均保证安全可靠。4)用户可以根据需要自由的配置和添加用电设备控制节点。智能主机通过全图形化的向导提示用户如何设置和使用用电设备控制的功能，通过可学习的无线转发模块或红外转发模块，用户可以很方便的实现对用电设备集中管理和电话、网络的远程控制。5)无线转发模块或红外转发模块和网关之间通过无线进行连接。因为家庭网关是通过智能学习的方式实现用电设备控制，所以无须对用电设备做任何的改装。6)实时监测控制用电单位的能源使用情况。用户根据本实用新型家庭网关按照各用电设备设定的不同工作模式和工作状态统计的用电数据，可以更清楚的了解和实时监测并控制用电单位的能源使用情况。
图1为说明本实用新型实施例的网络系统架构示意图图2为本实用新型实施例提供的电路结构原理图图3是本实用新型实施例的无线传感网通信模块结构框图图中1、微处理器；2、广域网通信卡；3、无线局域网通信卡；4、电源器；5、传感网通信卡；6、USB通信卡；7、PLC载波通信卡；8、红外通信卡；9、存储器；10、动态编码库；11、 有线传感网通信卡；12、无线传感网通信卡；13、Zigbee通信卡、WIFI通信卡或WIA无线通 f曰卡。
具体实施方式
图1是包括了依据本实用新型的一种具有能源管理功能的家庭网关的智能用电管理系统架构示意图，其包括了本实用新型的家庭网关和与家庭网关连接的外围设备，例如可以包括外部的英特网、WSN传感网以及各种用电设备等。如图2所示是依据本实用新型的家庭网关的电路结构原理图，其主要包括微处理器1 ；广域网通信卡2 ；无线局域网通信卡3 ；电源器4 ；传感网通信卡5 ；USB通信卡6 ；PLC载波通信卡7 ；红外通信卡8 ；存储器 9 ；动态编码库10 ；有线传感网通信卡11 ；无线传感网通信卡12 ；Zigbee通信卡、WIFI通信卡或WIA无线通信卡13 ；其中无线局域网通信卡3与本地通信终端无线连接；家庭网关的数据通过广域网通信卡2与智能用电服务器交互；家庭网关的广域网通信卡2与移动通信终端或者智能用电服务器无线连接，存储器9用于存储用电信息，电源器4用于进行电压转换并为家庭网关提供工作电压；无线局域网通信卡3和传感网通信卡5连接存储器、电源器 4分别与微处理器1 一端连接，微处理器1另一端分别与USB通信卡6、广域网通信卡2连接，从而可以进行多方面的数据通信和控制。本实用新型的具有能源管理功能的家庭网关包括微处理器1、广域网通信卡2、无线局域网通信卡3、电源器4、传感网通信卡5、USB通信卡6、PLC载波通信卡7、红外通信卡 8和存储器9等，下面分别对各部件进行详述说明1)微处理器1，通过无线传感网通信卡或PLC载波通信卡7从用电设备采集用电
fn息ο所述用电设备采集用电信息为用电设备以固定频率采集用电信息。所述用电信息来源于用电设备，所述用电信息可以包括用电数据信息、用电设备信息以及用电设备的状态信息，并根据所述用电信息进行耗能分析和/或能源控制。所述用电数据可以包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、视在功率和电量等。用电设备信息包括用电设备的ID号、用户姓名和用户地址等信息。所述用电设备状态信息包括温度、湿度、制冷温度、清洁程度、清洁剂使用剂量、 厨卫类智能用电设备的原料用量等信息；或通、断电状态。微处理器1对采集到的用电数据信息进行数据滤波、数据计算处理，具体是将采集的用电数据信息与预先设定的高/低限值对比，其值高于给定的高限值或是低于给定的低限值时，则认定该数据为滤波数据，将该数据质量标识位置为滤波数据标识，存入存储器 9中，该数据不参与数据计算。微处理器1接收到用户指令信息后对该用户的用电信息进行分析，例如1、能耗排名，在用户选择的时间跨度内，将家庭内部所有电器进行排名，帮助用户找出电量最高和最低的用电设备。2、能耗比较，针对所选的多款电器，统计其在一段时间内的峰谷电量电费，帮助用户调整用电习惯。3、分类统计，将家庭内的用电设备从功能上分为制冷电器、空气调节电器、清洁电器、厨卫电器和其它电器，统计出这五类用电设备耗能情况。4、智能用电设备待机能耗报告，针对智能用电设备，根据用户所选的智能用电设备显示其待机电量和待机时间。根据用电信息的分析结果可以进行以下任意一项或多项处理①微处理器1通过对用户的用电习惯进行分析，把用户当前的用电习惯中不合理或被用户忽视的部分提示出来，并给出一些有益的用电建议。例如，基于用电设备的基本耗能参数测算出用电总量，按照用电量的参数排列用电顺序，并结合其他客观因素(如阶梯电价、分时电价、用电数量等)为用户提供节能用电参考。②微处理器1还可以根据用户的碳足迹计算器功能指令计算家庭以及个人在日常生活中的衣、食、住、行、用五方面所产生的二氧化碳的排放量。③家庭网关根据用户的用电基本情况分析出家庭用电的主要能耗，并且根据用户按照实际的需要和预期的电能使用情况输入的电能分配情况，对用电设备进行智能化控制。④家庭网关的微处理器1根据用户通过智能用电服务器或本地通信终端发送的控制指令后，将控制指令转发至智能用电设备，以达到控制用电设备开启或者关闭状态。[0060]⑤家庭网关接收用户通过网络的模式控制信息对智能用户设备进行控制管理。用户还可以通过Web用户界面中的设备控制功能对家中的智能用电设备进行模式控制。按照用电设备的功能分类，分别对于每类用电设备可以进行模式控制，如下所述空气调节类智能用电设备可以控制智能用电设备的工作模式，有制冷工作模式、 制热工作模式、换气工作模式、加湿工作模式等；各种模式中，分别可以设定温度、湿度等控制属性，例如智能空调设备。制冷类智能用电设备可以控制智能用电设备的工作模式，有速冻工作模式、冷冻工作模式、冷藏工作模式、恒温工作模式等；各种模式中，分别可以设定制冷温度，制冷速度等控制属性，例如智能冰箱设备。清洁类智能用电设备可以控制智能用电设备的工作模式，有快速清洁模式、重度清洁模式、轻度清洁模式等；各种模式中，分别可以设定清洁程度、清洁剂使用剂量等控制属性，例如智能洗衣机设备。厨卫类智能用电设备可以控制智能用电设备的工作模式，有快速模式、普通模式等；分别可以设定原料种类、原料用量等控制属性，例如智能电饭煲。用电设备发生异常时，智能用电设备会将报警信息通过无线传感网通信模块传送到家庭网关，家庭网关收到报警信息后，在家庭网关的存储器9记录此事件。通过家庭网关提供的用电信息以及用电设备信息，用户能够通过家庭网关对用电设备进行状态控制以及用电设备参数的设置。2)无线传感网通信卡12，可以为Zigbee、WIFI、WIA无线通讯卡。如图3所示，无线传感网通信模块包括微处理器、无线收发芯片、射频收发切换开关和天线，用户可以通过家庭网关的无线传感网通信卡以无线方式对用电设备进行信息采集和控制。3)无线局域网通信卡3，为本地通信终端(例如，本地计算机或者交互终端(例如，PAD))与家庭网关的通信接口，用户可以登录本地通信终端并通过该接口访问家庭网关。4)广域网通信卡2，实现家庭网关与移动通信终端或者智能用电服务器的通信。家庭网关的广域网通信卡主要用途是与家庭宽带接入网连接，其作用主要包括1、接收和处理来自以太网上的远程客户端(远程客户端是指客户的移动终端)的命令，家庭网关根据指令来执行相关的操作；2、家庭网关把采集的用电设备的数据和信息通过以太网发送到远方客户端，便于客户端对数据信息进行分析处理和控制。家庭网关的微处理器1可以将采集到的用电信息通过广域网通信卡2把用电信息传输到智能用电服务器，以便于用户通过移动通信终端从智能用电服务器获取用户的用电 fn息ο5) PLC载波通信卡7 (可选模块)，用户还可以通过PLC载波通信卡7以有线方式对用电设备进行信息采集和控制。家庭网关的微处理器1通过UART (通用异步接收装置或发送装置)与PLC载波通信卡7连接。PLC载波通信卡7主要用途包括1、外部感知单元的电量信息通过PLC载波通信卡7传输到微处理器1，微处理器1 对电量信息进行存储和处理；2、外部客户端向家庭网关发出预设指令，PLC载波通信卡7按照用户指令来执行外部感知单元的开关控制。6)电源器4，用于进行电压转换并为家庭网关提供工作电压。7)USB接口(可选模块)，用户可以通过该接口接插上网卡上网，还可以通过该接口将其历史某阶段的用电信息存储到存储介质。8)存储器9，用于存储采集的用电信息、耗能分析结果、用电建议、其他所有数据和处理结果等。9)红外通信卡(可选模块)，是具备红外学习功能的光敏管接收器，它的主要特点是内置一个动态编码库，具备红外学习功能，可由用户自主录入编码，把家庭的电视机遥控器、空调遥控器、以及其他智能家居遥控器的功能通过终端上的红外通讯模块进行录入。互动终端通过指令启动家庭网关学习功能，并选择相应电器类型。家庭网关录入完成后，把编码指令发送到互动终端，互动终端按照用户要求发送指令给家庭网关，家庭网关把指令通过无线传感网通信模块把接收到的编码通过红外方式发射出去。家庭内部的用电设备的红外接收器通过解码来判断指令是否需要响应。如果需要响应。对应的用电设备会做出响应动作。10)显示器(可选模块)，提供了人机接口，该显示器可以为触摸屏，用于提供智能用电业务功能按键供用户选择，以及接收用户通过选择对应的用电业务功能按键触发的用电服务指令信息，例如，用户可以通过按键输入查询或者设置参数并在显示器上进行显示， 该显示器还用于提示用户输入账户信息的提示信息以及显示家庭网关对用电信息的分析
处理结果。2、用电信息采集流程1)家庭网关的微处理器1将信息采集命令通过家庭网关的传感网通信卡5发送至智能用电设备的传感网通信卡5 ；2)智能用电设备的传感网通信卡5解析所述信息采集命令，并对智能用电设备进行用电信息采集；3)智能用电设备采集响应命令将采集的用电数据通过智能用电设备的传感网通信卡5反馈给家庭网关的传感网通信卡5 ；4)家庭网关的传感网通信卡5再将采集的用电数据反馈给家庭网关的微处理器 1。3、控制用电设备的控制流程1)家庭网关接收用户通过互动终端或其他通信终端的界面选择的对家庭中用电设备进行即时开关控制和定时开关控制的控制命令；2)家庭网关的微处理器1将控制命令通过家庭网关的传感网通信卡5发送至智能用电设备的传感网通信卡5;3)智能用电设备的传感网通信卡5解析控制命令，并将控制命令发送至智能用电设备；4)智能用电设备响应命令完成控制动作，并将控制动作完成结果通过智能用电设备的传感网通信卡5发送至家庭网关传感网通信卡5 ；[0095]5)家庭网关的传感网通信卡5再将用电设备完成控制动作结果反馈给家庭网关的微处理器1。本领域技术人员应了解，本发明虽然起名叫家庭网关，但具体实现时可以作为任意一种采集终端，采集家庭用电设备信息并进行能源控制，所述家庭网关命名并不对其构成限制。4、家庭网关与智能用电服务器通信在整个用电管理系统中，家庭网关负责对家庭内部用电信息的收集，并将其传到智能用电服务器，同时接受智能用电服务器指令对用电设备进行控制；与此对应，智能用电服务器负责对用电信息进行汇总、存储和分析计算，接收用户的访问和请求，向家庭网关发送设备控制信息。为实现家庭网关与智能用电服务器的信息交互，采取下面两种方式①家庭网关周期性向智能用电服务器上报；②智能用电服务器端发起查询、家庭网关应答的方式；智能用电服务器会在一些情况下主动向家庭网关发起查询，要求家庭网关即刻回复当前用电信息。这些情况包括用户通过智能用电服务器请求即时用电信息查询；智能用电服务器在预定时间内没有成功收到家庭网关的用电信息报告；在这一过程，由智能用电服务器向家庭网关发送查询命令而启动，并以智能用电服务器向家庭网关发送成功接收通知而结束。此外，本实用新型还提出了一种家庭网关的智能用电管理系统，包括上述家庭网关和智能用电服务器。其中家庭网关，用于采集各个终端用户的用电信息，并将其传到智能用电服务器，同时接受智能用电服务器的命令对用电设备进行控制；智能用电服务器，用于对家庭网关上传的用电情况信息进行汇总、存储和分析计算，接收用户的访问和请求，向家庭网关发送设备控制信息。应予指出的是，本领域技术人员阅读本申请说明书后，可以对说明书中的具体实施方式
进行种种变更或修改，但这些变更或修改均在申请待批的权利要求保护范围之内。
权利要求1.一种具有能源管理功能的家庭网关，其特征在于所述家庭网关包括微处理器(1)、 广域网通信卡O)、无线局域网通信卡(3)、电源器0)、传感网通信卡( 和存储器(9)；所述存储器(9)、电源器(4)分别与所述微处理器(1) 一端连接；所述微处理器(1)另一端分别与USB通信卡(6)、广域网通信卡O)、所述无线局域网通信卡C3)和所述传感网通信卡(5)连接；所述无线局域网通信卡( 与本地通信终端无线连接；所述家庭网关的数据通过广域网通信卡( 与智能用电服务器交互；所述家庭网关的广域网通信卡( 与移动通信终端或者智能用电服务器无线连接。
2.根据权利要求1所述的家庭网关，其特征在于所述家庭网关包括USB通信卡(6)或红外通信卡(8)，所述USB通信卡(6)与微处理器(1)连接，所述红外通信卡(8)与微处理器(1)无线连接，且微处理器(1)通过红外通信卡(8)对用电设备进行控制；所述传感网通信卡( 包括有线传感网通信卡和无线传感网通信卡，所述有线传感网通信卡包括PLC载波通信卡(7)；所述微处理器(1)分别与无线传感网通信卡和PLC载波通信卡(7)连接，无线传感网通信卡通过无线方式对用电设备进行信息采集和控制。
3.根据权利要求2所述的家庭网关，其特征在于所述红外通信卡(8)为内置有一个安装有动态编码库、且具备红外学习功能的光敏管接收器；所述光敏管接收器由用户自主录入编码，并把编码指令发送到本地通信终端。
4.根据权利要求1所述的家庭网关，其特征在于所述微处理器(1)通过所述传感网通信卡( 从用电设备采集用电信息；且用电设备经传感网通信卡(5)与家庭网关连接。
5.根据权利要求4所述的家庭网关，其特征在于所述微处理器(1)通过所述传感网通信卡(5)、并以固定频率从用电设备采集用电信息。所述用电信息来源于用电设备，所述用电信息可以包括用电数据信息、用电设备信息和用电设备的状态信息，并且用电设备根据所述用电信息进行耗能分析和/或能源控制。
6.根据权利要求5所述的家庭网关，其特征在于所述微处理器(1)接收到用户指令信息后对该用户的用电信息进行分析。
7.根据权利要求1所述的家庭网关，其特征在于所述无线传感网通信卡为Zigbee通信卡、WIFI通信卡或WIA无线通信卡，用户通过无线传感网通信卡以无线方式连接用电设备，并且通过无线传感网通信卡对用电设备进行信息采集和控制。
8.根据权利要求1所述的家庭网关，其特征在于所述无线局域网通信卡(3)为本地通信终端与家庭网关的通信接口卡，用户登录本地通信终端并通过该无线局域网通信卡 ⑶访问家庭网关。
9.一种包括权利要求1-8任一所述家庭网关的智能用电管理系统，其特征在于所述家庭网关用于采集各终端用户用电信息，并将该信息传到智能用电服务器，同时接受智能用电服务器指令对用电设备进行控制。
10.根据权利要求9所述的智能用电管理系统，其特征在于所述智能用电服务器，用于对家庭网关上传的用电信息进行汇总、存储和分析计算，接收用户的访问和请求，向家庭网关发送设备控制信息。
专利摘要本实用新型提供一种具有能源管理功能的家庭网关，包括微处理器、广域网通信卡、无线局域网通信卡、电源器、传感网通信卡和存储器；存储器和电源器分别与微处理器一端连接；微处理器另一端分别与USB通信卡、广域网通信卡、无线局域网通信卡和传感网通信卡连接；无线局域网通信卡与本地通信终端无线连接；家庭网关的数据通过广域网通信卡与智能用电服务器交互；家庭网关的广域网通信卡与移动通信终端或者智能用电服务器无线连接；该家庭网关实现多样化应用、便捷、安全可靠性高、自由的配置和添加用电设备控制节点、无线或红外转发模块和网关无线连接、实时监测控制用电单位的能源使用。
文档编号H04L12/66GK202309756SQ20112038716
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月13日 优先权日2011年10月13日
发明者亓学庆, 任伟理, 刘国枫, 李涛, 李霁元, 杨旭升, 汤立志, 皮学军 申请人:中国电力科学研究院