具有電能計量功能的wsn網關的製作方法
2024-02-11 10:53:15
專利名稱：具有電能計量功能的wsn網關的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及用電用戶(居民用戶、商業用戶、行政用戶、工業用戶等)的電能計量技術領域，具體涉及一種具有電能計量功能的WSN網關。
背景技術：
近年來，隨著物聯網建設不斷推進，以及智能住宅的發展，為用電用戶的用電方式和電能計量方法提出了如圖1所示的基於智能插座的電能計量系統模型。該模型採用了先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術，將用電、計量以及用電用戶內部各種智能化信息處理系統有機地結合在一起，通過統籌管理使得用電用戶的生活和工作更加方便、 安全、有效。如圖1所示，該電能計量系統包括電能表、智能插座和網關等主要設備，其中電能表用於計量用戶的總體電能值；智能插座用於採集各個電器的電能值情況，採集各電器的用電數據和參數，並且可以通過WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡)網絡，將這些信息經過網關轉發給用電伺服器；網關可以通過WSN網絡和各個智能插座建立連接， 各個智能插座將其用電數據和參數發送到網關，網關將用電數據處理轉換後通過網際網路轉發給用電伺服器例如用電管理部門或者該用電用戶。基於這些用電數據和參數，用電伺服器可以通過網關實現對各電器的遠程智能控制和管理，進而通過對各電器的能耗情況制定更有效的節能降耗措施。其中，圖1中的L、N線分別表示入戶電力線的相線和零線，與電器一起構成用電迴路。雖然圖1中的基於智能插座/物聯網的電能計量系統的優點突出，但也存在一些較大的設計缺陷網關所起到的作用十分有限，不能對智能插座系統集中設置或操作，具有 WSN通信功能的網關不是通用的網關，而是專用網關，而且目前尚無實用產品；智能插座的作用均是相同的，難以承載對大電流或大功率的需求，缺少對用電用戶總電能以及總電流的計量。
實用新型內容為解決上面提到的問題，本實用新型提出了具有電能計量功能的WSN網關，該網關不僅具有網關的功能，還具有電能計量功能，網關功能強大。本實用新型實施例提供了一種用電用戶使用的具有電能計量功能的WSN網關。為此，本實用新型實施例提供如下技術方案。一種具有電能計量功能的網關，用於將智能插座所採集的並且通過WSN網絡傳送的來自各個電器的用電信息以及網關自身所統計的用電信息進行WSN到WIFI的協議轉換， 然後通過無線路由器接入到internet，再經由internet轉發給用電伺服器；以及接收由無線路由器轉發的來自用電伺服器的控制命令，將其進行WiFi到WSN的協議轉換，然後通過 WSN網絡轉發給相應的智能插座，由智能插座對相應的電器執行相應的控制操作，該網關包括電壓預處理、電流預處理、電能計量、CPU、WSN模塊、WiFi模塊以及電源，其中[0009]電壓預處理，採集入戶低壓電力線的電壓信號，並且對電壓信號進行濾波、分壓和調整處理，然後將所處理後的電壓信號傳送給電能計量；電流預處理，採集入戶低壓電力線上的電流信號，並且對其進行分流和調整處理， 然後將所處理後的電流信號傳送給電能計量； 電能計量，根據來自電壓預處理的電壓信號以及電流預處理的電流信號，計算出該低壓電力線上的總的電能值；CPU，為網關的運算與控制核心，控制電能計量來計量總的電能值、電壓和電流，以及控制WSN模塊以及WiFi模塊的通信；WSN模塊，網關通過WSN模塊與智能插座進行通信；WiFi模塊，網關通過WiFi模塊與無線路由器進行通信；電源，從220v低壓電力線中獲取電能，並且進行電壓轉換，提供網關的工作電源。本實用新型所提供的WSN網關，可以利用現有的無線路由器，實現用電用戶的用電信息無線傳送給用電伺服器，但需要實現WSN與WiFi之間的協議轉換。這裡，WSN網關除了具有通常的網關功能之外，還可以實現對用電電戶的總電能信息的統計，彌補了現有的智能插座難以承載對大電流或大功率的需求、缺少對用電用戶總電能以及總電流的計量的不足，另外，WSN網關還可以對各智能插座進行集中控制和操作，根據各電器的能耗情況制定更有效的節能降耗措施。
圖1為基於智能插座的電能計量系統的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的基於具有電能計量功能的WSN網關的電能計量系統的結構示意圖；圖3為圖2中所示的具有電能計量功能的WSN網關的結構示意圖；圖4為圖2中所示的智能插座的結構示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型實施例的方案，
以下結合附圖和實施方式對本實用新型實施例做進一步的詳細說明。圖2是本實用新型實施例所提供的基於具有電能計量功能的WSN網關的電能計量系統的結構示意圖，該系統主要包括無線路由器1、至少一個智能插座2以及WSN網關3。無線路由器1，提供WSN網關3到internet的無線接入與路由選擇功能，可以是現有的通用無線路由器。至少一個智能插座2，用於採集家用電器的用電信息，同時用電用戶可以通過智能插座實現對家用電器的智能控制。WSN網關3，與各智能插座2通過WSN網絡進行通信，用於控制用電用戶內部各個智能插座2的工作狀態，統計各個智能插座2的電能計量參數以及總的電能計量參數，並將用電用戶的上述用電信息進行協議轉換，即WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡)與WiFi (WiFi全稱Wireless Fidelity，又稱802. lib標準)之間的協議轉換，然後通過無線路由器1和Internet轉發給用電伺服器。其中，WSN網關3與無線路由器1通過WiFi網絡進行無線通信，WSN網關3與至少一個智能插座2通過WSN網絡進行無線通信。圖2中所示的基於具有電能計量功能的WSN網關的電能計量系統的工作原理如下智能插座2採集各個電器的用電數據和參數等用電信息，並且可以通過WSN網絡，將這些用電信息傳送給WSN網關3，WSN網關3將用電信息進行WSN到WIFI的協議轉換，然後通過無線路由器1無線接入到internet，再經由internet轉發給用電伺服器。基於這些用電信息，用電伺服器可以了解用電用戶內部各電器的用電情況，並且可以通過WSN網關3以及各智能插座2實現對各電器的遠程智能控制和管理，進而通過對各電器的能耗情況制定更有效的節能降耗措施，具體地，WSN網關3解析由無線路由器1轉發的來自用電伺服器的控制命令，將其進行WiFi到WSN的協議轉換，然後通過WSN網絡轉發給相應的智能插座2，由智能插座2對相應的電器執行相應的控制操作。圖3是圖2所示的電能計量系統中的具有電能計量功能的WSN網關3的結構示意圖，該WSN網關3包括電壓預處理30、電流預處理31、電源32、電能計量33、顯示器34、存儲器35、ARM 36、紅外收發37、WSN模塊38和WiFi模塊39。電壓預處理30，採集入戶低壓電力線的電壓信號，並且對電壓信號進行濾波、分壓和調整處理，然後將所處理後的電壓信號傳送給電能計量33。電流預處理31，採集入戶低壓電力線上的電流信號，並且對其進行分流和調整處理，然後將所處理後的電流信號傳送給電能計量33。電源32，從220v低壓電力線中獲取電能，並且進行電壓轉換，提供WSN網關3的工作電源。 電能計量33，根據來自電壓預處理30的電壓信號以及電流預處理31的電流信號， 計算出該低壓電力線上的總的電能。顯示器34，用於顯示WSN網關3所統計的用電數據以及各智能插座2所統計的用電數據，方便用電用戶查看。存儲器35，存儲測量到的電壓、電流和電能消耗的數據。ARM 36，為WSN網關3的運算與控制核心，控制電能計量33獲取總電能、電壓和電流數值，以及控制紅外收發37、WSN模塊38、WiFi模塊39、顯示器34以及存儲器35的工作。紅外收發37，用於紅外抄表機對WSN網關3的參數設置與命令操作。WSN模塊38，WSN網關3通過WSN模塊38與智能插座2進行通信，具體地WSN網關3通過WSN模塊38接收各智能插座2所計量的用電信息。WiFi模塊39，WSN網關3通過WiFi模塊39，無線連接到無線路由器1，然後再由無線路由器1將用電信息通過Internet傳送給用電伺服器，以及接收由無線路由器1轉發的來自用電伺服器的控制命令，然後通過WSN模塊38轉發給相應的智能插座2以執行相應的控制操作。具有電能計量功能的WSN網關3中的各個模塊的工作過程如下電源32從入戶的220v低壓電力線上獲取電能，並且進行電壓轉換，提供WSN網關 3的工作電源；電壓預處理30對入戶低壓電力線上採集的電壓信號進行濾波、分壓和調整處理，然後連接到電能計量33，電能計量33根據分壓後的電壓計算出入戶的低壓電力線上的實際電壓；電流預處理31對入戶電力線上採集的總的電流進行分流和調整，然後連接到電能計量33，電能計量33根據分流後的電流計算出入戶的低壓電力線上的實際電流也就是該用電用戶的各電器的總的電流，然後根據所計算的電壓和總的電流計算總的電能值， 並且將所計算的電能值以及各智能插座2統計的用電數據在ARM 36的控制下通過WiFi模塊39傳送給無線路由器1，另外紅外抄表機可以通過紅外收發37對WSN網關3進行參數設置與命令操作。同時，WSN網關3可以接收來自用電伺服器經過無線路由器1轉發的控制命令並且通過控制相應的智能插座2執行相應的命令操作。WSN網關3所測得的用電數據以及來自各智能插座2的用電數據可以通過顯示器34顯示出來。圖4是圖2中所示的智能插座2的結構示意圖，主要包括電壓預處理20、電流預處理21、電源22、電能計量23、顯示器24、ARM 25和WSN模塊26。電壓預處理20，用於被測電壓的濾波、分壓和調整。電流預處理21，用於被測電流的分流和調整。電源22，完成電源變換，提供給該智能插座2的工作電源。電能計量23，用於該智能插座2的電能計量、電壓和電流的測量。顯示器24，用於顯示各智能插座的電能和電流數值。ARM 25，為智能插座2的運算與控制核心，通過控制電能計量23，獲取電能、電壓和電流數值；控制WSN模塊26、顯示器24的工作。WSN模塊26，用於無線傳感器網絡的建立，智能插座2通過WSN模塊26與WSN網關3進行無線通信。智能插座2的工作過程如下電源22從接入電器的220v低壓電力線上獲取電能，並且進行電壓轉換，提供智能插座2的工作電源；電壓預處理20對從該低壓電力線上採集的電壓信號進行濾波、分壓和調整處理，然後連接到電能計量23，電能計量23根據分壓後的電壓計算出接入電器的低壓電力線上的實際電壓；電流預處理21對接入電器的電力線上採集的電流進行分流和調整，然後連接到電能計量23，電能計量23根據分流後的電流計算出接入電器的低壓電力線上的實際電流，然後根據所計算的電壓和電流計算電能值，並且將所測得的用電數據在ARM 25的控制下通過WSN模塊26傳送給WSN網關3，智能插座2所測得的用電數據還可以通過顯示器24顯示出來。同時，智能插座2可以接收來自用電伺服器的經由WSN網關3轉發的控制命令並且對相應的電器執行相應的控制操作。從上面結合圖2、圖3、圖4關於具有電能計量功能的WSN網關3的工作原理的描述中，可以看出根據圖3所設計的WSN網關3，可以利用現有的無線路由器1，實現用電用戶的用電信息無線傳送給用電伺服器，具體地，由WSN網關3控制各智能插座2，將各智能插座2所統計的用電信息通過WSN網關3和無線路由器1傳送給用電伺服器。這裡，由於 WSN網關3與智能插座2通過WSN網絡進行通信，WSN網關3與無線路由器1通過WiFi網絡進行通信，所以WSN網關3需要實現WSN與WiFi之間的協議轉換。另外，WSN網關3除了具有通常的網關功能之外，還可以實現對用電電戶的總電能信息的統計，彌補了現有的智能插座難以承載對大電流或大功率的需求、缺少對用電用戶總電能以及總電流的計量的不足。另外，WSN網關3還可以對各智能插座進行集中控制和操作，根據各電器的能耗情況制定更有效的節能降耗措施。以上對本實用新型實施例進行了詳細介紹，本文中應用了具體實施方式
對本實用新型進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本實用新型的系統及設備；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種具有電能計量功能的網關，用於將智能插座所採集的並且通過WSN網絡傳送的來自各個電器的用電信息以及網關自身所統計的用電信息進行WSN到WIFI的協議轉換，然後通過無線路由器接入到internet，再經由internet轉發給用電伺服器；以及接收由無線路由器轉發的來自用電伺服器的控制命令，將其進行WiFi到WSN的協議轉換，然後通過WSN 網絡轉發給相應的智能插座，由智能插座對相應的電器執行相應的控制操作，該網關包括電壓預處理、電流預處理、電能計量、CPU、WSN模塊、WiFi模塊以及電源，其中電壓預處理，採集入戶低壓電力線的電壓信號，並且對電壓信號進行濾波、分壓和調整處理，然後將所處理後的電壓信號傳送給電能計量；電流預處理，採集入戶低壓電力線上的電流信號，並且對其進行分流和調整處理，然後將所處理後的電流信號傳送給電能計量；電能計量，根據來自電壓預處理的電壓信號以及電流預處理的電流信號，計算出該低壓電力線上的總的電能值；CPU,為網關的運算與控制核心，控制電能計量來計量總的電能值、電壓和電流，以及控制WSN模塊以及WiFi模塊的通信；WSN模塊，網關通過WSN模塊與智能插座進行通信；WiFi模塊，網關通過WiFi模塊與無線路由器進行通信；電源，從220v低壓電力線中獲取電能，並且進行電壓轉換，提供網關的工作電源。
2.根據權利要求1所述的網關，其特徵在於，所述網關還進一步包括 紅外收發，用於紅外抄表機對網關的參數設置與命令操作；顯示器，用於顯示網關以及各智能插座統計的用電數據。
專利摘要本實用新型涉及用電用戶(居民用戶、商業用戶、行政用戶、工業用戶等)的電能計量技術領域，具體涉及一種具有電能計量功能的WSN網關。具有電能計量功能的WSN網關用於控制用電用戶內部各個智能插座的工作狀態，統計各個智能插座的電能計量參數，轉換WSN(Wireless Sensor Network，無線傳感器網絡)和WiFi(WiFi全稱Wireless Fidelity，又稱802.11b標準)協議，並將用電用戶的用電信息接入到Internet，從而通過根據該用電信息制定相應的節電措施從而達到節約能源和資源的目的。本實用新型的WSN網關包括電壓預處理、電流預處理、電能計量、顯示器、存儲器、ARM、紅外收發、WSN模塊以及WiFi模塊等電路組成。其中，智能插座採集各個電器的用電信息，並且通過WSN網絡，將這些用電信息傳送給所述網關，網關將來自各個智能插座的用電信息以及網關自身所統計的用電信息進行WSN到WIFI的協議轉換，然後通過無線路由器接入到internet，再經由internet轉發給用電伺服器；以及網關接收由無線路由器轉發的來自用電伺服器的控制命令，將其進行WiFi到WSN的協議轉換，然後通過WSN網絡轉發給相應的智能插座，由智能插座對相應的電器執行相應的控制操作。
文檔編號H04L12/66GK202135153SQ201120287238
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月9日 優先權日2011年8月9日
發明者孫毅, 崔維新, 楊春萍, 祁兵 申請人:北京華電信通科技有限公司