基于Internet的樓宇用電量監(jiān)控系統(tǒng)設計

彭桂力，沈 統(tǒng)，王首彬，陸 景

(1.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621010；2.天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300384；3.成都理工大學地質災害與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

基于Internet的樓宇用電量監(jiān)控系統(tǒng)設計

彭桂力1,2，沈 統(tǒng)1,3，王首彬2，陸 景1

(1.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621010；2.天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300384；3.成都理工大學地質災害與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

隨著社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高，便捷的智能化空間將成為人們的理想居住目標。用電量關系到居民的日常生活，因此，智能家居中的用電量監(jiān)控和電能質量分析非常重要。目前，主要采用無線抄表和人工抄表相結合的方式獲得樓宇用電量數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)對樓宇電量的監(jiān)測與分析，設計了一種基于Internet的樓宇電量的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集終端和WiFi無線傳輸模塊，其功能是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心。中心內搭建的Windows Server 2003和Apache網(wǎng)絡平臺，利用MySQL數(shù)據(jù)庫管理樓宇電量網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)已經(jīng)完成對樓宇用電量的采集及傳輸，并實現(xiàn)了樓宇的電量數(shù)據(jù)的管理和維護。該研究對智能家居的樓宇電能優(yōu)化控制具有一定的現(xiàn)實意義。

智能家居； 用電量； 監(jiān)控系統(tǒng)； 互聯(lián)網(wǎng)技術； MySQL數(shù)據(jù)庫； 電能質量

0 引言

在現(xiàn)代社會中，電力是必不可少的重要能源。作為二次能源，其不可再生，是各個國家的重要資源之一[1]。我國電力資源相對匾乏。近年來，我國提出了智能電網(wǎng)與階梯電價制度，使科學用電和節(jié)約用電的理念深入人心。如何合理利用電子現(xiàn)代化手段管理和控制電力資源，已經(jīng)越來越受到人們的重視；利用信息技術加強對電力資源和智能電網(wǎng)的合理利用與有效監(jiān)控也初顯成效[2]。

與此同時，由于居民對自己所消耗的電量有相應的知情權，供電局也需要對每一個用電單位的電量進行監(jiān)控[3]。因此，一種遠程電量監(jiān)控系統(tǒng)應運而生。該系統(tǒng)利用微電子傳感技術、單片機嵌入式技術和計算機網(wǎng)絡技術，通過Internet進行數(shù)據(jù)傳輸[4-5]，將電力用戶電量信息自動傳輸?shù)接嬎銠C中心進行存貯和處理，并生成所需的數(shù)據(jù)信息報表，以提高電網(wǎng)運行和管理的自動化水平。同時，居民可通過手機用戶端登錄Internet，查詢家庭用電情況[6-7]。

1 電量監(jiān)控系統(tǒng)主要服務軟硬件架構

本文基于Internet的供電系統(tǒng)電能質量的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，設計了電量監(jiān)控系統(tǒng)主要服務軟硬件架構。系統(tǒng)設計主要包括:采用WiFi無線傳輸技術進行數(shù)據(jù)傳輸，采用Windows Server 2003和Apache建立網(wǎng)絡平臺，采用MySQL數(shù)據(jù)庫管理供電網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)，采用多種計算機軟件對供電系統(tǒng)的電能質量進行仿真分析。電量監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電量監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)[8]。Windows Server 2003具有可用性、可伸縮性和安全性，是高度可靠的系統(tǒng)平臺。系統(tǒng)支持文件和打印機共享，提供安全的Internet連接，允許集中的應用程序部署，支持4個處理器，最低支持256 MB、最高支持4 GB的內存，可以實現(xiàn)常規(guī)的端口設置、密碼設置、登錄測試設置、遠程桌面登錄設置和加密遠程桌面連接等功能[9]。

系統(tǒng)架構中，底層服務程序是連接操作系統(tǒng)層和數(shù)據(jù)庫MySQL服務層的中間環(huán)節(jié)[10]。其功能是監(jiān)控傳入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉換為可以被MySQL使用的格式；同時，將轉換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)站服務程序，由MySQL數(shù)據(jù)庫層完成對數(shù)據(jù)的記錄。該底層服務程序由PHP程序搭建而成。與其他編程語言相比，PHP制作動態(tài)頁面的優(yōu)勢如下：PHP將程序嵌入到HTML文檔中執(zhí)行，執(zhí)行效率比完全生成HTML標記的CGI要高得多。PHP是Web服務器的1個模塊功能，用于保證Web服務器的安全。PHP、MySQL與Apache服務器的組合使用，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[11]。

上層服務程序采用Apache Http Server。它是Apache軟件基金會的1個開放源碼的網(wǎng)頁服務器[12]，可以在大多數(shù)計算機操作系統(tǒng)中運行。由于Apache Http Server可以應用于多個平臺，并具有較高的安全性能，所以被廣泛使用，是目前最流行的Web服務器端軟件之一。其服務程序支持多種編譯功能，大部分可以通過編譯模塊實現(xiàn)。

以下為編譯Apache過程。

將服務程序安裝在/sw/pkg/apache目錄下，指定一個特定的編譯器以及編譯參數(shù)，且允許今后將2個附加的模塊mod_rewrite和mod_speling通過DSO機制在運行時動態(tài)加載：

$ CC=‘pgcc’ CFLAGS=‘-O2’ .

/configure --prefix=/sw/pkg/apache

--enable-rewrite=shared

--enable-speling=shared

configure需要運行幾分鐘，以測試指定的功能在系統(tǒng)中是否有效，并建立稍后編譯時所需的大量Makefile文件。

2 前端及其服務程序設計

在樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)程序設計前，需要對系統(tǒng)的服務器環(huán)境進行配置，主要包括以Windows Server 2003為操作系統(tǒng)的底層服務程序和上層的服務程序2部分。上層的服務程序又分為Apache Http Server服務程序、MySQL數(shù)據(jù)庫服務程序、PHP服務程序3部分。Apache Http Server服務程序可以提供良好的Http網(wǎng)頁服務，MySQL數(shù)據(jù)庫服務程序可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理，PHP服務程序能夠生成可供瀏覽的動態(tài)頁面。它們的功能各不相同，但是相互之間存在數(shù)據(jù)傳輸，從而能完成整體的運行。

服務程序分為7個功能塊。用戶打開網(wǎng)站之后，首先實現(xiàn)登錄功能。系統(tǒng)會核對用戶名、密碼以及驗證碼。如果正確，則允許用戶登錄；否則，登錄失敗。登錄成功之后會在系統(tǒng)的session中寫入用戶名，管理員可以通過查看session，判斷用戶是否登錄成功。除登錄功能之外，服務程序還有以下功能：實時查看和查詢電量，用戶權限管理，房間電器狀態(tài)控制，房間電器電量歷史數(shù)據(jù)查詢以及用戶登錄控制等。

當系統(tǒng)登錄成功之后，進入歡迎界面。通過控制系統(tǒng)，可以顯示整個空間的總電量能耗，實現(xiàn)監(jiān)控服務功能。通過歡迎界面上的3D空間圖，用戶可以進入n個子空間，對子空間的電量進行監(jiān)控，并在服務界面上根據(jù)用戶需求添加服務。當完成對各個空間數(shù)據(jù)的查看和采集后，可以進行數(shù)據(jù)分析，并隨時結束服務。系統(tǒng)服務流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)服務流程圖

2.1 系統(tǒng)登錄頁面

在完整的系統(tǒng)中，能直接呈現(xiàn)給客戶的部分被稱為前端。本系統(tǒng)前端頁面采用html 4.0技術進行內容的展現(xiàn)。登錄界面設有簡潔、明了的用戶名稱、用戶密碼、校驗碼、登錄和注冊對話框。用戶可以先進行注冊，然后在此界面上輸入自己的用戶名、密碼和校驗碼，以進入系統(tǒng)。

2.2 登錄安全頁面

登錄界面采用了2個輸入框，有通用的輸入配置，可供用戶在任意瀏覽器中進行瀏覽。系統(tǒng)采用了js原始代碼來檢測用戶的輸入情況，使用戶需要通過輸入安全校驗碼進行登錄。安全校驗采用了驗證碼機制，保障了用戶安全， 使系統(tǒng)的安全性有了實質性的提升。

2.3 用戶注冊權限管理頁面

系統(tǒng)的用戶注冊權限頁面位于登錄之后，可以根據(jù)界面提示進行填寫，包括用戶名稱、密碼、確認密碼、權限和頭像。權限內容主要分為2級：①管理員，即數(shù)據(jù)庫中標注為權限1的用戶；②參觀者，即數(shù)據(jù)庫中標注為權限2的用戶。管理員具有最高的權限，可以開放給一個空間的管理者，并可以控制電量；參觀者只可以查看空間中的電量，但其權限級別還可以根據(jù)用戶需求進行添加。系統(tǒng)設置的首要任務是明確用戶責任，確保系統(tǒng)安全。因此，通過權限管理可以對系統(tǒng)進行擴充，完善系統(tǒng)的架構。本系統(tǒng)基于這方面考慮，也增加了權限管理功能。

2.4 監(jiān)控管理頁面

系統(tǒng)有1個總體的監(jiān)控管理頁面，可以直觀地觀察、了解整個建筑的結構。用戶界面中采用了3D房型圖結構，具有整個空間的全部房間以及可以控制的電器的列表，使用戶無需進行操作即可看到房屋內總體消耗電量的情況，并直觀地了解各個子空間里總體消耗電量的情況。目前，總體空間主要包括5個子空間頁面。用戶通過點擊進入子空間內部，還可以及時發(fā)現(xiàn)哪個子空間正在消耗電量，實現(xiàn)實時查詢。

同時，系統(tǒng)對每個子空間均創(chuàng)建了1個監(jiān)控頁面。用戶可以直接通過這些分頁面進行管理。這樣的設計，有利于用戶針對性的監(jiān)控，并且邏輯分明，不會出現(xiàn)控制錯誤或者找不到控制對象的情況。在每個分頁面中，可以直接顯示該子空間的用電情況，從而監(jiān)測每個用電器的用電情況。如果是權限2的用戶，只能觀察，并不能控制用電器；而權限1的用戶可以根據(jù)每個用電器的情況進行控制，實現(xiàn)遠程對用電器進行開關的功能，對耗電量大的設備進行遠程操控。

2.5 實時查詢電量頁面

在系統(tǒng)進行空間電量監(jiān)控時，用戶可以實時進入電量查詢頁面。用戶可以通過主頁面了解整體空間的實時消耗的總電量，并在子空間的分頁面上，對各個用電器進行電量查詢和控制。子空間界面中依次顯示空間中的各個用電器名稱、時間、電壓值、電流值和當前用電器的總功率值。

在每個用電器界面上，還存在2個標簽：“打開設備”和“關閉設備”。權限1的用戶可以根據(jù)自身需求對該用電器進行控制，如關閉暫時不用的或者耗電量大的用電器；而權限2的用戶則沒有該項控制功能。

2.6 樓宇電量歷史數(shù)據(jù)查詢頁面

系統(tǒng)的每個空間界面，還具有每個用電器的電量歷史數(shù)據(jù)查詢功能。該功能主要是為了滿足個別用戶對查詢某時間段電能消耗的需求。同時，對于管理者來說，也可以通過該功能更加精確地控制及監(jiān)管所有用電器的工作狀態(tài)，通過歷史數(shù)據(jù)分析用電器使用情況，延長用電器壽命。

用戶通過對每個用電器的歷史電量查詢，可以得到該用電器在過去不同時刻的電量值。該值對于今后的電能質量和優(yōu)化控制有著十分重要的作用。今后，科研人員可以基于對該電器設備的多個時間段用電量統(tǒng)計，利用分析軟件得到該電器實時的電能質量；也可進行優(yōu)化控制，分析出該用電器在哪個時段使用頻繁、哪個時段閑置，從而控制該電器的通斷，以滿足該電器的用電需求，實現(xiàn)優(yōu)化控制的目的。歷史查詢界面可供用戶隨時進行查詢，也可以通過excel文件進行導出、存儲。

2.7 樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)的應用及測試

目前，基于Internet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)只是在實驗室內進行了試驗，并安裝到實驗樓進行測試。利用實驗室內部的Internet進行了實驗室內部電量的采集和傳輸試驗。試驗結果表明，該系統(tǒng)可通過中央控制計算機準確采集電量數(shù)據(jù)，并能進行數(shù)據(jù)的查詢和初步分析，同時也可以簡單控制用電器的開關與調節(jié)。對系統(tǒng)軟件進行了調試，調試結果證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定工作了72 h，沒有掉線，基本滿足了系統(tǒng)開發(fā)設計要求。但在后續(xù)工作中，還要進一步優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)電量分析軟件，以配合該系統(tǒng)。

3 結束語

本文設計的基于Internet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)，主要為網(wǎng)頁控制的部分。通過網(wǎng)頁中設計的樓宇三維控制系統(tǒng)，只要能上網(wǎng)，用戶就可以隨時隨地看到房間的三維圖像，從而進行任意控制和查詢操作。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了用電設備的遠程監(jiān)控和開關功能。通過無線遠程控制系統(tǒng)，用戶可以隨時隨地控制自己的家用電器和設備，以節(jié)約能源。

采用無線Internet與傳統(tǒng)用電設備相結合，全新的數(shù)字化、無線化控制必將對人類的能源觀念和用電文化造成新的沖擊[13]。Internet技術將樓宇與人連接得更加緊密。基于Internet的樓宇電量監(jiān)控系統(tǒng)為樓宇電量數(shù)據(jù)分析處理、電能質量和優(yōu)化控制算法研究奠定了基礎。

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DesignoftheBuildingPowerConsumptionMonitoringSystemBasedonInternet

PENG Guili1,2,SHEN Tong1,3,WANG Shoubin2,LU Jing1

(1.Fudamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.School of Control and Mechanical Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

With the social development and the improvement of people’s living standards,the requirements of the living environment is also higher and higher,and a convenient intelligent space is becoming the ideal living target.Because the amount of electricity consumption is related to the daily life of the residents,monitoring electricity consumption and analyzing the quality of electric power energy are very important in smart home.At present,the method for getting data of building electricity consumption is mainly combining the wireless meter reading and manual meter reading.To implement monitoring and analyzing of building electricity,the Internet-based monitoring system of building electricity is designed.This system consists of data acquisition terminal and WiFi wireless transmission module.Its function is transmitting the collected data to control center,in which the Windows Server 2003 and Apache network platform is equipped,and by using MySQL database,the operation data of building electricity consumption are managed.Currently,the collection and transmission of the building electricity consumption data have been completed and the management and maintenance of the data are realized.The study will possesses certain practical significance in building electric energy optimization control of smart home.

Smart home; Power consumption; Monitoring system； Internet techonology; MySQL database; Power quality

修改稿收到日期:2017-07-19

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(41604153)、四川省科技廳應用基礎基金資助項目(2017JY0006)、核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室平臺基金資助項目(14tdhk03)

彭桂力(1981—)，男，碩士，講師，主要從事控制理論的研究、地質振動數(shù)據(jù)的處理和分析、嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和研制，E-mail:planepeople678@sina.com.cn

TH86;TP315

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712001