基于Internet的楼宇用电量监控系统设计

彭桂力，沈 统，王首彬，陆 景

(1.西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010；2.天津城建大学控制与机械工程学院，天津 300384；3.成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

基于Internet的楼宇用电量监控系统设计

彭桂力1,2，沈 统1,3，王首彬2，陆 景1

(1.西南科技大学核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010；2.天津城建大学控制与机械工程学院，天津 300384；3.成都理工大学地质灾害与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，便捷的智能化空间将成为人们的理想居住目标。用电量关系到居民的日常生活，因此，智能家居中的用电量监控和电能质量分析非常重要。目前，主要采用无线抄表和人工抄表相结合的方式获得楼宇用电量数据。为实现对楼宇电量的监测与分析，设计了一种基于Internet的楼宇电量的监控系统。该系统主要包括数据采集终端和WiFi无线传输模块，其功能是将采集到的数据传输至控制中心。中心内搭建的Windows Server 2003和Apache网络平台，利用MySQL数据库管理楼宇电量网络运行数据。该系统已经完成对楼宇用电量的采集及传输，并实现了楼宇的电量数据的管理和维护。该研究对智能家居的楼宇电能优化控制具有一定的现实意义。

智能家居； 用电量； 监控系统； 互联网技术； MySQL数据库； 电能质量

0 引言

在现代社会中，电力是必不可少的重要能源。作为二次能源，其不可再生，是各个国家的重要资源之一[1]。我国电力资源相对匾乏。近年来，我国提出了智能电网与阶梯电价制度，使科学用电和节约用电的理念深入人心。如何合理利用电子现代化手段管理和控制电力资源，已经越来越受到人们的重视；利用信息技术加强对电力资源和智能电网的合理利用与有效监控也初显成效[2]。

与此同时，由于居民对自己所消耗的电量有相应的知情权，供电局也需要对每一个用电单位的电量进行监控[3]。因此，一种远程电量监控系统应运而生。该系统利用微电子传感技术、单片机嵌入式技术和计算机网络技术，通过Internet进行数据传输[4-5]，将电力用户电量信息自动传输到计算机中心进行存贮和处理，并生成所需的数据信息报表，以提高电网运行和管理的自动化水平。同时，居民可通过手机用户端登录Internet，查询家庭用电情况[6-7]。

1 电量监控系统主要服务软硬件架构

本文基于Internet的供电系统电能质量的监测与分析系统，设计了电量监控系统主要服务软硬件架构。系统设计主要包括:采用WiFi无线传输技术进行数据传输，采用Windows Server 2003和Apache建立网络平台，采用MySQL数据库管理供电网络运行数据，采用多种计算机软件对供电系统的电能质量进行仿真分析。电量监控系统框图如图1所示。

图1 电量监控系统框图

系统主要采用Windows Server 2003操作系统[8]。Windows Server 2003具有可用性、可伸缩性和安全性，是高度可靠的系统平台。系统支持文件和打印机共享，提供安全的Internet连接，允许集中的应用程序部署，支持4个处理器，最低支持256 MB、最高支持4 GB的内存，可以实现常规的端口设置、密码设置、登录测试设置、远程桌面登录设置和加密远程桌面连接等功能[9]。

系统架构中，底层服务程序是连接操作系统层和数据库MySQL服务层的中间环节[10]。其功能是监控传入系统的数据，并将数据转换为可以被MySQL使用的格式；同时，将转换的数据传输到网站服务程序，由MySQL数据库层完成对数据的记录。该底层服务程序由PHP程序搭建而成。与其他编程语言相比，PHP制作动态页面的优势如下：PHP将程序嵌入到HTML文档中执行，执行效率比完全生成HTML标记的CGI要高得多。PHP是Web服务器的1个模块功能，用于保证Web服务器的安全。PHP、MySQL与Apache服务器的组合使用，确保了系统的稳定运行[11]。

上层服务程序采用Apache Http Server。它是Apache软件基金会的1个开放源码的网页服务器[12]，可以在大多数计算机操作系统中运行。由于Apache Http Server可以应用于多个平台，并具有较高的安全性能，所以被广泛使用，是目前最流行的Web服务器端软件之一。其服务程序支持多种编译功能，大部分可以通过编译模块实现。

以下为编译Apache过程。

将服务程序安装在/sw/pkg/apache目录下，指定一个特定的编译器以及编译参数，且允许今后将2个附加的模块mod_rewrite和mod_speling通过DSO机制在运行时动态加载：

$ CC=‘pgcc’ CFLAGS=‘-O2’ .

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

--enable-rewrite=shared

--enable-speling=shared

configure需要运行几分钟，以测试指定的功能在系统中是否有效，并建立稍后编译时所需的大量Makefile文件。

2 前端及其服务程序设计

在楼宇电量监控系统程序设计前，需要对系统的服务器环境进行配置，主要包括以Windows Server 2003为操作系统的底层服务程序和上层的服务程序2部分。上层的服务程序又分为Apache Http Server服务程序、MySQL数据库服务程序、PHP服务程序3部分。Apache Http Server服务程序可以提供良好的Http网页服务，MySQL数据库服务程序可以实现数据的存储和管理，PHP服务程序能够生成可供浏览的动态页面。它们的功能各不相同，但是相互之间存在数据传输，从而能完成整体的运行。

服务程序分为7个功能块。用户打开网站之后，首先实现登录功能。系统会核对用户名、密码以及验证码。如果正确，则允许用户登录；否则，登录失败。登录成功之后会在系统的session中写入用户名，管理员可以通过查看session，判断用户是否登录成功。除登录功能之外，服务程序还有以下功能：实时查看和查询电量，用户权限管理，房间电器状态控制，房间电器电量历史数据查询以及用户登录控制等。

当系统登录成功之后，进入欢迎界面。通过控制系统，可以显示整个空间的总电量能耗，实现监控服务功能。通过欢迎界面上的3D空间图，用户可以进入n个子空间，对子空间的电量进行监控，并在服务界面上根据用户需求添加服务。当完成对各个空间数据的查看和采集后，可以进行数据分析，并随时结束服务。系统服务流程如图2所示。

图2 系统服务流程图

2.1 系统登录页面

在完整的系统中，能直接呈现给客户的部分被称为前端。本系统前端页面采用html 4.0技术进行内容的展现。登录界面设有简洁、明了的用户名称、用户密码、校验码、登录和注册对话框。用户可以先进行注册，然后在此界面上输入自己的用户名、密码和校验码，以进入系统。

2.2 登录安全页面

登录界面采用了2个输入框，有通用的输入配置，可供用户在任意浏览器中进行浏览。系统采用了js原始代码来检测用户的输入情况，使用户需要通过输入安全校验码进行登录。安全校验采用了验证码机制，保障了用户安全， 使系统的安全性有了实质性的提升。

2.3 用户注册权限管理页面

系统的用户注册权限页面位于登录之后，可以根据界面提示进行填写，包括用户名称、密码、确认密码、权限和头像。权限内容主要分为2级：①管理员，即数据库中标注为权限1的用户；②参观者，即数据库中标注为权限2的用户。管理员具有最高的权限，可以开放给一个空间的管理者，并可以控制电量；参观者只可以查看空间中的电量，但其权限级别还可以根据用户需求进行添加。系统设置的首要任务是明确用户责任，确保系统安全。因此，通过权限管理可以对系统进行扩充，完善系统的架构。本系统基于这方面考虑，也增加了权限管理功能。

2.4 监控管理页面

系统有1个总体的监控管理页面，可以直观地观察、了解整个建筑的结构。用户界面中采用了3D房型图结构，具有整个空间的全部房间以及可以控制的电器的列表，使用户无需进行操作即可看到房屋内总体消耗电量的情况，并直观地了解各个子空间里总体消耗电量的情况。目前，总体空间主要包括5个子空间页面。用户通过点击进入子空间内部，还可以及时发现哪个子空间正在消耗电量，实现实时查询。

同时，系统对每个子空间均创建了1个监控页面。用户可以直接通过这些分页面进行管理。这样的设计，有利于用户针对性的监控，并且逻辑分明，不会出现控制错误或者找不到控制对象的情况。在每个分页面中，可以直接显示该子空间的用电情况，从而监测每个用电器的用电情况。如果是权限2的用户，只能观察，并不能控制用电器；而权限1的用户可以根据每个用电器的情况进行控制，实现远程对用电器进行开关的功能，对耗电量大的设备进行远程操控。

2.5 实时查询电量页面

在系统进行空间电量监控时，用户可以实时进入电量查询页面。用户可以通过主页面了解整体空间的实时消耗的总电量，并在子空间的分页面上，对各个用电器进行电量查询和控制。子空间界面中依次显示空间中的各个用电器名称、时间、电压值、电流值和当前用电器的总功率值。

在每个用电器界面上，还存在2个标签：“打开设备”和“关闭设备”。权限1的用户可以根据自身需求对该用电器进行控制，如关闭暂时不用的或者耗电量大的用电器；而权限2的用户则没有该项控制功能。

2.6 楼宇电量历史数据查询页面

系统的每个空间界面，还具有每个用电器的电量历史数据查询功能。该功能主要是为了满足个别用户对查询某时间段电能消耗的需求。同时，对于管理者来说，也可以通过该功能更加精确地控制及监管所有用电器的工作状态，通过历史数据分析用电器使用情况，延长用电器寿命。

用户通过对每个用电器的历史电量查询，可以得到该用电器在过去不同时刻的电量值。该值对于今后的电能质量和优化控制有着十分重要的作用。今后，科研人员可以基于对该电器设备的多个时间段用电量统计，利用分析软件得到该电器实时的电能质量；也可进行优化控制，分析出该用电器在哪个时段使用频繁、哪个时段闲置，从而控制该电器的通断，以满足该电器的用电需求，实现优化控制的目的。历史查询界面可供用户随时进行查询，也可以通过excel文件进行导出、存储。

2.7 楼宇电量监控系统的应用及测试

目前，基于Internet的楼宇电量监控系统只是在实验室内进行了试验，并安装到实验楼进行测试。利用实验室内部的Internet进行了实验室内部电量的采集和传输试验。试验结果表明，该系统可通过中央控制计算机准确采集电量数据，并能进行数据的查询和初步分析，同时也可以简单控制用电器的开关与调节。对系统软件进行了调试，调试结果证明，该系统稳定工作了72 h，没有掉线，基本满足了系统开发设计要求。但在后续工作中，还要进一步优化系统，开发电量分析软件，以配合该系统。

3 结束语

本文设计的基于Internet的楼宇电量监控系统，主要为网页控制的部分。通过网页中设计的楼宇三维控制系统，只要能上网，用户就可以随时随地看到房间的三维图像，从而进行任意控制和查询操作。同时，该系统实现了用电设备的远程监控和开关功能。通过无线远程控制系统，用户可以随时随地控制自己的家用电器和设备，以节约能源。

采用无线Internet与传统用电设备相结合，全新的数字化、无线化控制必将对人类的能源观念和用电文化造成新的冲击[13]。Internet技术将楼宇与人连接得更加紧密。基于Internet的楼宇电量监控系统为楼宇电量数据分析处理、电能质量和优化控制算法研究奠定了基础。

[1] 施惠冬.电量监控技术的现状与发展趋势[J].低压电器,2008(11):47-49.

[2] 陈莉,张宏立,张瑞明.基于LabWindows/CVI的电能质量分析仪[J].自动化仪表,2011,32(7):59-60.

[3] 陈文升,刘波.新能源发电并网中电能质量分析与评估方法[J].电力与能源,2014(2):214-217.

[4] 童晓渝,房秉毅,张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信,2010(9):5-11.

[5] 张雄希.远程电量监控系统的研发与开发[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[6] 何小艇.电子系统设计[M].杭州:浙江大学出版社,2001:42-60.

[7] 韩梦娟.公共建筑远程电量监控系统的设计与实现[D].大连：大连理工大学,2009.

[8] 张宾,杨家海,吴建平.Internet流量模型分析与评述[J].软件学报,2011(1):115-131.

[9] MA Y.The design and application of intelligent electrical outlet for campus’s electricity saving and emission reduction[J].Journal of Computers,2012,7(7):1696-1703.

[10]俞文俊,凌志浩.一种物联网智能家居系统的研究[J].自动化仪表,2011,32(8):56-59.

[11]RINGBAUER B,FRANK H.Usability von smart home user interfaces-herausforderungen und lösungsansätze(smart home usability-challenges and solutions)[J].i-com,2006,5(1):24-33.

[12]郭爽,梁清华,李洪博.基于以太网的多功能电量监控系统研制[J].电气自动化,2008(4):55-57.

[13]李业龙.面向“绿色校园”的电能监控系统设计与实现[D].长沙:湖南大学,2013.

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

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(41604153)、四川省科技厅应用基础基金资助项目(2017JY0006)、核废物与环境安全国防重点学科实验室平台基金资助项目(14tdhk03)

彭桂力(1981—)，男，硕士，讲师，主要从事控制理论的研究、地质振动数据的处理和分析、嵌入式系统的开发和研制，E-mail:planepeople678@sina.com.cn

TH86;TP315

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712001