基于物联网技术的用电管理系统设计

摘要：在互联网技术与物联网技术结合的情况下，可以利用各类无线传感器完成人和物、物与物之间的信息交互，构建用电管理系统，并通过各个无线传感器和监控设施实现智能用电监控和控制，结合监控数据进行合理调整，以便于达到节能的效果。因此，本文对基于物联网技术的用电管理系统设计进行探究，找到物联网智能用电管理系统设计方法，提高用电管理效果，希望为相关工作人员提高借鉴。

关键词：物联网技术；用电管理系统；设计 引言

科学技术日益提升的当下，互联网技术在各行各业的应用得到普及，为大众创造更好的生活条件，人们对居住环境要求不断提高。而想要满足人们的居住需求，打造智能化建筑，可以借助物联网技术构建智能化用电管理系统，以此保障建筑的用电系统实现智能化管理和调控，有利于电能的节约。同时，还可以利用通信技术辅助完成电信息采集工作以及利用互联网传递相关数据，为各项建筑工作管理提供便利条件，为建筑居住用户提供智能化服务。

一、相关理论概述 （一）物联网技术

物联网是信息技术发展水平达到一定程度下的技术产物，物联网主要是指各种类型的信息传感装置以及信息技术，在对于物体相关信息进行实时采集、监控之后，利用网络接入技术对物品进行感知，继而开展相应的管理措施。简而言之，物联网主要是指物体与物体相连接的互联网[1]。

物联网系统主要可以划分为整形感知功能、信息传递功能和智能处理功能。整形感知功能主要是指利用感知设备或是感知技术，对于物品的虚拟性状态进行感知，继而获取相关物体信息；信息传输功能主要知识利用互联网技术或是无线网络技术，对感知获取的物品信息进行高效率传输交流，而这一功能的应用就涉及到了通信技术的应用价值；智能处理功能主要是对获取到的物品信息进行分析处理，借助智能化的控制手段对物品的具体状态进行调节，确保物品始终保持在良好状态环境下。

物联网技术作为现代网络技术的主要组成部分，在各个行业领域中都进行了大范围的使用，不仅改善了人们的生产和生活状态，同时物联网技术也展现了强大的发展潜力。在农业、物流业、交通领域、建设领域等，物联网技术的应用大大提高了行业领域的自动化发展水平。在十三五技术中明确指出了发展物联网的必要性，为此我国相关部门制定出台了一系列的政策法律，为物联网技术发展提供良好的外部条件，使得我国物联网技术逐渐成熟。如今，由于物联网技术的蓬勃发展，物联网技术也已普遍的运用到了行业之中，特别是智能建筑的用电管理系统设计中物联网技术的运用十分广泛。通过在用电管理系统的各个环节中利用物联网技术，从而达到了整个用电管理系统的自动化运行以及能源消耗管理，实现节约用电的目的。

（二）物联网智能用电系统技术特点 1.性能比较高

目前，我国智能终端性的应用伴随计算机技术的发展不断普及，而且智能终端系统的应用的发展趋势在不断扩大，基于此，智能终端系统的实际应用要

求随之提高，使之应用性能提高，便于为使用者带来较好的应用体验和应用功能。

2.集成化程度高

由物联网技术设计的用电管理系统由于需要在较小的集成板上设计更多元器件，因此必须有非常好的集成度，这不但可以合理限制整个智慧用电管理系统终端的长度，同时还能够使整个设计流程的复杂性大大减少，使供电系统的实用性和可靠性都大大地提高[2]。

3.功耗比较小

目前，部分智能用电系统的终端想要正常运行，需要使用电池供电，从而导致用电系统的功法非常敏感。为此，想要保障智能用电系统的终端正常工作，需要保障处理器功耗较小。

二、基于物联网技术的用电管理系统设计

（一）用电系统设计的整体方案

在整体设计应用物联网技术的用电系统时，必须将网络技术作为设计的前提，以便于实现各种数据交互，使建筑内的各种电气设施连接成一个完整。之后通过监测装置、各种感应器将整个电气设备的能耗状况和运行状况的数据加以收集，利用LAN通信网络将收集的数据传送给综合中心。接着在通过总控制中心全面分析设备的历史消耗情况，结合实际情况制定合理自动化控制措施或人工控制措施。想要实现这些设计要求，可以将物联网用电管理系统的整体架构分为无线传感网络、网络传递通道、控制中心三部分。第一，无线传感网络。用无线传感网部分主要有无线环境参数检测节点、房间控制器、无线智能电源插座、无线智能开关构成，而且用电管理系统中的无线传感器可以直接对

整个建筑物的供电状况进行监控，之后再把监测数据向控制中心传输。第二，网络传递通道。一般会由LAN网络和智能网关构成，在信息传输过程中会利用TCP/IP通信技术完成各种信息的传输，还会将控制中心下达的命令回传到各无线传感网络。第三，控制中心。该部分主要有监控客户端和应用服务器组成，其能够对无线传感器收集的各种电气设备使用信息进行保存，还可以利用监控客户端下达调控命令，实现物联网用电管理系统的控制作用。

（二）物联网用电系统各功能模块的设计 1.ZigBee网络技术的应用

ZigBee网络是在IEEE802.15.4网络协议的基础上发展演变而来的一个新协议规范，它具备了功耗较小、无线数据传输的稳定安全性较好、节点选择容易、良好的可靠性等特征，对各种网络设备和路由器具有很高的相容性，从而建立无线传感系统。基于物联网技术的用电管理系统，可以利用ZigBee网络技术可以将智能无线网络中无线智能开关、无线智能插座房间控制器等形成的无线网络连接在一起，达到各种设备信息的交互。此外，抗干扰能力也是主ZigBee网络的重要优势，由于网络功能在大楼内日益扩大，对各种信息交换都很易造成干扰，而主ZigBee网络技术能够在一点三频带内利用二十七条信道进行传输，而且传递的速率在300Kbps以上，而这个传输效率也可以适应物联网供电管理的需要[3]。目前，使用ZigBee网络技术的物联网用电管理系统的工作模式为可以进行对室内环境参数和系统数据的远程数据采集，然后再将所收集的数据经由ZigBee联网技术传输给无线智能网关，然后将数据再采用LAN的通讯方式上传到客户端。使用者在对供电系统实际使用时，能够使用TCP/IP通

讯实时检测当前建筑物室内、户外的环境参数和设施当前状况，并由此完成了对基于物联网技术的建筑物智能供电系统的现场监测及其相关管理。

2.无线环境监测节点的设计

基于物联网技术的用电管理系统的无线环境监测节点属于较为先进的设施，而一般的无线环境监测节点则主要是由有感知模块、处理器模块、无线通信模块等组成，主要用于监控整个系统。有感知模块主要是利用无线温度传感器、烟雾传感器、二氧化碳检测等设备监测用电设备的光照、电力和温度等内容。无线环境监测节点设计中处理器模块的选用非常关键，应该对处理器的能耗、功耗以及体积等因素全面考量，要保证处理器性能好、能耗小、功耗低才能实现节约电能的目的。另外，在选用了处理器后，应配套使用的软件，使用ATmega8L芯片可以使用ICCAVR集成开发环境进行程序编写和编译，以实现处理器的运行。至于无线通信模块则直接使用ZB网络技术进行架构，即可实现无线环境检测节点的设计要求。

3.无线智能开关的设计

相较于普通的电力开关，无线智能开关工作主要依靠传感器掌握电气设备的开关情况。物联网用电管理系统中合理设计无线智能开关，能够代替现有的墙壁开关，同时还可以促进各个开关之间的转化，最为关键的就是借助无线设备与相关模块构建无线控制网络。物联网用电管理系统使用者可以借助无线智能开关远程操控各个电气设备，并查看电气设备的实时状况，有效提高用户用电的安全性，并达到节约用电的目的。另外，在设计无线智能开关时，可以模拟开关利用智能终端发布指令控制电路，能够非常便利地打开电器开关或关闭

开关。无线智能开关的照明控制系统通常采用光耦控制双向可控硅类型的控制电路，确保了系统的安全性与稳定性。

4.无线智能插座的设计

在无线智能插座的设计过程中，它主要用于控制电器设备的关机。用户可以借助无线智能插座达到与电气设备连接，在使用建立成功的模块将物与物之间进行联通，从而传输各类信息和命令的传递以及控制电气设备的开关。例如，用户通过无线智能插座能够完成排风扇的自动开启、电脑的网络访问、电气设备的充电管理等[4]。由此可见，无线智能插座的设计具有电气设备控制和电量测量充电功能，以此保障点线路的安全性

5.智能网关的设计

在设计物联网用电管理系统中的智能网关时，需要良好的连接无线传感器网络协议和以太网的协议，完成值了方用电管理系统平台，为一系列智能操作提供良好的条件。智能网关应用在用电系统建设中比较常见，通常是由无线收、发网络接口、MCU模块、电源模块构成。

6.合理设计房间控制器

房间控制器对于物联网用电管理系统非常关键，可以对房间电气设备进行有效管理，提高电气设备的使用效率。在设计房间控制器时，应以物联网技术为基础，利用触摸屏和可视化界面实施系统操作。在房间控制器实际操作期间，能够借助操作页面实现监控能耗的监测节点状态、用户管理、经营模式设定等功能。比方说，用户在房间内可以借助可视化界面查看温湿度、光照情况和二氧化碳情况，之后结合房间情况使用电气设备，提高房间内环境的舒适度。同时，用户根据自身对房间环境的需求，选择性地调整室内电气设备和灯

光。另外，用户在室外时，可以透过操作界面对室内电气设备进行管理，从而减少和不再出现忘记关灯的现象。基于物联网技术的用电管理系统为人们提供了更加智能化的生活方式，使得人们对舒适安全的居住环境需求得到满足，同时，物联网技术在房间控制器中应用，能够有效控制和管理电气设备，降低能耗的损耗，将电力能源的利用率提升。

三、基于物联网技术的用电管理系统实施的过程

目前，基于物联网技术的用电管理系统的具体实施过程只要分为三个阶段，主要有采集管理、分析评估和决策。

第一，采集阶段。在将设备功率、功能、电价、面积以及人员等基本数据信息在物联网用电管理系统中录入后，可以对用电管理系统的内外部初始数据进行采集，主要是通过采集各个供电区域内分布式能耗和供电设施人员的各种数据，包括电力设备的工作日期、状态、压力、流量等，另外还要对供暖设施的运营信息以及气温、光照等条件信息进行收集。上述分散收集的信息既可在供电的本地进行存储，也可以通过借助网络传输到服务器端，然后根据一定的规律保存，以便于后期为分析评估使用。

第二，分析评估阶段。在对电力环节和过程实施评价时，可根据在信息系统中记录的大量静态基础术数、信息采集阶段所获取的大量实际电力数据以及环境数据、历史数据等进行大数据分析，并规划和计算各类用能模式，进行设备数据分析、能源分析、相关统计分析等工作。其中，设备分析主要有对电气设备的工作状况检查、设备异常检查、对电气设备管理分析、对设备效益分析等。而能源分析工作重点涉及分析供电成本、分析能源消费、分析供电质量和分析环境的影响等内容[5]。统计工作主要为设备单耗数据、用能数据统计与分

析、用能消费预测等。所收集和分析评估的数据，均可利用客户端服务进行信息检索以及报告统计与分析。

第三，决策阶段。基于物联网技术的用电管理系统具体实施期间，决策阶段的工作主要依托于分析评估阶段的结果，对设备和用电环境等多种因素做出综合考虑，并进行对设备电能品质的全面检测，形成能源消耗评估系统，进而借助设备用能管理进行技术设计与改造节电的系统工程。决策阶段主要包括使用较高效率装置代替高能耗装置等，为减少设备用电量要改善供电环境，如照明系统等，并利用分时段电费政策降低电费的开支，较少不必要的供电装置可以开启等。另外，智能用电管理系统决策阶段也要制定用电计划，并贯彻落实计划，将供电控制参数配置，自动控制供电设施及其辅助器具的启动、关停，控制设施的工作状况。比如说，通过把门窗开启，加大了房间的照明量，从而减小了照明设备的使用，并随着温度的不同调整了电器的输出功率实现了用电系统的有效操作。这些操作都可以在智能用电管理系统的客户端手动完成。建设用电评估系统，根据智慧供电功能进行包含节电减排内容的经济性、社会效益衡量和评价，对节电服务功能进行客观独立的评估，还成为作用电价情况评估的基础。

四、基于物联网技术的用电管理系统的应用

用电管理系统在应用物联网技术后，可以更好地满足居民以及一些客户节能环保需求，基于物联网技术的用电管理系统利用不断完善的传感器技术、能力用电技术、云计算技术、大数据分析技术等获得良好的发展机会。物联网用电管理系统中的传感器可以实现对用户电气设备和辅助设备数据的采集，有利于实时监控电能，并完成电能的计量和分析。基于此，利用网络技术、云计算

和大数据分析等手段，人们可以通过智能手机等桌面终端可以对设备使用状态进行信息获取、定时开关、远程控制、能源管理、制订节电方案等，从而促进了智慧家庭的开展。使用者能够及时掌握供电状态，有效管理能源的利用。本装置适合于国家、院校、单位、企事业单位等有节能要求和供能控制的场合，还可以用作电能供应的现场供电检测的手段[6]。

依托本网络系统可进行电能与使用的双向交换，并及时发布预警使用电量、电费等信息，并及时发布预警性的电力品质信息，以准确解析电能设备运行状况，并提出和执行节电方案。通过对用电客户供电数据的分析，不但可以准确掌握客户的供电情况，同时分析了市场供电趋势，从而合理安排了供电规划，有效促进了电能替代项目的开展，并且还可以及时处理与供电业务相关的问题，从而提高了优质服务水平。

利用平台的大数据分析和管理技术，节能服务商可有针对性地选择有节能需要的企事业单位，实时反映有关企事业单位节能的数据，并进行大数据分析，从而形成面向公众的节能信息公众数据库，在进行节能咨询的同时，也获得了节能企业的投资回报。

结束语

随着人们智能化生活需求以及住户节能环保需求的提升，需要用电管理系统需要不断创新与升级，因此，用电管理系统设计人员，将物联网技术在用电管理系统设计中合理应用，使得用电管理系统朝着智能化发展，不仅可以节约电能，而且能够提高电气设备使用的安全性，为居民提供安全舒适的生活环境。