CN102709758A - 一种用于家居或物联网系统的智能插座 - Google Patents

Abstract

一种用于家居或物联网系统的智能插座，它包括CPU、电压互感器、电流互感器、计量模块、双向晶闸管、触发模块、RFID读写模块和Zigbee通信模块，所述计量模块通过电压互感器和电流互感器测量插座的交流电压和负载电流，其输出端接CPU的输入端口；所述晶闸管串接在插座的电源线上，所述触发模块的输入端接CPU的TXD/P3.1端口，输出端接晶闸管的栅极，所述RFID读写模块接CPU的RXD/P3.0端口，CPU通过Zigbee通信模块与智能终端通信。本发明能对单个用电设备进行实时监测，而且控制功能齐全，智能化程度高，特别适用于智能家居或物联网系统。

Description

一种用于家居或物联网系统的智能插座

技术领域

本发明涉及一种适用于智能家居或物联网系统的智能插座，属电连接器件技术领域。

背景技术

随着物联网产业的不断发展，智能家居的概念也逐渐深入人心，同时人们对于智能家居的智能化要求也与日俱增。要实现用电设备的智能化控制，智能插座必不可少。然而，目前市场上的智能插座功能不够完善，不能根据电力公司所提供的实时供电信息对不同类型和等级的用电设备做出不同优先级的区别化控制，也无法将单个用电设备的用电信息绑定上时标信息实时地反映给用户，让用户明明白白地消费。此外，现有的智能插座不能适应物联网的发展需求，不能通过自动识别、接入和实时监测单个用电设备将其变成智能家居中的物联网设备，因而也就无法让用户真切体会到物联网技术给生活带来的便利。

因此，开发一种能对单个用电设备进行实时监测，控制功能灵活多样，智能化程度高，能适应智能家居甚至是物联网系统发展的智能插座具有很强的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种能适应现代工业及家居发展要求的用于家居或物联网系统的智能插座。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种用于家居或物联网系统的智能插座，它包括CPU、电压互感器、电流互感器、计量模块、双向晶闸管、触发模块、RFID读写模块和Zigbee通信模块，所述计量模块通过电压互感器和电流互感器测量插座的交流电压和负载电流，其输出端接CPU的输入端口；所述晶闸管串接在插座的电源线上，所述触发模块的输入端接CPU的TXD/P3.1端口，输出端接晶闸管的栅极，所述RFID读写模块接CPU的RXD/P3.0端口，CPU通过Zigbee通信模块与智能终端通信。

上述用于家居或物联网系统的智能插座，构成中还包括LED显示模块和存储模块，所述LED显示模块接CPU的输出端口，所述存储模块的DIN和DOUT端分别接CPU的P1.3和P1.4端口。

上述用于家居或物联网系统的智能插座，所述触发模块包括单片机、地址锁存器、程序存储器、并行接口芯片和信号整形与放大模块，所述程序存储器接单片机的P2和P0端口，所述地址锁存器接单片机的P0端口和ALE口，其输出端与程序存储器相连，单片机P0端口输出的控制信号经信号整形与放大模块接晶闸管栅极；所述单片机的RXD端口接CPU的TXD端口，其INT0端口接同步电压信号。

本发明利用RFID读写模块读取用电设备电子标签中的信息，利用计量模块采集智能插座所控制的用电设备的用电信息，双向晶闸管用于控制加在物联网设备上的电压，Zigbee通信模块用于实现智能插座与智能终端之间的通信。本装置还可以对计量模块测量的电量信息绑定相关的电子标签编号和时标信息，实现单体用电设备用电信息的实时监测。

本发明能对单个用电设备进行实时监测，而且控制功能齐全，智能化程度高，特别适用于智能家居或物联网系统。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明的电原理框图；

图2为电原理图；

图3为触发模块的电原理图；

图4为本发明的用电设备接入流程图；

图5为本发明的工作流程图；

图6为本发明的晶闸管控制流程图；

图7为本发明的晶闸管调压控制的程序流程图；

图8为本发明的晶闸管周波通断控制的程序流程图。

图中各标号为：CPU、处理器；U1、Zigbee通信模块；U2、计量模块； U3、存储模块；U4、单片机；U5、地址锁存器；U6、程序存储器；U7、并行接口芯片；Z、负载；Q、晶闸管；PT、电压互感器；CT、电流互感器；CF、触发模块；RFID、电子标签读写模块；LED、显示模块；F、信号整形与放大模块。

具体实施方式

参看图1、图2，该智能插座包括CPU、Zigbee通信模块U1、计量模块U2、存储模块U3、RFID读写模块、双向晶闸管Q、触发模块CF、LED显示模块。

CPU与Zigbee通信模块U1、计量模块U2、RFID读写模块通过I/O端口电连接，双向晶闸管Q串接在交流电源上，用于实现用电设备的通断控制或电压控制，并且能通过外接的存储模块和显示模块分别实现用电信息的存储和更新显示。

本发明通过Zigbee无线网络与智能终端进行数据传输，Zigbee通信模块U1可以接收智能终端发出的信号并转发给CPU，也可以将CPU发送的数据转发给智能终端。

计量模块U2用于计量和分析用电设备的用电信息，当处理器接收到周期定时轮询信号时，计量模块U2中的用电信息便由处理器读取后发送给智能终端。

计量模块U2所测量的用电信息包括电压、电流、有功功率、无功功率、待机功率等信息，并对电量进行累加。将累加的电量信息绑定该时间段的时钟参数信息，以提供该时间段内的电量信息。将该时间段内的电量信息分门别类写入到存储模块U3的数据区地址段，以供查询和监测设备所用。

表1给出了单体物联网设备带时标电量信息的存储格式，数据代码首位为该单体物联网设备的电子标签（RFID）编号（全网中该编号唯一，以确保可准确表征全网的物联网设备），而将时间参数信息以十六进制方式写入数据代码的时间段内。数据段为该时间段内计量模块累加的电量信息。

表1 单体物联网设备带时标电量信息的存储格式

电子标签（RFID）编号

时间段

数据段

计量模块U2获得的用电信息数据量一般较大，处理器模块的内存空间无法满足要求。外接的存储模块U3用于存储计量模块U2采集到的用电信息。

双向晶闸管Q串接在交流电源上，其控制端（栅极）与触发模块CF电连接，触发模块CF发出的触发信号控制双向晶闸管Q的通断以及通断的时刻，从而控制用电设备回路电源的通断状态。RFID读写模块在用电设备接入时将其电子标签中的信息读入并通过处理器发送给智能终端。LED显示模块用于将处理器读取的用电信息周期性地更新显示。

参看图2和图3，CPU采用ATMEL 公司的AT89S52，Zigbee通信模块U1采用的是TI公司的CC2430，计量模块U2采用的是ADE7753，存储模块U3采用的是MAXIM公司的DS32C35，触发模块CF的单片机U4采用的是Intel公司的 8051。

Zigbee通信模块U1、计量模块U2、存储模块U3以及LED显示模块都通过I/O端口与CPU连接。

参看图3，单片机U4采用的是Intel公司的 8051，地址锁存器U5采用74LS373，程序存储器U6采用2764，并行接口U7采用8255。

程序存储器U6通过P2和P0端口与U4单片机连接，作为外部扩展的存储器用来存储控制程序。

地址锁存器U5通过P0端口和ALE口与单片机U4连接，且还与程序存储器U6相连，用于锁存P0口输出的低8位地址信号。

并行接口U7和信号整形与放大模块F配合使用，用于将P0端口输出的控制电信号转化为合适的触发脉冲并提供给双向晶闸管Q。

同步电压模块用于将220V的市电经过降压滤波后变成方波脉冲，为单片机U4提供所需的同步电压信号。

结合图4对用电设备的接入流程作如下的描述：

a．读写进入休眠；

b．检测是否允许设备插入，若允许，则转入步骤c；若不允许插入即已有设备插入，则返回步骤a;

c．监测是否有设备插入，若有，则转入步骤d；若没有，则发送‘设备已退出’标志并由LED显示，返回步骤a;

d．读写被激活；

e．读写发送查询信号；

f．若电子标签有数据返回给读写模块，则读入该数据并将其通过I/O端口传输给处理器模块，若无数据返回，则返回步骤e；

g．处理器通过Zigbee通信模块将信息转发给智能终端；

h．智能终端在Zigbee网络中接收发送给自己的数据，并提取出用电设备的负荷类型和负荷等级；

i．智能终端将提取出的信息与智能终端动态控制方案表进行匹配，若有效，则建立该用电设备与其控制方案之间的映射；若无效，则向插座发送‘错误，重新读入信息’标志，并由LED模块显示，返回步骤e；

j．向插座回传‘设备已接入’标志，并由LED模块显示，返回步骤a。

结合图5对基于物联网和晶闸管技术的单体监测灵活控制的智能插座的工作流程作如下的描述：

a．智能插座的初始化：

a-1．判断插座是否已接入Zigbee网络，若未接入，则返回步骤a；若已接入，则到达步骤a-2；

a-2．判断用电设备是否允许接入，若不允许接入，则到达步骤b；若允许接入，则转入用电设备接入程序，接入设备后再返回步骤a；

b．插座接收智能终端发送的信号；

c．处理器模块对接收到的信号进行解析比较；

d．若该信息为周期性的查询信号，则处理器读取存储器中的用电信息后将其发送给智能终端并通过LED模块更新显示，返回步骤a；

e．若该信息为控制指令，则对该指令进行操作码校验，若该指令正确，则处理器产生相应的控制信号；若该指令错误，则处理器发送‘错误，重传’标志并由LED显示错误，返回步骤a；

f．完成控制并发送‘完成’标志，并返回步骤a。

结合图6、图7和图8对晶闸管的控制作如下描述：

如图6所示为晶闸管控制的流程图，其步骤如下：

a．触发模块接收并解析处理器模块发送的控制指令；

b．验证该指令的操作码，若正确，则将二进制指令D7~D0中的D1D0提取出来；若错误，则向主处理器回传‘错误，重发’标志；

c．将D1D0进行判断，若为00，则触发模块不输出脉冲，让晶闸管不导通；若为11，则转入晶闸管的接通控制即采用触发延迟角为0的调压控制；若为10，则转入晶闸管的调压控制；若都不是，则转入晶闸管的周波通断控制。

所述的接通或断开控制适合用于洗衣机、电视机等启停型设备的控制。

所述的调压控制也即移相控制，适合用于照明、空调等调压型设备，具体实施如下：

从二进制指令中读取出触发延迟角，并将其变换成定时器所需的时间常数，在同步电压信号到来时，通过定时功能来延迟触发晶闸管，实现晶闸管的移相控制，从而改变受控设备的电压大小，继而也就控制了受控设备的功率输出。

如图7所示为调压控制的程序流程图，其步骤如下：

①．        进入中断程序后，关中断并保护现场；

②．        从二进制指令中读取触发延迟角，并计算时间常数Ta;

③．        将Ta写入定时器T1中；

④．        等待同步信号产生的中断，用同步信号中断启动定时器T1，让其开始定时；

⑤．        T1定时到，单片机输出相应的触发延迟脉冲；

⑥．        T1寄存器清0，恢复现场，并开中断，返回。

周波通断控制也即调功控制，适合用于电热暖气、电热锅等热惰型设备，具体实施如下：

利用单片机里的定时器T1对固定周期内的导通时间定时，即将读取到的周波数M变换成时间常数Tc并写入T1，同时，利用定时器T0产生循环周期为N个周波的脉冲来启动定时器T1工作，T1定时到，电路进入到导通期，通过改变周波数M的大小也就能改变晶闸管的输出功率，继而改变受控设备的功率输出。

如图8所示为周波通断控制的程序流程图，其步骤如下：

①．        进入中断程序，关中断并保护现场；

②．        从二进制指令中读取通断周波数，并计算时间常数Tc；

③．        将Tc写入定时器T1中；

④．        T1定时器开始定时；

⑤．        当T1定时到，等待同步中断，若中断来，则输出脉冲；若没来，则继续等；

⑥．        查看定时器T0定时是否已到，若未到，返回步骤⑤；若已到，则对T1寄存器清0；

⑦．        恢复现场，并开中断。

以上所述只是本申请的较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施方式的限制，对于本技术领域内的普通技术人员来说，其他的任何未背离本发明原理所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于家居或物联网系统的智能插座，其特征是，它包括CPU、电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、计量模块（U2）、双向晶闸管（Q）、触发模块（CF）、RFID读写模块和Zigbee通信模块（U1），所述计量模块（U2）通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）测量插座的交流电压和负载电流，其输出端接CPU的输入端口；所述晶闸管（Q）串接在插座的电源线上，所述触发模块（CF）的输入端接CPU的TXD/P3.1端口，输出端接晶闸管（Q）的栅极，所述RFID读写模块接CPU的RXD/P3.0端口，CPU通过Zigbee通信模块（U1）与智能终端通信。

2.根据权利要求1所述用于家居或物联网系统的智能插座，其特征是，它还包括LED显示模块和存储模块（U3），所述LED显示模块接CPU的输出端口，所述存储模块（U3）的DIN和DOUT端分别接CPU的P1.3和P1.4端口。

3.根据权利要求1或2所述用于家居或物联网系统的智能插座，其特征是，所述触发模块（CF）包括单片机（U4）、地址锁存器（U5）、程序存储器（U6）、并行接口芯片（U7）和信号整形与放大模块（F），所述程序存储器（U6）接单片机（U4）的P2和P0端口，所述地址锁存器（U5）接单片机（U4）的P0端口和ALE口，其输出端与程序存储器（U6）相连，单片机（U4）P0端口输出的控制信号经信号整形与放大模块（F）接晶闸管（Q）栅极；所述单片机（U4）的RXD端口接CPU的TXD端口，其INT0端口接同步电压信号。

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