CN104201515A - 一种远程智能插座 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远程智能插座，本发明所采用的技术方案为包括主控单元，主控单元分别电路连接第一电源单元、电流采集单元、存储单元、实时时钟单元、WIFI模块和功率输出单元，第一电源单元电路连接第二电源单元，第二电源单元电路连接功率输出单元。通过Android客户端就可以实现远程控制插座供电。

Description

一种远程智能插座

技术领域

本发明属于智能插座设计领域，涉及一种远程智能插座。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”，其中智能家居是物联网的一部分。

随着人们生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求不断提高，方便快捷是人们永恒追求的目标。在家居娱乐和电器控制方面，智能家居有突出表现，包括背景音乐系统、数字网络客厅、家居综合布线、灯光控制和电器控制等功能在内的系统，使人们的生活从各个方面变得更加安全、舒适、简单。

目前市场上，智能家居的主要接受人群仍然是一部分高端人群。业内人士认为，阻挠智能家居发展脚步的主要是价格和消费理念两方面的原因。智能家居还属于高档消费，一套系统要几万元不等。尽管接受度和认同度与以前相比已经大有提高，但仍主要局限于买别墅的高端人群和热爱生活、享受生活的年轻白领一族。但是近年来，智能家居的普及度正在慢慢提高，随着国外同行业产品不断涌入我国，以及与国内智能家居行业的竞争加剧，客观上逐渐加大了宣传力度，并产生互补。今后我国的智能家居应走品质与服务并重的路线，未来智能家居发展前景广阔。

2013年前三季度，我国网民数量达6.08亿，互联网普及率45.4％，基于以上分析，以及通用性方面的考虑，本发明设计了基于深联华单片机的无线智能插座。安装了ADSL宽带的用户简单设置路由器以后就可以将插座接入互联网，通过Android客户端就可以实现远程控制。该插座有四个单独插座，用户可以根据需求将需要控制的电器插到插座上。每个单独的插座都可以单独设定开启和关闭，也可以设定定时开启或者定时关闭，同时无线智能插座还有过流保护的功能，通过Android客户端设定插座最大额定功率(四个单独插座的总功率)，如果实际额定功率大于设定额定功率时四个单独插座全部关闭，同时关闭定时功能，这样就能防止过流烧毁线路，避免更大的损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远程智能插座，通过Android客户端就可以实现远程控制插座供电。

本发明所采用的技术方案为包括主控单元，主控单元分别电路连接第一电源单元、电流采集单元、存储单元、实时时钟单元、WIFI模块和功率输出单元，第一电源单元电路连接第二电源单元，第二电源单元电路连接功率输出单元。

进一步，所述第二电源单元连接外部的220V交流电供给功率输出单元，并且还将220V交流电转换成12V直流提供给第一电源单元。

进一步，所述第一电源单元将所述第二电源单元提供的12V直流电源转换成正负5V，分别为主控单元、电流采集单元、存储单元、实时时钟单元、WIFI模块供电。

进一步，所述功率输出单元设计为插座的几个插孔，功率输出单元接收主控单元的控制信号，控制插座插孔接通或断开与第二电源单元的的连接，为连接插座插孔的电器提供220V电源。

进一步，所述电流采集单元用来采集功率输出单元的电流信号，然后将电流信号输入给控制单元，用于电流检测，防止过流。

进一步，所述控制单元对电流采集单元采集的信号、实时时钟单元的时钟信号进行处理，将功率输出单元的状态存储至存储单元中，并接收WIFI模块的指令，发出控制信号给功率输出单元。

进一步，所述存储单元用来保存功率输出单元的四个单独插座的状态，系统下次上电的时候就会从存储单元读取数据。

进一步，所述实时时钟单元为定时功能提供时钟信号，同时这个单元有备用电池保证系统掉电后时钟单元正常计时。

进一步，所述WIFI模块负责插座和外部的无线路由的通信，使用之前将WIFI模块的端口号在无线路由上做端口映射，这样就能实现远程控制。

进一步，手机客户端是基于Android系统的，可以通过无线路由向智能插座发送指令，智能插座接收到指令后执行相应的操作，同时通过无线路由向手机客户端返回数据。

附图说明

图1是本发明一种远程智能插座结构示意图；

图2是本发明控制单元电路原理图；

图3为本发明时钟电路电路原理图；

图4为本发明数据存储电路原理图；

图5为本发明wifi模块部分电路原理图；

图6为本发明系统供电电路原理图；

图7为本发明系统电源转换电路原理图；

图8为本发明电流采集电路原理图；

图9为本发明220V输出电路原理图；

图10为本发明开关及电源指示电路原理图；

图11为本发明程序执行流程图。

图中，1.主控单元，2.第一电源单元，3.电流采集单元，4.存储单元，5.实时时钟单元，6.WIFI模块，7.功率输出单元，8.第二电源单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种远程智能插座，其特征在于：包括主控单元1，主控单元1分别电路连接第一电源单元2、电流采集单元3、存储单元4、实时时钟单元5、WIFI模块6和功率输出单元7，第一电源单元2电路连接第二电源单元8，第二电源单元8电路连接功率输出单元7。

第二电源单元8连接外部的220V交流电供给功率输出单元7，并且还将220V交流电转换成12V直流提供给第一电源单元2；

第一电源单元2将第二电源单元8提供的12V直流电源转换成正负5V，分别为主控单元1、电流采集单元3、存储单元4、实时时钟单元5、WIFI模块6供电；

功率输出单元7设计为插座的几个插孔，功率输出单元7接收主控单元1的控制信号，控制插座插孔接通或断开与第二电源单元8的的连接，为连接插座插孔的电器提供220V电源；

电流采集单元3用来采集功率输出单元7的电流信号，然后将电流信号输入给控制单元，用于电流检测，防止过流；

控制单元1对电流采集单元3采集的信号、实时时钟单元5的时钟信号进行处理，将功率输出单元7的状态存储至存储单元4中，并接收WIFI模块6的指令，发出控制信号给功率输出单元7；

存储单元4用来保存功率输出单元7的四个单独插座的状态，系统下次上电的时候就会从存储单元4读取数据；

实时时钟单元5为定时功能提供时钟信号，同时这个单元有备用电池保证系统掉电后时钟单元正常计时；

WIFI模块6负责插座和外部的无线路由的通信，使用之前将WIFI模块6的端口号在无线路由上做端口映射，这样就能实现远程控制；手机客户端是基于Android系统的，可以通过无线路由向智能插座发送指令，智能插座接收到指令后执行相应的操作，同时通过无线路由向手机客户端返回数据。

电路原理图说明：

控制电路：如图2所示为控制单元电路图，该系统的核心为SLH89F5162单片机如图2(a)，单片机中运行程序，执行特定的功能，瓷片电容C12，C13和晶振Y1构成振荡电路。电容C10为滤波电容，消除电源中的高频成分。如图2(b)，电解电容C14，电阻R28和按键S2构成复位电路。如图2(c)，电阻R21，R22，R23，R24和LED1，LED2，LED3，LED4组成指示电路。当控制开关的继电器接通后，对应的LED点亮。

如图3所示为时钟电路电路原理图：

图3(a)时钟电路的核心为DS1302时钟芯片，其中P7接口为备用电池接口，备用电池选用1220纽扣电池。当系统掉电后备用电池为时钟芯片提供电能，保证时钟芯片正常计时。时钟电路与单片机相连，单片机可以向时钟芯片写入时间数据，并且能读出时间数据。时钟电路为系统提供时间参考，可以单片机通过时钟时间和设定时间比较，判断插座是否打开或者关闭，实现定时开启和定时关闭的功能。图3(b)电阻R33，R34，R35，为上拉电阻。电容C15为滤波电容，Y2为晶振，这里使用32768Hz的晶振。

图4为数据存储电路原理图：单片机本身有SPI总线接口，所以这里选用93C46芯片作为EEPROM。93C46主要存储四个插座的定时信息，开关信息。保证系统掉电后信息不丢失。

图5为wifi模块6电路原理图：模块与单片机的TXD1和RXD1连接，通过串口与单片机通信。Wifi模块6负责系统与无线路由连接，模块通过设置后连接到路由，路由通过ADSL拨号连接到互联网，最终系统可以连接到互联网。Wifi接收到数据后通过串口发送给单片机，单片机通过串口将数据发送到wifi模块6，进而将数据发送到请求数据的客户端。

图6为系统供电电路原理图：系统采用220V市电供电，通过U1开关电源将220V交流电转换为12V直流电。P1为220V电源输入接口，220V电源同时为插座供电。T1表示电流互感器，左边的部分表示穿过电流互感器的导线，右边的部分表示电流互感器的输出端。12V电源为继电器和其他部分供电，其他部分需要将12V电源转换成5V，下面介绍。

图7为系统电源转换电路原理图：图7(a)和(b)均采用MC34063芯片，将12V电源转换成+5V和-5V。+5V为控制单元和其他需要5V的部分供电。-5V为运放LM358提供负极性的电压。P2为5V输出的接口，为wifi模块6提供电源接口。使用开关型的电源芯片提高电源转换效率。

图8为电流采集电路原理图：电流采集电路的传感器为电流互感器，互感器的变比为1000∶1，所以输出的电流很小。通过电阻R7后将电流转换为交流电压，电压经过LM358进行放大，通过桥整流电路D1将交流电压转换成直流电压。经过电容滤波后输入到单片机的AD端口。R4和R1为电容C4提供放电电路。输入电流与输出电压的关系：设采集到的220V电源的电流为i，输出电压为V

$V=47\×(i/1000)\×\sqrt{2}\×7.8$

通过上面的公式就可以反推出实际的电流i，然后和设定进行比较，如果大于设定值说明过流。

图9为220V输出电路原理图：P3、P4、P5、P6为插座的接口，向家用电器供电。开关控制使用12V继电器实现。继电器通过8050三极管驱动。单片机通过控制三极管控制继电器的通断，进而控制外部电器的通断。

图10为开关及电源指示电路原理图：从220V转12V的开关电源出来的12V电源首先经过开关S1然后经过电容C2和C3滤波后再向系统供电。其中R3和D2组成电源指示电路。S1控制系统通断。

硬件设计原理如下：

电源单元设计原理：电源单元由两部分构成，其中220V交流电源转12V直流电源模块使用的是成品的开关电源模块，可以提供最大1A的电流，满足系统需求，并且开关电源体积小效率高。将这个模块集成在系统上另一个原因是方便用户使用，直接通上220V电源就可以使用。

电源单元的另一部分是将12V直流转换为正负5V。这部分使用两片MC34063电源芯片，通过设计合理的外围电路，可实现分别输出+5V电压和-5V电压。其中电流采集单元需要双极性电源，所以其中一路MC43063产生-5V电压。MC34063电源芯片可以达到较高的效率，价格低廉，性能可以满足系统设计要求，故而选该芯片作为电源芯片。

功率输出单元设计原理：功率输出单元7主要包括继电器，三极管等。继电器用来控制对应插座的电源通断，三极管则用来控制继电器的通断，单片机通过控制三极管进而实现对插座的控制。其中继电器型号为HJR-3FF，240V时可以通过7A电流，该继电器需要12V电源供电，这样可以起到与控制单元电气隔离的作用。三极管采用8050，最大可以提供1A的驱动电流，完全可以满足设计要。

控制单元设计原理：该系统的主控芯片选用深联华SLH89F5162单片机，SLH89F5162是一种高速高效率8051兼容单片机。在同样的震荡频率之下，较之传统的8051单片机它具有更快的速度，性能更优越。

该系统的设计使用了单片机的定时器0、SPI、ADC、EUART1、IO资源。定时器是为串口接收数据提供定时时间，用来判断一帧数据是否接收完毕；SPI控制93C46，保存和读出插座的状态数据；ADC用来采集电流采集单元的输出电压，为检测是否过流提供数据；EUART1是和WIFI模块6进行通信的，接收来自手机客户端的数据，并向客户端返回数据。IO用来控制时钟单元和功率单元等。

控制单元是系统的核心，也是知识产权保护的核心，保护好单片机不被破解是重要方面，深联华单片机采用了多种防破解技术，高达32位的密码生成器，白噪声密码没有规律可循等等这些特点决定了代码的安全性很高，这就能很好的保护开发者的利益。

电流采集单元设计原理：对交流电流进行采集需要用到交流互感器，该系统采用DL-CT03C1.0精密电流互感器，变比为1∶1000，最大可测电流为10A，输出端最大可接电阻为50欧姆，这里选择47欧姆电阻。由于电阻上电压很低，所以不可以直接对电阻上的交流电压进行整流，因此在整流之前使用LM358对交流电压信号进行7.8倍放大。运放所放大的信号为交流信号，需要一个双极性电源进行供电，正好使用电源模块提供的正负5V电源。将放大的电压信号通过桥整流电路进行整流，然后使用电容滤波，再通过一个低通滤波电路将信号送入单片机AD引脚。

存储单元4设计原理：存储芯片选用93C46芯片，该芯片使用SPI通信方式，具有128个字节的容量。系统需要保存的数据量小，该芯片可以满足需求。

实时时钟单元设计原理：实时时钟单元5采用DS1302芯片，该芯片在掉电时可以使用备用电源，数据通信使用串行方式，占用IO较少，芯片价格低廉计时精确，完全能满足系统设计需求。

WIFI模块单元：WIFI模块6使用的是成品模块，通过串口与单片机通信。该模块可通过电脑设置参数，使用方便。

软件设计原理：

在单片机软件设计时采用模块化编程的方法以及分层设计的思想。首先设计使用到的单片机资源的驱动程序，然后设计使用到的芯片的驱动程序，最后设计应用层的程序。

下面介绍各个.c文件的主要内容：

Initial.c文件主要是单片机系统时钟、定时0、串口1的初始化函数，以及串口发送数据的函数。

SPI.c文件包括单片机SPI资源的初始化，以及93C46芯片的驱动程序。

DS1302.c文件包括DS1302芯片的驱动程序，主要是对芯片的初始化，读写函数等。

ADC.c文件主要包括对单片机ADC资源的初始化函数，以及对采集到的数据进行处理的函数，文件使用的是官网提供的，但是有些地方有问题，进修改后可以正常使用。

OutletStatuePro.c文件主要是对插孔的结构体数据进行处理的函数，包括设置插孔的状态，得到插孔的状态，设置插到打开或者关闭的定时时间等等。

Main.c文件是项目的主文件，这里首先是调用各个模块的初始化函数，以及调用相应的驱动函数完成对应的功能。

下面具体介绍程序执行流程：

如图11所示，系统上电后单片机中程序开始运行，首先调用各个模块的初始化函数，完成对单片机以及其他芯片的初始化工作。下一步就是读取93C46中数据，然后就是就如主循环。在主循环中首先判断串口是否正在接收数据，如果正在接收数据则不执行解析，如果接收完毕则开始解析接收到的数据。根据不同的指令执行相应的操作，具体操作可看代码注释。解析工作完成后读取一次DS1302的数据，然后开始根据各个插孔的当前状态执行相应的操作，在这个处理过程中使用了状态机的概念，根据插孔的状态执行相应的操作，并且判断是否有插座处于开启状态，如果有的话就启动AD，判断当前功率是否超过设定功率，如果超过了设定功率则关闭所有插孔。

通信数据帧设计原理：

手机客户端与智能插座的通信是通过互联网实现的，在这个系统的设计中我们采用UDP协议，在这个基础上设计了简单的通信协议，下面就具体说明一下数据格式的定义。一帧数据由三部分构成，帧头为0xFF占用一个字节。指令占用一个字节，用来表示该帧数据的作用。数据部分表示传输的数据，占用的字节数不固定。表1为指令和数据说明。

表1

表1详细说明了各个指令的作用，以及指令后要跟的数据的作用，通过简单的协议可以实现智能插座功能。指令和数据都是以一个字节为单位，方便程序处理。

手机客户端与智能插座的通信过程：这里具体说明一下手机客户端与智能插座的通信过程，并非讲解手机客户端如何使用，手机客户端的使用说明可以查看手机客户端说明书。

手机客户端可以通过域名和IP地址两种方式与插座通信，在这里使用的是花生壳的域名解析服务。使用域名的好处是即使ADSL拨号的IP地址改变了也能与插座通信(具体原理不做解释)，但是网络状况不好的情况下域名解析服务会有一些延时。使用IP地址的好处是速度快一些，不需要域名解析服务，但是一旦ADSL重新拨号就不知道新的IP地址是什么。所以可以根据实际情况作出选择。

手机客户端打开以后做一些基本设置，然后客户端就是周期性的向智能插座发送查询插座状态的指令，保持客户端与智能插座状态保持同步。如果不能正常通信，客户端的插座列表是无法列出的。用户可以根据需求设定各个插孔的状态，设定完成后就可以关闭客户端。如果想知道插座的状态可以打开客户端，刷新一下可以获取插座状态。客户端与智能插座在同一个局域网内也实现通信，将客户端与智能插座连接到同一个路由上，设置客户端的IP地址为插座的IP地址即可，这样客户端与插座便可实通信。

测试结果：四个插座基本开关功能可以实现，关闭状态下定时开启的功能可以实现，开启状态下定时关闭功能可以实现，关闭后定时开始和定时关闭同时设定功能可以实现。实际功率大于额定功率后所有插座关闭，删除定时器功能可以实现，也就是过流保护功能可以实现。通过视频可以查看具体功能实现。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种远程智能插座，其特征在于：包括主控单元(1)，主控单元(1)分别电路连接第一电源单元(2)、电流采集单元(3)、存储单元(4)、实时时钟单元(5)、WIFI模块(6)和功率输出单元(7)，第一电源单元(2)电路连接第二电源单元(8)，第二电源单元(8)电路连接功率输出单元(7)。

2.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述第二电源单元(8)连接外部的220V交流电供给功率输出单元(7)，并且还将220V交流电转换成12V直流提供给第一电源单元(2)。

3.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述第一电源单元(2)将所述第二电源单元(8)提供的12V直流电源转换成正负5V，分别为主控单元(1)、电流采集单元(3)、存储单元(4)、实时时钟单元(5)、WIFI模块(6)供电。

4.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述功率输出单元(7)设计为插座的几个插孔，功率输出单元(7)接收主控单元(1)的控制信号，控制插座插孔接通或断开与第二电源单元(8)的的连接，为连接插座插孔的电器提供220V电源。

5.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述电流采集单元(3)用来采集功率输出单元(7)的电流信号，然后将电流信号输入给控制单元，用于电流检测，防止过流。

6.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述控制单元(1)对电流采集单元(3)采集的信号、实时时钟单元(5)的时钟信号进行处理，将功率输出单元(7)的状态存储至存储单元(4)中，并接收WIFI模块(6)的指令，发出控制信号给功率输出单元(7)。

7.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述存储单元(4)用来保存功率输出单元(7)的四个单独插座的状态，系统下次上电的时候就会从存储单元读取数据。

8.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述实时时钟单元(5)为定时功能提供时钟信号，同时这个单元有备用电池保证系统掉电后时钟单元正常计时。

9.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：所述WIFI模块(6)负责插座和外部的无线路由的通信，使用之前将WIFI模块(6)的端口号在无线路由上做端口映射，这样就能实现远程控制。

10.按照权利要求1所述一种远程智能插座，其特征在于：手机客户端是基于Android系统的，可以通过无线路由向智能插座发送指令，智能插座接收到指令后执行相应的操作，同时通过无线路由向手机客户端返回数据。