CN104241981B - 基于双网络混合通信的智能插座装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双网络混合通信技术的智能插座装置，它由单片机、电源、电力线载波通信模块、载波电路、RF通信模块、RF匹配电路、天线模块、存储器、键盘、串口电路、时钟、校表接口、显示屏、计量电路、磁保持继电器、继电器驱动电路、外壳等十七个部分组成。该装置通过插槽与被控电器设备连接，不仅能够对被控电器的能耗进行计量，通过电力线通信模块和RF通信模块将数据发送至网关，并由网关将数据上传至网络服务器，而且能够通过网络远程控制智能插座的通断状态，实现家用电器的远程智能化管理。与此同时，该装置设计的显示屏和键盘支持本地数据查询和电器定时控制。

Description

基于双网络混合通信的智能插座装置

技术领域

本发明涉及一种具备通信、控制和计量功能的智能插座装置，尤其是涉及一种基于电力线载波通信和RF通信的智能插座装置。

背景技术

随着智能电网和智能家居技术的发展和逐步应用，家庭电能管理作为智能电网用电管理中重要的一环发挥着越来越大的作用。一方面，家庭用电需要适应弹性电价，对家用电器实施远程通断控制和用电数据实时监测，在高电价时段断开大功率用电器，反之则开通大功率用电器，并避免电器空耗产生的额外电能损失；另一方面，用户需要实时获取单个用电器能耗数据，并在云端形成数据分析文档，进而优化用电模式，提高电能使用效率。

传统插座一般不具备通信、计量和控制功能，新型的智能插座增强了计量和控制功能，而且初步具备RF、红外、电力线等近场通信能力，一方面，无线近场通信网络易受家居建筑格局及自然环境的影响，通信效率受到制约；另一方面，单纯电力线通信方式，易受用电条件等因素影响，通信成功率不高。这就需要一种同时规避近场无线通信和电力线通信的混合通信方式来支撑智能插座的数据传输。

发明内容

为解决背景技术中的问题，本发明提供一种基于双网络混合通信的智能插座装置，通过该装置将被控电器的能耗数据同时通过电力线和RF两种信道上传至家庭智能网关，并通过网关接收互联网服务器发出的控制和查询命令，从而实现用户利用PC、手机、平板电脑等网络终端对家庭用电设备的远程智能管理。

本发明所述的智能插座装置由单片机、电源、电力线载波通信模块、载波电路、RF通信模块、RF匹配电路、天线模块、存储器、键盘、串口电路、时钟、校表接口、显示屏、计量电路、磁保持继电器、继电器驱动电路、外壳等十七个部分组成。其中，单片机连接电源、电力线载波通信模块、RF通信模块、时钟、键盘、存储器、继电器驱动电路、串口电路、计量电路、显示屏、校表接口，电力线载波通信模块分别与电源和载波电路连接，RF通信模块与RF匹配电路和电源连接，RF匹配电路与天线模块连接，磁保持继电器与继电器驱动电路连接，外壳将其他十六个个部分有机结合形成保护。单片机（MCU）负责通过电力线载波通信模块对来自网关的信息进行收集、处理和分析，一方面执行远程服务器发送的读数据、通断控制等指令，另一方面通过电力载波通信模块和RF通信模块定时向网关发送能耗数据，与此同时，通过计量电路计算电压、功率等多种计量参数，控制显示屏的显示及提供键盘、串口、校表等多种外部接口数据交换；时钟记录并提供当前时间给单片机；存储器存储并提供智能插座配置信息、设备状态信息、时间表信息、计量数据等；电源提供智能插座所需的各种电源；电力线载波通讯模块的主要作用是使单片机与家庭网关进行数据交换，以实现智能插座外部通信的各种功能；RF通信模块结合RF匹配电路和天线模块，基于射频通信的方式实现网关与智能终端的数据交换；串口电路用于实现单片机与PC串行通信电平转换，实现设备的本地设置与控制；载波电路为载波信号的输出和输入通路，并起隔离220V/50Hz工频的作用，分为发射和接收两部分；键盘用于本地数据查询、定时和通断控制；显示屏用于显示能耗数据、设备状态信息及配合键盘进行各种本地设置；校表接口用于实现智能插座与校表台的连接，进行计量参数的设置；计量电路用于采集能耗数据；继电器驱动电器用于驱动磁保持继电器；磁保持继电器为控制信号消失后仍然保持当前状态的大容量继电器；外壳用于将各部分装配成一个整体，并对各部分形成保护。

单片机芯片采用AVR单片机芯片，AVR单片机芯片集成了电力线通信的调制解调器，采用了多载波调制解调技术，芯片内置了数字信号处理、模数转换和数模转换电路，能直接和模拟前端电路接口，同时，芯片与控制器之间的数据交互方式灵活，能简单嵌入智能系统。AVR 8-Bit MCU 最大的特点是： 哈佛结构，具备1MIPS / MHz 的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有32 个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU 采用单一ACC 进行处理造成的瓶颈现象； 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 作输出时与PIC 的HI/LOW 相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA 灌电流的能力； 片内集成多种频率的RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT 等；电力解调器内置UART 口直接接AVR 单片机，或通过RS232电平转换直接接到PC，以实现对芯片的控制和数据传输。

载波电路具有发送电路和接收电路两部分，发送电路由低通滤波器和功率放大器构成，滤波器滤除了高频信号成分并平滑DAC 输出信号的波形，功率放大器的输出通过一个简单的耦合变压器连接到电源线上,滤波器的带宽由使用的载波频率所决定。

接收回路由带通滤波器、隔离、并联谐振回路组成，直接滤除了电源线上的干扰信号。滤波器的带宽由使用的载波频率决定。过零检测电路跟踪电源线上的频率，输出50Hz 的方波信号。

震荡电路为芯片提供时钟，在芯片并联1M 电阻。

利用低压电力线上网时，先通过专业的电力调制解调器，采用正交频分复用(OFDM)或高斯滤波最小频移键控(GMSK)调将该电力信号，然后将该电力信号通过电力线传送到PLC设备中，利用该设备将电力信号转换(解调等处理)成原来的数据信号，然后通过交换机、路由器等设备直接进入Intemet，从而实现电力上网的功能。

电力线数字载波通信原理为，输入信号经信源及输入变换器后，输入到信源编码器，再经信源编码器输入到信道编码器，经信道编码器输入给数字调制器，信号调制完成后经电力线信道传输，在接收侧经过数字解调器解调，解调后传输给信道译码器，再传输给信源译码器，其后经过输出变换器输出信号。

电能计量模块以电能计量专用芯片TM7755为核心，并设计相应的电流及电压采样电路。对电压采样选择电阻分压方式；对电流采样选择电流互感器方式。市电频率采集模块：为了维护家庭配电系统的稳定和安全，特别是大量使用分布式新能源的家庭，需要对电网进行频率的监测。采用220 V正弦交流电压信号首先经二极管整流电路及分压电路转化为峰值小于5 V的半波正弦交流电压信号，其后经比较器跟随电路将信号输入至另一比较器进行电压比较，从而将频率信号转化为单片机可接收的5 V方波信号。存储模块：智能插座中需要存储用户电器的历史用电数据，这些数据更新频繁，为了保其在断电不丢失。

电力载波通信单元采用扩频通信芯片能够实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换,数据链路层通信协议遵循高级数据链路控制通信协议,应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1 997 规范和DL/T645-2007 规范,在保证DL/T645 协议完整性的前提下,扩充了DL/T645 对网络数据通信的支持。

信号耦合电路是将载波通信单元与电力线连接的关键单元,主要的作用是滤除220 VAC/50 Hz的交流信号和抑制瞬时电压冲击,也能够高效率地将发射信号注入电力线,保证在电力线上的有效信号功率,对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收,最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰。

智能插座装置对家庭开关及插座进行设备编码，所述设备编码具有唯一性，并存储在存储器中，在与设备连接时进行识别从而可以获得设备的标称电压、电流、功率数据以及实时采样的电压、电流、功率信息，并能够对设备进行优先级的设置，如根据设备是否可断电、是否可短时断电、是否可长期断电来设置设备的优先级或者根据设备使用的重要程度或使用的频率进行优先级的设置，并能够根据设备优先级对供电电流进行电力的分配，在发生数据越限时，能够启动保护，能够通过PC机预设的工作方式进行工作，也能够通过射频通信模块与用户的移动终端进行交互，根据用户的指令进行操作。

首先，智能插座控制系统开机，装置各模块开机自检，初始化各接口，采集各开关插座的信息，如标称电压、电流、功率等信息，对设备进行编码，根据用户的需要对各开关及插座设置优先级，即一级、二级或三级或重要级、普通级及次要级等，与插座或开关通信并进行识别，采集电网当前的电价与电力供应信息，如当前电价较贵时，保留连接重要负载的开关或插座，如当前电价适中时，开启重要级或普通级的负载，关闭次要级负载，如当前电价便宜时，则负载全开，当前电力供应充足时，开启全部负载，当前电力供应较低时，保留重要负载的供电，普通负载限流供电或逐个供电，当前电力供应缺乏时，保留重要负载供电，其他负载关闭，当前电力严重缺乏或断电，主要负载限流供电或逐个供电，并发出警报，并发送信息通知用户，当过载时，通知用户并报警。

本发明的有益结果是提供了一种基于双网络混合通信技术，具备通信、计量和控制功能的智能插座装置，它利用低压电力线载波和RF两种信道同时与家庭智能网关进行通信，将能耗数据上传至互联网服务器，并通过网关接收服务器发布的数据读取及通断控制指令，与此同时，依靠键盘和显示屏可实现对智能插座的本地数据读取和负荷控制，使用户能够实现对单一用电器的远程控制，及时调整用电模式，提高电能使用效率。

附图说明

图1 本发明智能插座装置的原理框图

图2 本发明智能插座装置内单片机程序流程图

图3 本发明智能插座装置发送电路的结构图

图4 本发明智能插座装置接收电路的结构图

图5 本发明智能插座装置接收设备请求工作流程图

图6 本发明智能插座装置接收采样数据工作流程图 。

具体实施方式

本发明在应用中，首先将所述装置通过电力线与家庭智能网关连接，然后在网络服务器中添加智能插座信息，完成后即可通过手机等网络终端设备实现电器的控制与用电信息的查询。

如图1所示，本发明所述的智能插座装置由单片机、电源、电力线载波通信模块、载波电路、RF通信模块、RF匹配电路、天线模块、存储器、键盘、串口电路、时钟、校表接口、显示屏、计量电路、磁保持继电器、继电器驱动电路、外壳等十七个部分组成。其中，单片机连接电源、电力线载波通信模块、RF通信模块、时钟、键盘、存储器、继电器驱动电路、串口电路、计量电路、显示屏、校表接口，电力线载波通信模块分别与电源和载波电路连接，RF通信模块与RF匹配电路和电源连接，RF匹配电路与天线模块连接，磁保持继电器与继电器驱动电路连接，外壳将其他十六个个部分有机结合形成保护。

如图2所示，单片机的工作流程包括：

步骤201：程序开始，实现时钟等的初始化；

步骤202：主程序初始化存储器、串口、载波通信；

步骤203：启动载波通信、RF通信程序监听；

步骤204：收到电力线载波通信或RF通信数据；

步骤205：判断协议表号是否正确，若正确则执行下一步骤，反之继续步骤203；

步骤206：解析收到的数据协议格式，判断是控制通断命令还是读电量数据命令；

步骤207：执行收到的命令；

步骤208：向网关返回命令执行的结果，并继续进行载波监听；

步骤209：若收到校表中断命令，则执行校表程序；

步骤210：运行校表台服务程序进行自动校表；

步骤211：保存校表参数至存储器；

步骤212：返回主程序；

步骤213：若收到串口中断指令，则进入串口设置程序；

步骤214：接收串口下发的设置数据；

步骤215：分析协议格式

步骤216：保存设置的表号信息至存储器；

步骤217：返回主程序。

电能计量模块以电能计量专用芯片TM7755为核心，并设计相应的电流及电压采样电路。对电压采样选择电阻分压方式；对电流采样选择电流互感器方式。市电频率采集模块：为了维护家庭配电系统的稳定和安全，特别是大量使用分布式新能源的家庭，需要对电网进行频率的监测。采用220 V正弦交流电压信号首先经二极管整流电路及分压电路转化为峰值小于5 V的半波正弦交流电压信号，其后经比较器跟随电路将信号输入至另一比较器进行电压比较，从而将频率信号转化为单片机可接收的5 V方波信号。存储模块：智能插座中需要存储用户电器的历史用电数据，这些数据更新频繁，为了保其在断电不丢失。

电力载波通信单元采用扩频通信芯片能够实现基于电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交换,数据链路层通信协议遵循高级数据链路控制通信协议,应用层通信协议完全兼容于DL/T645-1 997 规范和DL/T645-2007 规范,在保证DL/T645 协议完整性的前提下,扩充了DL/T645 对网络数据通信的支持。

信号耦合电路是将载波通信单元与电力线连接的关键单元,主要的作用是滤除220 VAC/50 Hz的交流信号和抑制瞬时电压冲击,也能够高效率地将发射信号注入电力线,保证在电力线上的有效信号功率,对来自电力线上的有用信号实现最小的衰减和最佳接收,最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰。

首先，智能插座控制系统开机，装置各模块开机自检，初始化各接口，采集各开关插座的信息，如标称电压、电流、功率等信息，对设备进行编码，根据用户的需要对各开关及插座设置优先级，即一级、二级或三级或重要级、普通级及次要级等，与插座或开关通信并进行识别，采集电网当前的电价与电力供应信息，如当前电价较贵时，保留连接重要负载的开关或插座，如当前电价适中时，开启重要级或普通级的负载，关闭次要级负载，如当前电价便宜时，则负载全开，当前电力供应充足时，开启全部负载，当前电力供应较低时，保留重要负载的供电，普通负载限流供电或逐个供电，当前电力供应缺乏时，保留重要负载供电，其他负载关闭，当前电力严重缺乏或断电，主要负载限流供电或逐个供电，并发出警报，并发送信息通知用户，当过载时，通知用户并报警。

如图3所示，发送电路具有电容、电阻、稳压二极管、三极管、二极管以及变压器构成，实现载波信号的发送。滤波器滤除了高频信号成分并平滑DAC 输出信号的波形，功率放大器的输出通过一个简单的耦合变压器连接到电源线上,滤波器的带宽由使用的载波频率所决定。

如图4所示，接收回路由电容、电阻、电感二极管构成，实现载波信号的接收。直接滤除了电源线上的干扰信号。滤波器的带宽由使用的载波频率决定。

如图5、6所示，智能插座装置工作流程包括：

步骤301：智能插座装置启动/开机；

步骤302：在启动/开机后进行装置的自检；

步骤303：初始化串口、网口、电力载波通信/RF通信接口；

步骤304：识别插座/开关设备，若能识别，则进入步骤305，否则，进入步骤314；

步骤305：建立通信连接，采集设备电参数及优先级信息，电参数包括电压、电流、功率；

步骤306：采集电力供给信息或与服务器通信，采集当前电价信息，若采集电力供给信息进入步骤307，若采集当前电价信息，进入步骤401；

步骤307：采集各开关/插座的开/关状态及开关插座中的电流电压，若数据越限，则开启保护，否则进入步骤308；

步骤308：将电力供给信息与开关/插座信息打上时标发送给控制器；

步骤309：控制器处理采样数据，若判断为电力供应充足，进入步骤310，若判断电力供应较低，进入步骤311，若判断电力供应缺乏，进入步骤312，若判断电力供应严重缺乏或断电，进入步骤313；

步骤310：电力供应充足，开启全部负载；

步骤311：电力供应较低，保留重要负载的供电，普通负载限流供电或逐个供电；

步骤312：电力供应缺乏，保留重要负载供电，其他负载关闭；

步骤313：电力供应严重缺乏/断电，主要负载限流供电或逐个供电或断电，发出警报并发送信息通知用户；

步骤314：发送RF信号与用户移动终端确认，若用户允许，则进行重新编码并返回步骤304，若用户不允许，则放弃识别该设备；

步骤401：与服务器通信，采集当前电价信息；

步骤402：采集各开关/插座的开/关状态及开关插座中的电流电压，若数据越限，则开启保护，否则进入步骤403；

步骤403：控制器处理采样数据，若电价较贵，进入步骤404，若电价适中，进入步骤405，若电价便宜，进入步骤406；

步骤404：若电价较贵，保留重要负载；

步骤405：若电价适中，开启重要级或普通级负载，关闭次要级负载；

步骤406：若电价便宜，开启全部负载。

本发明采用了电力线和RF双网络混合通信技术，大大方便了用户对家庭负荷的远程、本地控制和能耗信息查询，成为家庭电能管理的有效手段，发明中所述的装置成本较低，适合大规模应用，市场应用前景大。

Claims (7)

1.一种基于双网络混合通信的智能插座装置，其特征是：装置由单片机、电源、电力线载波通信模块、载波电路、RF通信模块、RF匹配电路、天线模块、存储器、键盘、串口电路、时钟、校表接口、显示屏、计量电路、磁保持继电器、继电器驱动电路和外壳十七个部分组成，其中，单片机连接电源、电力线载波通信模块、RF通信模块、时钟、键盘、存储器、继电器驱动电路、串口电路、计量电路、显示屏和校表接口，电力线载波通信模块分别与电源和载波电路连接，RF通信模块与RF匹配电路和电源连接，RF匹配电路与天线模块连接，磁保持继电器与继电器驱动电路连接，外壳将其他十六个个部分有机结合形成保护，计量电路以电能计量专用芯片为核心，包括：

电流及电压采样电路，对电压采样选择电阻分压方式；对电流采样选择电流互感器方式；市电频率采集模块：对电网进行频率的监测，采用220V正弦交流电压信号首先经二极管整流电路及分压电路转化为峰值小于5V的半波正弦交流电压信号，其后经比较器跟随电路将信号输入至另一比较器进行电压比较，从而将频率信号转化为单片机可接收的5V方波信号；

存储器：智能插座中需要存储用户电器的历史用电数据，这些数据更新频繁，为了保证其在断电时不丢失。

2.根据权利要求1所述的一种基于双网络混合通信的智能插座装置，其特征在于，单片机芯片采用AVR单片机芯片，AVR单片机芯片集成了电力线通信的调制解调器，采用了多载波调制解调技术，芯片内置了数字信号处理、模数转换和数模转换电路，能直接和模拟前端电路接口，同时，芯片与控制器之间的数据交互方式灵活，能简单嵌入智能系统，片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时功能，片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT；电力解调器内置UART口直接接AVR单片机，或通过RS232电平转换直接接到PC，以实现对芯片的控制和数据传输。

3.根据权利要求2所述的一种基于双网络混合通信的智能插座装置，其特征在于，载波电路具有发送电路和接收电路两部分，发送电路由低通滤波器和功率放大器构成，滤波器滤除了高频信号成分并平滑DAC输出信号的波形，功率放大器的输出通过一个简单的耦合变压器连接到电源线上,滤波器的带宽由使用的载波频率所决定，接收回路由带通滤波器、隔离、并联谐振回路组成，直接滤除了电源线上的干扰信号，滤波器的带宽由使用的载波频率决定。

4.根据权利要求3所述的一种基于双网络混合通信的智能插座装置，其特征在于，载波电路采用电力载波通信方式，输入信号经信源及输入变换器后，输入到信源编码器，再经信源编码器输入到信道编码器，经信道编码器输入给数字调制器，信号调制完成后经电力线信道传输，在接收侧经过数字解调器解调，解调后传输给信道译码器，再传输给信源译码器，其后经过输出变换器输出信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于双网络混合通信的智能插座装置，其特征在于，智能插座装置对家庭开关及插座进行设备编码，所述设备编码具有唯一性，并存储在存储器中，在与设备连接时进行识别从而可以获得设备的标称电压、电流和功率数据以及实时采样的电压、电流和功率信息，并能够对设备进行优先级的设置，并能够根据设备优先级对供电电流进行电力的分配，在发生数据越限时，能够启动保护，能够通过PC机预设的工作方式进行工作，也能够通过射频通信模块与用户的移动终端进行交互，根据用户的指令进行操作。

6.一种应用如权利要求1-5中任一项所述的智能插座装置的控制方法，其特征在于：单片机的工作流程包括：

步骤201：程序开始，实现时钟等的初始化；

步骤202：主程序初始化存储器、串口、载波通信；

步骤203：启动载波通信、RF通信程序监听；

步骤204：收到电力线载波通信或RF通信数据；

步骤205：判断协议表号是否正确，若正确则执行下一步骤，反之继续步骤203；

步骤206：解析收到的数据协议格式，判断是控制通断命令还是读电量数据命令；

步骤207：执行收到的命令；

步骤208：向网关返回命令执行的结果，并继续进行载波监听；

步骤209：若收到校表中断命令，则执行校表程序；

步骤210：运行校表台服务程序进行自动校表；

步骤211：保存校表参数至存储器；

步骤212：返回主程序；

步骤213：若收到串口中断指令，则进入串口设置程序；

步骤214：接收串口下发的设置数据；

步骤215：分析协议格式

步骤216：保存设置的表号信息至存储器；

步骤217：返回主程序。

7.根据权利要求6所述的智能插座装置的控制方法，其特征在于：智能插座装置工作流程包括：

步骤301：智能插座装置启动/开机；

步骤302：在启动/开机后进行装置的自检；

步骤303：初始化串口、网口、电力载波通信/RF通信接口；

步骤304：识别插座/开关设备，若能识别，则进入步骤305，否则，进入步骤314；

步骤305：建立通信连接，采集设备电参数及优先级信息，电参数包括电压、电流、功率；

步骤306：采集电力供给信息或与服务器通信，采集当前电价信息，若采集电力供给信息进入步骤307，若采集当前电价信息，进入步骤401；

步骤307：采集各开关/插座的开/关状态及开关插座中的电流电压，若数据越限，则开启保护，否则进入步骤308；

步骤308：将电力供给信息与开关/插座信息打上时标发送给控制器；

步骤309：控制器处理采样数据，若判断为电力供应充足，进入步骤310，若判断电力供应较低，进入步骤311，若判断电力供应缺乏，进入步骤312，若判断电力供应严重缺乏或断电，进入步骤313；

步骤310：电力供应充足，开启全部负载；

步骤311：电力供应较低，保留重要负载的供电，普通负载限流供电或逐个供电；

步骤312：电力供应缺乏，保留重要负载供电，其他负载关闭；

步骤313：电力供应严重缺乏/断电，主要负载限流供电或逐个供电或断电，发出警报并发送信息通知用户；

步骤314：发送RF信号与用户移动终端确认，若用户允许，则进行重新编码并返回步骤304，若用户不允许，则放弃识别该设备；

步骤401：与服务器通信，采集当前电价信息；

步骤402：采集各开关/插座的开/关状态及开关插座中的电流电压，若数据越限，则开启保护，否则进入步骤403；

步骤403：控制器处理采样数据，若电价较贵，进入步骤404，若电价适中，进入步骤405，若电价便宜，进入步骤406；

步骤404：若电价较贵，保留重要负载；

步骤405：若电价适中，开启重要级或普通级负载，关闭次要级负载；

步骤406：若电价便宜，开启全部负载。