CN104716516A - 具有无线数据通信功能的智能插座及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有无线数据通信功能的智能插座，微处理器模块与电源模块、电能计量模块、液晶显示模块、继电器控制模块、通信模块、传感器模块连接；电能计量模块与继电器控制模块连接；其方法包括以下步骤：微处理器模块根据所检测的光强传感器的光强信息判断继电器控制模块是否与负载连接；如果未连接，则继电器控制模块切断输出；如果连接，则通过电能计量模块检测负载的电压、电流和功率，并将上述信息通过液晶显示模块进行显示，同时通过无线通信模块传送至上位机；本发明将电能统计计量功能，自动控制功能，网络通信功能集成到一个插座当中，具有通用性强，功能丰富，使用方便等优点。

Description

具有无线数据通信功能的智能插座及其实现方法

技术领域

本发明涉及了具有无线数据通信功能的智能插座及其实现方法，属于智能家用电器领域技术领域。

背景技术

家用电器的广泛使用，提高了人们的生活水平，也导致了因家用电器而引起的大量火灾。据公安和消防部门有关资料显示，全国平均每天发生火灾不下300起，其中电器火灾占30％以上，其主要原因是超负荷、短路、电弧等。事故的发生与家用电器的插座密切相关。因此，研制出当家用电器在无人值守时能及时切断电源的智能插座，至关重要。市场现有的绝大多数插座不具备任何智能功能，极少所谓的“智能插座”也只具备定时开、关功能，无法对非正常状况进行监测与断电控制，不具备真正的智能功能。现有的插座已经不能适应各方面的需要，功能新颖的插座有着强大的市场需求。

此外，由于能源问题的越来越被大家关注，人们也开始重视家庭内部的能源消耗情况。虽然市面上有许多计量插座产品，但是都只能查看一个设备，由于插座安装位置等原因，使得查看起来十分不便。无线传感网发展迅速，已经广泛应用于工业、农业、环境科学等领域。随着智能家居和物联网技术的兴起，可以联网的家用电器产品必将会成为今后的主流。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明设计一种具有无线数据通信功能的智能插座及其实现方法，能够实现电量计量，节能控制，超压、过流报警（断电），无线遥控开关，插头松动检测，夜光指示，USB充电等实用功能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：具有无线数据通信功能的智能插座，微处理器模块与电源模块、电能计量模块、液晶显示模块、继电器控制模块、通信模块、传感器模块连接；电能计量模块与继电器控制模块连接；继电器控制模块输入端连有输入插口，输出端连有输出插口；

微处理器模块：用于将来自电能计量模块、传感器模块的数据进行处理并将所得数据发送至液晶显示模块和通信模块，还发送控制命令至继电器控制模块；

电源模块：用于将外部市电转换为其他模块所需电压；

继电器控制模块：用于控制外部市电与负载电源的通断；控制端接收微处理器模块的控制命令，输入端用于连接市电，输出端用于连接负载；

电能计量模块：用于将继电器控制模块输出的电压、电流和功率信息发送至微处理器模块。

所述通信模块包括无线通信模块和红外线通信模块，均与微处理器模块连接；所述无线通信模块用于将传感器数据发送至上位机；所述红外线通信模块用于接收红外线遥控器的红外线遥控信号。

所述传感器模块包括温湿度传感器和两个光强传感器；第一光强传感器设置于输出插口上3个插孔的几何中心，第二光强传感器设置于输出插口外并与其同一平面。

所述微处理器模块还连有3个LED灯，分别设置于输出插口的3个插孔内部。

具有无线数据通信功能的智能插座实现方法，包括以下步骤：

微处理器模块根据所检测的两个光强传感器的光强信息判断继电器控制模块是否与负载连接；如果未连接，则继电器控制模块切断输出；如果连接，则通过电能计量模块检测负载的电压、电流和功率，并将上述信息通过液晶显示模块进行显示，同时通过无线通信模块传送至上位机；如果电流小于设定值时，则认为负载不工作，则继电器控制模块切断输出。

微处理器模块检测温湿度传感器的数据，如果超出限值，则继电器控制模块切断输出。

所述微处理器模块根据所检测的两个光强传感器的光强信息判断继电器控制模块是否与负载连接包括以下步骤：

微处理器模块将检测到的两个光强传感器的光强信息作差，如果差值大于阈值，则继电器控制模块与负载连接；否则，继电器控制模块与负载未连接。

当无线通信模块收到红外线遥控器的红外线遥控信号时，微处理器模块控制继电器控制模块导通并连接负载。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明具有无线通信与多机联网功能。本设计搭载无线通信模块，插座可以通过无线模块与上位机通信，每个插座具有唯一的MAC地址，只需要一台计算机就可以实现对家中所有的智能插座电量信息统计与控制。

2.具有安全保护功能。本设计集成丰富的传感器与继电控制器，它们彼此配合可以实现超压、过流保护，高温、高湿保护，负载插头松脱保护，空载防触电保护。大大的提高了使用家用电器的安全性。

3.具有丰富的功能。本设计是集成计量，控制，传感与一体的智能型插座，可以实时采集当前负载上的各类电参数信息，更能通过无线模块与红外线遥控模块实现远程控制。当家中安置多个智能插座时通过上位机软件可以实现家庭能源统计与控制。

4.具有使用便捷性。本设计集成丰富的功能，但使用起来十分方便。例如，当控制电视机的智能插座处于关机状态，我们需要打开电视机，只需要按下电视机遥控器上的特定按键（通过学习设定）就可以轻松地打开智能插座。当负载设备关机时智能插座会自动判断其状态进行关闭操作。

附图说明

图1是本发明的具有无线数据收发的智能插座功能框图；

图2是本发明的内部原理结构框图；

图3是本发明的外观结构示意图；

图4是本发明联网使用示意图；

图5是本发明电计量模块电路原理图；

图6是电源模块电路原理图一；

图7是电源模块电路原理图二；

图8是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

一种具有无线数据通信功能的智能插座，

1)包含电能计量模块，可以采集插座的电压，电流，实时功率，电能消耗量；

2)包含继电器控制模块，可以实现控制智能插座上负载电源的通断；

3)包含液晶显示器模块，负责UI界面显示，用户可以直观的获得智能插座的运行状态信息，其包括：当前电压、电流、功率、电量、温湿度等信息；

4)包含无线通信模块，用于智能插座与计算机通信，可以由一台计算机同步管理多个智能插座，可实现用电量统计、家庭能源控制、远程电器控制等功能；

5)包含红外线通信模块，为单向学习型接收器，可以用普通的电视机遥控器实现智能插座的简单的开关机控制；

6)包含温湿度传感器模块，可是实时采集插座周围环境的温湿度，可以用来显示，也可以与其他模块配合工作，实现超温报警（与蜂鸣器通信模块配合），超温自断电（与继电器模块配合）。

7)包含光强传感器模块，采集周围环境光强参数，光强传感器分为（A、B），传感器A用于采集自然光强，当光强较低时开启插孔内的LED实现弱光条件下的插孔指示。传感器B用于与传感器A比较判断是否有负载插头插入插座内，实现无负载自断电功能；

如图1所示，本设计从功能上分由电能计量模块、液晶显示模块、继电器控制模块、通信模块、传感器器模块、微处理器模块以及电源模块共七大部分组成。

图2给出了本发明实施例中各个模块的具体硬件组成：

本设计主控制器采用意法半导体公司的STM32F103C8嵌入式微控制器，需要一颗8MHz的晶体振荡器与RC复位电路就可以组成其最小系统，STM32系列微控制器具有丰富的片内资源与外围接口可以方便的和其他模块连接。

电能计量芯片采用ATT7059A计量芯片，单芯片可以实现电压，电流，功率，累计用电量的采集。如图5为ATT7059A电能计量部分的电路原理图，外围元器件包括一颗5.5296MHz的晶体振荡器，采样电阻与其他外围元件。采样电阻采用0.002Ω的锰铜丝。ATT7059A通过SPI总线接口与STM32F103C8微控制器通信，接收采集命令，发送电能信息。

所述无线射频模块为STM32W108CBU64及其外围电路组成。STM32W模块通过UART接口与STM32F103C8微控制器模块通信，当接收到无线电射频信号时，通过UART接口将数据（或控制命令）传递给微控制器相应的接口进行处理；发送数据时，将待发送的数据缓存到STM32W模块中，然后使能发送，这样STM32W无线模块就会把数据调制成射频信号发射出去。

显示部分采用JLX12864G点阵式液晶模块，具有128*64像素，采用串行接口接到微控制器的I/O端口上，用于显示插座电参数计量数据与环境数据。

红外线遥控接收模块采用HS0038B一体化红外线接收器，自带38KHz解调电路，滤波电路，放大电路。解调出的信号为TTL编码信号可以直接送入微控制器的I/O端口进行解码处理。

光强传感模块，采用光敏电阻分压电路，基准电压加在光敏电阻与标准电阻组成的串联分压电路。光强不同光敏电阻呈现不同的阻值，分得的电压就不同。利用微控制器自带的片内AD模块采集这个模拟信号，就得到量化的值。

继电器控制部分采用OMRON的G5LA-14-5VDC型继电器，5V电源供电，微控制器I/O端口经过三极管扩流直接控制。

其它传感器与功能器件包括：SHT10型温湿度传感器，蜂鸣器，功能按键。SHT10为数字式传感器，微控制器通过I/O端口可以直接读取温湿度的值。蜂鸣器由微控制器的I/O端口直接进行控制，提供报警与提示功能。功能按键直接连接微控制器的外部中断I/O端口，当按键被触动时发送开关量信号到微控制器实现相应操作。

所述电源模块，采用两级电源芯片。由于本系统需要能够产生5V、3.3V电压，供给系统中各个模块使用。5V电源主要供给继电器控制模块与USB充电插孔，而其他的模块芯片需要3.3V电源。5V电源部分采用LNK613AC/DC芯片。如图6～图7所示，LNK613利用开关电源原理，可以将95V～230V交流电能转换为5V直流电，一次完成降压与整流，稳压工作，本设计电路输出功率≥3.5W，5V电源精度达到±5%满足系统需求。3.3V电路采用LDO电源芯片PAM3101-3.3。为保证电源稳定性与低功耗需求，采用两组电路，其中一组专门用于通信模块，另一组供给其他模块。这样做好处是避免射频通信电路发送无线信号对信号采集电路产生干扰，而且可以在不需要通信时关闭通信模块的电源达到低功耗的目的。

图3所示为本设计智能插座的外形及功能示意图。插座壳体前后分别设有三相输出插口和输入插口，分别连接负载和市电；壳体表面设有两个光强传感器、温湿度传感器、蜂鸣报警器、USB充电插孔、红外线接收器、功能按键以及液晶显示器。在插座壳体的前面靠上不易被遮挡的位置安装液晶显示器。在液晶显示器的下方分别安装红外线遥控接收窗口，光强传感器A窗口与功能按键。最下方插孔的中间安置光强传感器B窗口。光强传感器A用来判断当前自然光强度用来判断是否需要打开夜间模式。当有插头插入插孔时插孔中间的光强传感器B就会被插头所遮挡，测得的光强数值会与传感器A得到数值有较大的差值，由此可以判断插头是否松脱，进而执行报警等相关操作。在本设计插座侧面有温湿度传感器与蜂鸣器公用的开槽。下面是USB充电接口，采用标准的USB-A型插座，可以提供标准5V电压和≥300mA的电流。

图4所示为本设计智能插座的工作场景示意图，图中所体现的是一般家庭应用场合。本例涉及4个智能插座分别编号A、B、C、D，其中智能插座A负责电视机。这4个智能插座通过同一个网关连接到同一个PC机统一管理包括：统一的的用电量分析，离家模式电器工作模式切换，通过连入互联网还可以远程控制家中电器等。当家中的电器（例如电视机）处于待机状态，智能插座检测到电量消耗较低，做出待机状态判断执行切断电源操作。当智能插座A处于关闭状态时需要开电视，只需要按动电视机遥控器的特定按键（预先学习设定）就可以远程开启智能插座，这个功能也同样适用于空调等电器。

如图8所示，为本发明正常工作模式的程序流程图。程序采用模块化编写方法，各个模块程序为一个或多个函数组成，循环执行。程序开始微控制器首先要读取两个光强传感器（A、B）的值，用来判断插座所处于的工作模式。当环境光照强度较低，光强传感器A的测量值也相应的较小（小于设定值）时，认为插座处于低照度环境中此时切换插座为夜间工作模式，打开位于插孔内部的用于辅助指示的LED灯。如果为白天模式则进行下一步，判断光强传感器A与B的读数差值，当这个差值大于设定值则认为插座上无负载或负载插头松脱，此时执行控制继电器切断插座输出操作。之后执行插座工作环境温湿度测量，如果测量结果超出电器工作安全的温湿度范围，执行控制继电器切断插座输出操作。随后执行插座负载计量操作，当测得的电流值小于设定阈值则认为负载处于不工作状态，执行控制继电器切断插座输出操作。如果插座上负载正常工作则将测量数据进行液晶显示与无线传输。

Claims (7)

1.具有无线数据通信功能的智能插座，其特征在于：微处理器模块与电源模块、电能计量模块、液晶显示模块、继电器控制模块、通信模块、传感器模块连接；电能计量模块与继电器控制模块连接；继电器控制模块输入端连有输入插口，输出端连有输出插口；

微处理器模块：用于将来自电能计量模块、传感器模块的数据进行处理并将所得数据发送至液晶显示模块和通信模块，还发送控制命令至继电器控制模块；

电源模块：用于将外部市电转换为其他模块所需电压；

继电器控制模块：用于控制外部市电与负载电源的通断；控制端接收微处理器模块的控制命令，输入端用于连接市电，输出端用于连接负载；

电能计量模块：用于将继电器控制模块输出的电压、电流和功率发送至微处理器模块。

2.根据权利要求1所述的具有无线数据通信功能的智能插座，其特征在于：所述通信模块包括无线通信模块和红外线通信模块，均与微处理器模块连接；所述无线通信模块用于将传感器数据发送至上位机；所述红外线通信模块用于接收红外线遥控器的红外线遥控信号。

3.根据权利要求1所述的具有无线数据通信功能的智能插座，其特征在于：所述传感器模块包括温湿度传感器和两个光强传感器；第一光强传感器设置于输出插口上3个插孔的几何中心，第二光强传感器设置于输出插口外并与其同一平面。

4.根据权利要求1所述的具有无线数据通信功能的智能插座，其特征在于：所述微处理器模块还连有3个LED灯，分别设置于输出插口的3个插孔内部。

5.具有无线数据通信功能的智能插座实现方法，其特征在于包括以下步骤：

微处理器模块根据所检测的两个光强传感器的光强信息判断继电器控制模块是否与负载连接；如果未连接，则继电器控制模块切断输出；如果连接，则通过电能计量模块检测负载的电压、电流和功率，并将上述信息通过液晶显示模块进行显示，同时通过无线通信模块传送至上位机；如果电流小于设定值时，则认为负载不工作，则继电器控制模块切断输出。

微处理器模块检测温湿度传感器的数据，如果超出限值，则继电器控制模块切断输出。

6.根据权利要求5所述的具有无线数据通信功能的智能插座实现方法，其特征在于：所述微处理器模块根据所检测的两个光强传感器的光强信息判断继电器控制模块是否与负载连接包括以下步骤：

微处理器模块将检测到的两个光强传感器的光强信息作差，如果差值大于阈值，则继电器控制模块与负载连接；否则，继电器控制模块与负载未连接。

7.根据权利要求5所述的具有无线数据通信功能的智能插座实现方法，其特征在于：当无线通信模块收到红外线遥控器的红外线遥控信号时，微处理器模块控制继电器控制模块导通并连接负载。