CN106328450A - 智能断路器 - Google Patents

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曹筱欧
赵新
黄爱颖
刘金华
刘建宇
杨伟光
田娜
杨宇全
常月廷
王罡
冯蓉蓉
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00

Abstract

本发明公开了一种智能断路器，包括：用电信息采集单元，用于采集当前电路的用电信息并发送至处理器，用电信息包括电压、电流、功率因数和在预设时间段内的用电量；处理器，连接至用电信息采集单元和存储单元，用于将从信息采集单元接收到的用电信息发送至存储单元；存储单元，用于存储从处理器接收到的用电信息；漏电保护单元，用于在检测到当前电路漏电时断开智能断路器的开关；Wi-Fi通信单元，连接至处理器；RS485接口单元，连接至处理器。通过本发明中的空气断路器实现了可以统计设备的用电信息并存储起来，方便用户根据用电信息更加合理地布置用电设备。

Description

智能断路器
技术领域
本发明涉及智能家居领域，具体而言，涉及一种智能断路器。
背景技术
随着物联网时代的到来，智能家居行业也迎来前所未有的发展机遇。众多互联网公司、电器厂商纷纷加入到智能家居行业，推出了品类丰富的智能家居产品，抢占更多的智能家居市场份额。
智能用电作为智能家居的重要组成部分，其产品的丰富与发展也将为人们的日常生活带来方便和舒适的体验。电力与每个人息息相关，智能插座作为用户电力接入终端产品，其必将成为智能家居和智能用电进入普通家庭的突破点，也将为普通用户的智能用电体验带来质的飞跃。
目前的空气断路器均只有简单的开关功能，不够智能，不能很好的满足用户的使用需要，用户体验差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种更加智能化的空气断路器。
因此，本发明的技术方案如下：
一种智能断路器，包括：
用电信息采集单元，用于采集当前电路的用电信息并发送至处理器，所述用电信息包括电压、电流、功率因数和在预设时间段内的用电量；
所述处理器，连接至所述用电信息采集单元和存储单元，用于将从所述信息采集单元接收到的所述用电信息发送至所述存储单元；
所述存储单元，用于存储从所述处理器接收到的用电信息；
漏电保护单元，用于在检测到当前电路漏电时断开所述智能断路器的开关；
Wi-Fi通信单元，连接至所述处理器；
RS485接口单元，连接至所述处理器。
优选地，所述漏电保护单元为A型漏电保护器。
所述处理器可以为MSP430G2553单片机。
本发明中的空气断路器，实现了可以统计设备的用电信息并存储起来，用户在需要时可以查看，从而方便用户根据用电信息更加合理地布置用电设备，提高了用户体验；RS485接口单元可以方便处理器与外界相互传输数据。
附图说明
图1是根据本发明实施例的智能断路器的框图；
图2是根据本发明实施例的智能断路器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，根据本发明的实施例的智能断路器，包括：
用电信息采集单元，用于采集当前电路的用电信息并发送至处理器，所述用电信息包括电压、电流、功率因数和在预设时间段内的用电量；
所述处理器，连接至所述用电信息采集单元和存储单元，用于将从所述信息采集单元接收到的所述用电信息发送至所述存储单元；
所述存储单元，用于存储从所述处理器接收到的用电信息；
漏电保护单元，用于在检测到当前电路漏电时断开所述智能断路器的开关；
Wi-Fi通信单元，连接至所述处理器；
RS485接口单元，连接至所述处理器。
优选地，所述漏电保护单元为A型漏电保护器。
所述处理器可以为MSP430G2553单片机。
本发明中的空气断路器，实现了可以统计设备的用电信息并存储起来，用户在需要时可以查看，从而方便用户根据用电信息更加合理地布置用电设备，提高了用户体验；RS485接口单元可以方便处理器与外界相互传输数据。
在一种具体实施方式中，本发明中的断路器如图2所示：
电源电路包括两部分：220VAC～5VDC电源电路和5VDC～3V3DC 电源电路两部分。这两部分都采用开关电源方案，相对于工频变压器和传统的LDO方案，具有功耗小，效率高，体积小，重量轻的优点。
220VAC～5VDC电源电路采用NCP1015非隔离方案，电路简单，采用十几个电子元件即可实现AC80～260V输入到DC5V的交直流变换。由于采用先进的动态自供电(DSS),NCP1015的工作电压可以直接从漏极吸取，因此省去了辅助线圈，实现简化电路，减少了变压器所占的体积，以及降低了成本。5VDC～3V3DC电源的核心器件采用TI公司的DC/DC开关电源芯片TPS5401，相对于常规的降压LDO，电源转换效率得到提高。
用电信息采集单元采用Cirrus Logic公司的CS5463计量方案。该芯片具有性价比高，抗干扰能力强，测量精度高等优点。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。
用电信息采集单元的电压测量采用分压电阻来实现，220V高压经过电阻分压，R9两侧得到的是毫伏级的低压交流小信号，送入CS5463的前端电电压采集通道VIN-和VIN+。
用电信息采集单元的电流测量采用锰铜电阻来实现，大电流经过锰铜电阻R10，在R10电阻两侧得到的mV级的低压小信号，送入CS5463的前端电电流采集通道IIN-和IIN+。
计量芯片CS5463的电压通道和电流通道及外围电路，将交流小信号送入计量芯片内部。该空气断路器计量单元的两个采集通道，都加入了保护二极管，使两个通道有干扰信号输入的情况下也可保持在 一定的电压范围之内；电流采集通道还加入了滤波电感和压敏电阻，来增强两个通道的抗干扰能力和保证数据采集的精确性。
掉电检测电路的作用是在220V交流电突然断掉的情况下，给空气断路器MCU提供一个中断信号，空气断路器MCU根据这个中断信号进行掉电监测处理。掉电监测的作用是将接入线路的当前的用电信息及时存储，防止掉电造成的用电信息丢失。
掉电检测前端电路是将220V交流电转换为低压方波信号。该低压方波信号送入TLC555ID定时器，使用该定时器的强大功能可以进一步将方波信号转换为高电平信号。在有220V交流电的情况下，PD_INT是高电平，在没有220V交流电即掉电的情况下，PD_INT变为低电平；由此，在掉电时，PD_INT引脚将产生一个下降沿中断信号给空气断路器MCU，空气断路器MCU利用此中断信号即可进行掉电监测处理。
数据存储单元是用的是AT24C64,AT24C64是存储容量达64Kbit(8K*8bit)的EEPROM。存储器器里面自动存储的数据存储时可选择加密存储，大大增加了数据存储的安全性。
处理器的MCU选择的是MSP430G2x53系列中的MSP430G2553。具有超低功耗特性的MSP430单片机特别适合低成本传感器系统，此类系统负责捕获模拟信号、将之转换为数字值、随后对数据进行处理以进行显示或传送至主机系统。
漏电保护单元选用A型漏电保护器专用电路FM2147。AC型漏电保护器只对交流漏电起保护作用，对直流脉动漏电不能动作，起不到 保护作用；而A型漏电保护器除了对交流漏电起保护外还对直流脉动漏电起保护作用。因此，A型比AC型对漏电保护更具有全面性和安全性。直流脉动漏电引发的人体触电、用电设备损坏、电气火灾等时有发生，造成了本不该发生的人员伤亡及财产损失，已经引起了政府部门和业界人士的高度重视。大力推广使用A型漏电保护器势在必行。AC型(普通型)使用比较普遍，北美、西欧国家拒绝使用AC型漏电保护装置。
该电能空气断路器要自动存储接入线路一月的用电数据，必须要有时钟。在空气断路器上电时，时钟可通过RS485接口从外部设备获得。为了避免长时间运行后，空气断路器系统时钟和真实时间偏移过大，每隔一定的周期，空气断路器通过RS485接口要外部设备进行一次校时。
空气断路器的存储单元，可根据存储数据的多少，选择不同容量的存储芯片；数据存储和对外通信时的加密算法也可根据单片机资源和对加密性能的要求，采用不同的加密算法。计量芯片的选择也有很大的灵活性，生产电能计量芯片的厂家很多，计量芯片种类和型号也非常丰富，可以根据不同的需要，选择性价比较高的单相电能计量芯片来替换本发明中使用的计量芯片。空气断路器的RS485接口芯片可根据性能、成本需求选择不同厂商的芯。
本发明中的空气断路器，首先能够高精度的计量接入线路的相关用电信息，包括接入线路的电压、电流、功率、功率因数、电量等；利用时钟信号还能自动存储接入线路最近一月的用电信息，以1分钟 为一个刻度，精确计量并记录这1分钟内的平均功率和平均用电电量。同时根据时钟信号，还可以自动存储所接入线路最近一个月内的异常状态信息，即记录所接入线路每次出现异常状态的时间点和异常状态的类型。
该计量芯片的采集通道的滤波和抗干扰元件使用丰富，大大增强了空气断路器的抗干扰性和保证了计量数据的精度。
Wi-Fi通信单元使用的射频芯片是TI公司的CC3100，CC3100具有业界最低的功耗(适用于电池供电式设备)，以及低功耗射频和高级低功耗模式；以及高度的灵活性，可将任何微控制器(MCU)与CC3100解决方案配合使用。可利用快速连接、云支持和片上Wi-Fi、互联网和稳健的安全协议实现针对IoT的简易型开发，无需具备开发连接型产品的先前经验。
该空气断路器的Wi-Fi通信单元配合处理器，实现和家庭无线路由器的信息交互。目前，家庭无线路由器已经非常普及。智能空气断路器采用Wi-Fi通信方式，可以直接和家庭路由器通信，省去了额外的家庭网关，对于用户和厂商来说在一定程度上降低了费用。另外，Wi-Fi最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps，另外它的有效距离也很长，其主要特性为：速度快、可靠性高。近几年，各大芯片厂商像TI、高通、美信、MTK都推出了面向智能家居和智能硬件的低成本Wi-Fi芯片，为基于Wi-Fi通信的智能所接入线路设计研发奠定了基础。基于以上原因使Wi-Fi成为当下非常流行的轻智能家居技术。在家庭智能所接入线路Wi-Fi节点相对较少的情况下，Wi-Fi成为 首选的通信方式。
空气断路器的MCU在对用电数据存储前先进行加密，所以存储单元里面的数据都是经过加密的，即使意外被他人读取到存储芯片的数据，没有密钥的情况下，也很难破解到里面的真实数据。空气断路器的对外通信都采用了加密算法，保证了数据通信的安全性，对于对安全性要求较高的智能所接入线路且需要电能计量的智能所接入线路是较好的选择。
漏电保护电路选用A型漏电保护器专用器件，A型比AC型对漏电保护更具有全面性和安全性。
该空气断路器除具有用电保护功能外，还具有用电信息采集、RS485通信功能，为家庭智能用电提供了完整的终端方案，具有广阔市场前景。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种智能断路器，其特征在于，包括：
用电信息采集单元，用于采集当前电路的用电信息并发送至处理器，所述用电信息包括电压、电流、功率因数和在预设时间段内的用电量；
所述处理器，连接至所述用电信息采集单元和存储单元，用于将从所述信息采集单元接收到的所述用电信息发送至所述存储单元；
所述存储单元，用于存储从所述处理器接收到的用电信息；
漏电保护单元，用于在检测到当前电路漏电时断开所述智能断路器的开关；
Wi-Fi通信单元，连接至所述处理器；
RS485接口单元，连接至所述处理器。
2.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，所述漏电保护单元为A型漏电保护器。
3.根据权利要求1所述的智能断路器，其特征在于，所述处理器为MSP430G2553单片机。
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