CN106329239A - 物联网wifi智能插座 - Google Patents

Abstract

一种采用物联网 WIFI 智能插座，其中的防雷电路和电源噪声滤波器，可有效抑制雷电和电网中的瞬变、浪涌等，保护了用电设备不受其干扰、损坏，采用电能计量芯片和微处理器结合，通过显示屏能够直观地观察连接在插座上的用电设备正在运行或待机时的电气参数，使用户对于用电设备节电情况一目了然，更具有实用性及方便性；采用了磁保持继电器及低功耗器件，可维持其工作做到节能。当插座上用电设备负载超过设定值后可自动断电，以确保设备安全；通过手机端的配置程序，可远程控制其操作打开或者关闭指定的用电设备；一种采用 WIFI 技术控制的智能插座，设有通用的 USB 输出插座，可方便为数码产品提供充电。

Description

物联网 WIFI 智能插座

技术领域

本发明涉及一种智能插座，尤其涉及一种采用物联网技术控制的物联网 WIFI 智能插座。

背景技术

随着科学技术和经济的飞速发展 , 人民生活的生活水平得以不断提高，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。跟随着物联网技术的发展，智能家居也逐渐成为了现实，中国网民数量 2014 已达 6.32 亿，国互联网络信息中心 21 日发布数据显示。截至今年 6 月，我国网民手机上网使用率达 83.4% ，首次超越传统 PC 使用率，手机作为第一大上网终端设备的地位更加稳固，智能家居也就逐渐成为了现实，采用智能手机控制电视、冰箱、窗帘、灯光等功能在内的系统，使人们的生活从各个方面变得更加安全、舒适、简单。

物联网 WIFI 智能插座它利用了现有家庭中的 WiFi 网络，让您的智能手机或平板电脑等在联网条件下，能通过 App 操作打开或者关闭指定的电器。而且由于智能插座能够做到让电器完全断电，对于电视机、电热水器等待机功率较大的电器，用智能插座控制后就能做到随用随开，每个月也能省下可观的电费。

目前现有的 WiFi 智能插座只是增加了 WiFi 控制功能，通过手机等控制 WiFi 智能插座开启或关闭用电设备的电源，单纯只是具备供电功能，远远不能满足大众需求。

发明内容

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种具有防雷、噪声滤波、电能计量，过压过流保护并且能节能减耗、可以实时控制通断的采用 WIFI 技术控制的物联网 WIFI 智能插座。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种采用 WIFI 技术控制的物联网 WIFI 智能插座，包括防雷单元 1 、电源噪声滤波器单元 2 、电流 / 电压传感器单元 3 、电能计量单元 4 、微处理器单元 5 、驱动单元 6 、继电器单元 7 、用电设备插座 8 、整流滤波单元 9 、 USB 充电口 10 、 DC 降压单元 11 、 WiFi 串口模块 12 、 LCD 显示单元 13 、键盘输入单元 14 及声音单元 15 组成。

进一步， 220V 交流市电送入防雷单元 1 ，其输出送入电源噪声滤波器单元 2 ，电流 / 电压传感器单元 3 的输入来自电源噪声滤波器单元 2 的输出，电流 / 电压传感器单元 3 将检测到的电流 / 电压信号输出到电能计量单元 4 ，微处理器单元 5 与电能计量单元 4 进行通讯，将实时用电情况输出到 LCD 显示单元 13 予以显示。

进一步，电源噪声滤波器单元 2 的输出同时送入到整流滤波单元 9 ，经整流滤波后的电压一路输出到 USB 充电口 10 ，对需要充电的数码产品输出 5V 直流电压进行充电；经整流滤波后的电压同时送往 DC 降压单元 11 ，经降压处理后输出到电能计量单元 4 、微处理器单元 5 和 WiFi 串口模块 12 ，为其提供 3.3V 稳定可靠的直流电压。

进一步，微处理器单元 5 与 WiFi 串口模块 12 进行双向通信，根据 WiFi 串口模块 12 输出信号的需求，控制继电器单元 7 的动作，对用电设备进行供电或断电。

微处理器单元 5 接收来自 WIFI 串口模块 12 输出、键盘输入单元 14 输入、电能计量单元 4 的输出信号，继电器单元 7 的静触点与用电设备插座 8 相连，通过电源噪声滤波器单元 2 的交流输出送入到继电器单元 7 的动触点；键盘输入单元 14 送出手动按键信号给微处理器单元 5 ，经驱动单元 6 用于手动控制继电器单元 7 的动作，接入或断开交流电源通道； WIFI 串口模块 12 输出给微处理器单元 5 ，经驱动单元 6 用于控制继电器单元 7 的动作；电能计量单元 4 检测到过压、过流等非正常状态信号时，输出信号给微处理器单元 5 ，经驱动单元 6 控制磁保持继电器立即关断电源，电能计量单元 4 在检测到电压、电流恢复正常时，输出信号给微处理器，经驱动单元 6 控制磁保持继电器开启电源，在最大程度上保证用电设备的安全。

进一步，微处理器单元 5 与键盘输入单元 14 连接，进行人机对话；微处理器单元 5 与声音单元 15 连接，发出警示声音。

本发明的有益效果在于：

1. 一种采用物联网 WIFI 智能插座，其中的防雷电路和电源噪声滤波器，可有效抑制雷电和电网中的瞬变、浪涌等，保护了用电设备不受其干扰、损坏，提高了用电质量，保证了用电设备的稳定运行，延长了用电设备的使用寿命，降低了用电设备的故障率及维修费用，达到了对用电设备节电和保护的双重功效；

2.一种采用物联网 WIFI 智能插座，采用电能计量芯片和微处理器结合，通过显示屏能够直观地观察连接在插座上的用电设备正在运行或待机时的电气参数，使用户对于用电设备节电情况一目了然，更具有实用性及方便性；

3.一种采用物联网 WIFI 智能插座由于采用了磁保持继电器及低功耗器件，可维持其工作做到节能；

4. 一种采用物联网 WIFI 智能插座，当插座上用电设备负载超过设定值后可自动断电，以确保设备安全；

5. 一种采用物联网 WIFI 智能插座，通过手机端的配置程序，可远程控制其操作打开或者关闭指定的用电设备；

6. 一种采用物联网 WIFI 智能插座，设有通用的 USB 输出插座，可方便为数码产品提供充电。

附图说明

图 1 为本发明工作原理框图 ;

图 2 为本发明中防雷单元工作原理框图；

图 3 为本发明中电源噪声滤波器单元工作原理框图；

图 4 为本发明中电能计量单元工作原理框图；

图 5 为本发明中磁保持继电器驱动电路图工作原理框图；

图 6 为本发明中 USB 口输出工作原理框图；

图 7 为本发明中 WiFi 串口模块工作原理框图；

图 8 为本发明中 DC 降压单元工作原理框图；

图 9 为本发明中计量软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图 1 所示，一种采用物联网 WIFI 智能插座，其特征在于 : 包括防雷单元 1 、电源噪声滤波器单元 2 、电流 / 电压传感器单元 3 、电能计量单元 4 、微处理器单元 5 、驱动单元 6 、继电器单元 7 、用电设备插座 8 、整流滤波单元 9 、 USB 充电口 10 、 DC 降压单元 11 、 WiFi 串口模块 12 、 LCD 显示单元 13 、键盘输入单元 14 及声音单元 15 组成。

其中，所述微处理器单元 5 中，采用的微处理器是型号为 M5P430x15x 的主控器芯片。

其中，所述电能计量单元 4 中采用的是型号为 ATT7053AU 的电能计量专用芯片。

其中，所述 WiFi 串口模块 12 采用的是 TLN13U06WIFI

图 2 为本发明中防雷单元工作原理框图 , 交流输入电源火线（ L ）与自恢复保险丝 101 的一端相连，自恢复保险丝 101 的另一端与带温度保护的第一氧化锌压敏电阻 102 与零线（ N ）相连接，组成第一级差模保护电路， 102 就是带合金型温度保险丝的压敏电阻， 103 是合金型温度保险丝， 104 是氧化锌压敏电阻，它们组合在一起能避免因氧化锌压敏电阻劣化、失效产生过热而产生的火灾隐患。同时自恢复保险丝 101 的另一端与带温度保护的第二氧化锌压敏电阻 105 通过放电管 111 与地线（ G ）相连接，与零线（ N ）相连接，组成第二级共模保护电路。当有雷击发生时，交流输入电源线在瞬间内感应到相当强度的脉冲电压和电流在经过第一级差模保护电路后通过带温度保护的第二氧化锌压敏电阻 105 中的 106 温度保险丝、 107 氧化锌压敏电阻再经过放电管 111 与地线（ G ）进行泄放，进一步缓解了脉冲电压和电流的强度。

交流输入电源零线（ N ）与带温度保护的第三氧化锌压敏电阻 108 相连，再通过放电管 111 与地线（ G ）相连接，它们组成了第三级共模保护电路，当有雷击发生时，交流输入电源线在瞬间内感应到相当强度的脉冲电压和电流在经过第一级差模保护电路后通过带温度保护的第三氧化锌压敏电阻 108 中的 109 温度保险丝、 110 氧化锌压敏电阻再经过放电管 111 与地线（ G ）进行泄放，再进一步缓解了脉冲电压和电流的强度。温度保险丝 109 的作用仍然是对氧化锌压敏电阻 110 进行保护，放电管 111 两端的电压高过其保护规格值时 , 其内部会出现短路现象 , 并吸收掉输入的过高压。

图 3 为本发明中电源噪声滤波器单元工作原理框图 , 随着现代科学技术的飞速发展，电子、电力电子、电气设备应用越来越广泛，它们在运行中产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满整个空间，形成复杂的电磁环境。会影响在此环境中运行的各种电子设备的正常工作于是抑制电磁干扰的技术也越来越受到重视。

电源噪声滤波器是一种新型器件，它能有效地抑制交流电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力和系统的可靠性。其作用是双向的，一方而消除或削弱来自交流电网的噪声干扰，保证电子设备的正常运行 ; 另一方而可以防止电子设备本身产生的噪声窜入交流电网。图 2 中 C01 的作用是滤除电源导线中的对称干扰，； C03, C04 与 L 组成对称性型低通滤波器，滤出共模噪声，工频 50/60Hz 交流电可以直接通过； C02 滤出串模噪声。

图 4 为本发明中电能计量单元工作原理框图，计量芯片 ATT7053AU 是一片带 SPI 的单相多功能计量芯片（ EMU ）。

经电压传感器 VT1 采样后将电压信号送入到运算放大器 IC300, 经放大整形后的电压信号送入计量芯片 IC301 的 V3P+ 和 V3N- ；交流电流采样通过穿心电流传感器 IT1 采集，采样后的信号送入计量芯片 IC301 的 I2P+ 和 I2N- 。

、 C306 、 R305 及晶振 JZ1 组成计量芯片 IC301 的外部振荡电路，计量芯片 IC301 的 22 脚为晶振输入， 23 脚为晶振输出。

计量芯片 IC301 的 18 脚（ SPICS ） : 片选信号， CS 发生下降沿跳变时表示 SPI 操作开始， CS 发生上升沿跳变时表示 SPI 操作结束；

19 脚 (SPIDI) ：串行数据输入，用于把数据传输到 ATT7053AU 中；

20 脚（ SPIDO ） : 串行数据输出 , 用于从 ATT7053AU 寄存器中读出数据；

21 脚（ SPICLK ）： SPI 时钟信号输入，控制数据移出或移入串行口的传输率；

1 脚（ DVDD ） : 数字电源 3V ～ 3.6V ；

12 脚（ VREF ） :ADC 参考电压输出，典型值 1.225V ，需要外接电容 C303 和电容 C304 。

电能计量单元中的计量芯片 ATT7053AU 根据采样电路输人的电压电流算出电能，然后把电压、电流及功率由串行接口传送给微处理器，微处理器根据送入的指令在液晶显示屏显示测量结果，同时具有测量累计用电电量、插座负载的瞬时功率、累计用电时间的功能，停电时，数据会自动保存。

图 5 是主磁保持继电器驱动电路图，磁保持继电器作为继电器的一种，也是一种自动开关，对电路起自动接通和切断作用，所不同的是，磁保持继电器的常闭常开作用完全是依赖永久磁钢的作用，其开关状态的转换是靠一定量的脉冲电信号的触发而完成的，因此，具有省电节能、性能稳定、体积小、承载能力大的特点，比一般电磁继电器性能优越。

本发明采用 BL8023 双向继电器驱动集成电路，用于控制磁保持继电器的工作，它具有输出电流大，静态功耗小的特点。工作电压在 5-16V 静态功耗电流 <1OnA ，输入高低转换电平在 2V 左右，与各种微处理器兼容，工作温度适用范围 :-40 ℃一 80 ℃。

输入 A.B 用电平触发应在输入加入电阻 6R1 、 6R2 到地，保持低电平。这样需要继电器工作就可以在 A 端加高电平，反之在 B 端加高电平，按功能表状态工作。 BL8023 双向继电器驱动集成电路管脚功能如下：

（ 1 ）输入 A. 接触发脉冲，也可接电平触发。（ 2 ）输入 B. 接触发脉冲，也可接电平触发。（ 3 ） 2 脚、 6 脚是空脚。（ 4 ）输出 QA 接继电器的线包一端。（ 5 ）输入 QB 接继电器的线包另一端。（ 6 ） Vdd 加继电器工作电压正端。（ 7 ） V ss 加继电器工作电压负端。 在图中可以看到微处理器接收来自 WIFI 串口模块输出、键盘输入单元输入、电量计量单元输出信号，微处理器输出经驱动电路和二极管 5D1 、 5D2 送入双向继电器驱动集成电路 BL8023 （ IC5 ）的 3 脚输入 A 和 7 脚输入 B, 控制磁保持继电器 5J 的动作开启或关闭，键盘输入单元送出手动按键信号给微处理器，用于手动控制磁保持继电器的动作，接入或断开交流电源通道；电量计量单元在检测到过压、过流等非正常状态信号时，输出信号给微处理器，控制磁保持继电器立即关断电源，电量计量单元在检测到电压、电流恢复正常时，输出信号给微处理器，控制磁保持继电器开启电源，在最大程度上保证用电设备的安全。

图 6 为本发明中 USB 口输出工作原理框图，电路采用了一款单芯片的同步降压稳压器 CX8505 ，在输入电压范围内可提供持续的 3A 负载电流，采用的电流控制模式有快的瞬态响应和不间断的过流检测，具有软启动、低压保护、过温保护、过流保护等功能，在待机模式下电流仅为 0.3 u A 。经整流滤波后输出的直流电压经电容 6C1 、 6C2 滤波加到 IC6 芯片的 2 脚， 2 脚电源输入端，输入电压范围在 4. 75V-30V 之间，在输入和地之间接上合适大小的旁路电容，可减少输入到芯片的噪声； 1 脚为芯片内部驱动栅极输入端，在 1 和 3 之间连接一个 0.01 u F 或更大的升压电容 6C4 ，充电升压后为芯片内部 N 沟道 MOSFET 提供驱动； 3 脚为功率开关管输出端，为输出提供能量， LC 滤波器 6L1 连接在 3 和输出端； 7 脚为使能输入端， 6R1 为上拉电阻用于自动启动； 8 脚软启动控制输入端， 8 脚到地之间的电容 6C3 大小决定了软启动的时间， 5 脚反馈输入端，输出电压经过电阻 6R4 、 6R3 分压后提供给 5 脚的输入，通过这个采样反馈来调节输出电压； 6 脚补偿端，在 6 脚和地之间的由 6C5 、 6R2 组成串联的 RC 网络用来补偿系统的闭环控制， 4 脚为地； 3 脚输出电压经 6L1 和 6C7 滤波后输出 5V 电压给 USB 输出插座，为数码产品提供充电。

图 7 为本发明 WIFI 串口模块工作原理框图， WiFi 串口模块，又称为嵌入式 WiFi 模块，是内嵌 TCP/IP 协议的 WiFi 模块。其硬件构成主要是由内嵌的一个单片机和 WiFi 模块构成，单片机要实现裸机驱动程序和 TCP/IP 协议， WiFi 模块则必须完成数据的无线收发。嵌入式 WiFi 模块对外提供 UART 串口或者 SPI 接口，因而可以通过串口或者 SPI 接口和外接微处理器连接，让设备轻松接入 Internet 网络。

串口模块 IC7 选用 TLN13U06WIFI ，休积小，功耗低。本产品采用异步收发传输器（ UART ）接口 , 内置 lEEE802. 11 协议栈以及 'I'CP/IP 协议栈，能够实现用户串口到无线网络之间的转换。

串口模块 IC7 TLN13U06WIFI 与微处理器 IC100 在硬件上连接十分简单， TLN13U06WIFI 的 1 脚与微处理器 IC100 的 CTS 脚连接， CTS （ Clear To Send ）允许发送：为输入信号，由 TLN13U06WIFI 芯片产生，通知微处理器可以传送数据。

的 2 脚与微处理器 IC100 的 RTS 脚连接， RTS （ Request To Send ）请求发送：为输出信号，由微处理器 IC100 产生，通知模块可以发送数据。

的 6 脚与微处理器的 TX 端连接，用于串口数据传送。

的 7 脚与微处理器的 RX 端连接，用于串口数据接收。

实际实用中首先通过手机端的配置程序，配置模块要连接的路由器的名称 (SSID) 和密钥 ;

通过手机端的配置程序，配置模块要连接远程服务器的 IP 地址 ;

配置模块上电连接远程服务器 ;

手机等控制终端连接远程服务器，下达命令 ;

远程服务器将用户指令下发给住宅中的 WiFi 串口模块 ;

WiFi 串口模块通过微处理器及其它相关电路完成对用电设备相应的通、断动作。

图 8 为本发明中 DC 降压单元工作原理框图，整流滤波单元输出的直流电压送入由 AMS1117 （ IC800 ）的输入端 3 脚， AMS1117 是一个正向低压降稳压器， AMS1117 内部集成过热保护和限流电路。 2 脚输出稳定的 3.3V 直流电压，为电能计量单元 4 、微处理器单元 5 和 WIFI 串口模块提供所需工作电压， C800 、 C801 、 C802 是滤波电容器。

本发明物联网 WIFI 智能插座软件采用 C 语言编写，软件功能模块较多，程序较大在此就不予以详细阐述，图 9 只是其中功能模块的一个。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知的现有技术，虽然本发明己通过有关的实施案例进行了图示和描述，但是，本专业技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种采用物联网WIFI智能插座,其特征在于：包括防雷单元（1）、电源噪声滤波器单元（2）、电流/电压传感器单元（3）、电能计量单元（4）、微处理器单元（5）、驱动单元（6）、继电器单元（7）、用电设备插座（8）、整流滤波单元（9）、USB充电口（10）、DC降压单元（11）、WiFi串口模块（12）、LCD显示单元（13）、键盘输入单元（14）及声音单元（15）组成；220V交流市电送入防雷单元（1），其输出送入电源噪声滤波器单元（2），电流/电压传感器单元（3）的输入来自电源噪声滤波器单元（2）的输出，电流/电压传感器单元（3）将检测到的电流/电压信号输出到电能计量单元（4），微处理器单元（5）与电能计量单元（4）进行通讯，将实时用电情况输出到LCD显示单元（13）予以显示；电源噪声滤波器单元（2）的输出同时送入到整流滤波单元（9），经整流滤波后的电压一路输出到USB充电口（10），对需要充电的数码产品输出5V直流电压进行充电；经整流滤波后的电压同时送往DC降压单元（11），经降压处理后输出到电能计量单元（4）、微处理器单元（5）和WiFi串口模块（12），为其提供3.3V稳定可靠的直流电压；微处理器单元（5）接收来自WIFI串口模块（12）输出、键盘输入单元（14）输入、电能计量单元（4）的输出信号，继电器单元（7）的静触点与用电设备插座（8）相连，通过电源噪声滤波器单元（2）的交流输出送入到继电器单元（7）的动触点；键盘输入单元（14）送出手动按键信号给微处理器单元（5），经驱动单元（6）用于手动控制继电器单元（7）的动作，接入或断开交流电源通道；WIFI串口模块（12）输出给微处理器单元（5），经驱动单元（6）用于控制继电器单元（7）的动作；电能计量单元（4）检测到过压、过流等非正常状态信号时，输出信号给微处理器单元（5），经驱动单元（6）控制磁保持继电器立即关断电源，电能计量单元（4）在检测到电压、电流恢复正常时，输出信号给微处理器，经驱动单元（6）控制磁保持继电器开启电源，在最大程度上保证用电设备的安全；微处理器单元（5）与键盘输入单元（14）连接，进行人机对话；微处理器单元（5）与声音单元（15）连接，发出警示声音。

2.根据权利要求1所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：通过防雷单元（1）在交流输入电源电路中的火线和零线之间，火线和地线之间，零线和地线之间设立了差模和共模防雷保护电路，电路采用带合金型温度保险丝的压敏电阻与合金型温度保险丝和氧化锌压敏电阻组合在一起能避免因压敏元件劣化、失效产生过热而产生的火灾隐患。

3.根据权利要求1所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：通过电源噪声滤波器单元（2），能有效地抑制交流电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力和系统的可靠性。

4.根据权利要求1所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：采用电能计量芯片ATT7053AU对交流采样及计量，采样电路把所输入的电压电流信号转变成ATT7053AU可接受的小电压信号，ATT7053AU根据采样电路输人的电压电流算出电能，然后把电压、电流及功率由双向串行接口传送给微处理器，微处理器根据送入的指令在液晶显示屏显示测量结果，同时具有测量累计用电电量、插座负载的瞬时功率、累计用电时间的功能，停电时，数据会自动保存。

5.根据权利要求1所述所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：采用了双向继电器驱动集成电路BL8023，用于控制磁保持继电器的工作，节能降耗，可靠性高。

6.根据权利要求1所述所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：采用了一款单芯片的同步降压稳压器CX8505，在输入电压范围内可提供持续的3A负载电流，输出5V电压给USB输出插座，为数码产品提供充电。

7.根据权利要求1所述所述一种采用物联网WIFI智能插座，其特征在于：选用WiFi串口模块TLN13U06WIFI ，通过异步收发传输器（UART）接口和外接微处理器连接，让设备轻松接入Internet网络，通过手机端的配置程序WiFi串口模块通过微处理器及其它相关电路完成对用电设备相应的通、断动作。