CN107492770A - 一种智能安全插座 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能安全插座，包括插座本体、开关器件和智能化控制电路板，插座本体上设有供电接口、工作指示灯、LED夜灯、USB接口和显示屏，开关器件设置在供电电极的火线输入端和火线输出端之间，智能化控制电路板上设有微处理器、开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、电源转换模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块、人体热释电红外传感器和计时器，开关器件、人体热释电红外传感器和计时器均与开关控制模块相连接，工作指示灯、LED夜灯和USB接口均与电源转换模块相连。本智能安全插座的智能化及安全性能好，操作使用方便，功能齐全，有效提高用户使用体验度。

Description

一种智能安全插座
技术领域
本发明涉及智能家居技术领域，具体地说是涉及一种智能安全插座。
背景技术
智能家居诞生于美国，随后传播到欧洲、日本等发达国家，并且随着通信技术、计算机网络技术与电子技术的飞速发展，给智能家居提供了有利的实现平台，给追求快捷、安全、时尚的家居生活带来了全新的体验。其中，智能插座是目前最为普及的智能家居产品。现有比较盛行的智能插座主要为功能较为单一的计量插座、遥控插座及定时插座等节能型插座产品，能够解决部分实际问题，但仍存在各种缺陷。计量插座能够直观反映出插座上的电器运行功率，电流，电压等信息，仅仅能够让用户知道电器的耗电情况，需要具备一定专业知识的用户才能根据测量结果分析电器是否耗电正常，才能及时发现电器异常，避免不正常耗电。定时插座能够控制用电器在特定时段工作，在一定程度上减少了空闲时段的能源浪费，但实际用电时段并非固定，情况一旦变化，需要重新进行设定，使用不方便。遥控插座需要配备专用遥控器，成本较高而且使用麻烦，难以得到用户接受。另外，这些插座不能同时具备全面的电网参数测量和负载控制功能，无法对用电器实现安全保护，更无法避免长期超负荷用电引发的安全事故。
智能插座属于新兴的电气产品，需要满足现代化人们的生活质量及家居环境的要求，能够实现自动化、人性化、智能化及远程控制化的智能家电管控功能。为了满足现代人们对智能家居系统的要求，需要设计出新型的智能安全插座，其必须具有智能化、信息化及安全化的特点，除具有电源开关功能外，还应该具备以下功能：1）控制功能：智能插座应能通过开断电源，来控制插座上电器的供电。2）通信功能：智能插座要与智能家居系统的智能网关进行通信，将数据传送给网关或响应网关的命令，保证智能家居系统的正常工作。3）安全保护功能：智能插座需要具备防雷电、防短路、防高压、防漏电、防过载等安全保护功能，以保证智能家居系统的正常安全工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能安全插座，该智能安全插座整体结构设计巧妙，操作使用方便，具有智能化、信息化、安全化及人性化的特点，智能化及安全性能好，能够满足智能家居系统的管控需要，功能齐全，有效提高用户使用体验度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种智能安全插座，包括插座本体、设置在插座本体上的开关器件和智能化控制电路板，所述插座本体上设有供电接口、工作指示灯、LED夜灯、USB接口和显示屏，供电接口内设有供电电极，所述供电电极连接零线、火线和地线，所述开关器件设置在供电电极的火线输入端和火线输出端之间，所述智能化控制电路板上设有微处理器、开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、电源转换模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块、人体热释电红外传感器和计时器，所述开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块和安全防护模块均与微处理器相连，所述电源转换模块为智能化控制电路板提供直流电源，所述开关器件、人体热释电红外传感器和计时器均与开关控制模块相连接，所述工作指示灯、LED夜灯和USB接口均与电源转换模块相连，所述显示屏与显示模块相连。
作为本发明的一种改进，所述开关器件采用继电器，所述开关控制模块采用继电器线圈供电控制电路，所述继电器线圈供电控制电路包括第一微控制器、锁存器、P型MOS管和N型MOS管，所述人体热释电红外传感器和计时器均与第一微控制器的输入端相连，所述锁存器包括控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端和控制信号输出端，所述控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端均连接第一微控制器的输出端，所述N型MOS管的栅极与锁存器的控制信号输出端连接，N型MOS管的漏极与P型MOS管的栅极连接，P 型MOS管的源极连接DC/DC转换模块的输出端，P型MOS管的漏极连接继电器线圈。所述锁存器的输出使能信号输入端和锁存使能信号输入端分别连接有一个下拉电阻。
作为本发明的一种改进，所述电源转换模块包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块的交流输入端连接市电，AC/DC转换模块的直流输出端连接DC/DC转换模块的输入端，DC/DC转换模块的输出端连接微处理器、开关控制模块、无线通信模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块和人体热释电红外传感器，从而为它们提供工作所需的直流电源。
作为本发明的一种改进， 所述状态存储模块采用EEPROM存储器，所述无线通信模块采用无线WIFI模块或2.4G无线模块，所述备用电源模块采用可拆换锂电池。
作为本发明的一种改进，所述无线通信模块采用2.4G无线模块，具体采用nRF24L01无线模块，具有高速率、低功耗等优点。
作为本发明的一种改进，所述环境监测模块包括第二微控制器以及与第二微控制器相连的温湿度传感器、光照度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳浓度传感器、噪音传感器和MQ2烟雾传感器。
作为本发明的一种改进，所述电流检测模块采用ACS712ELCTR-05B霍尔传感器，其最大的监测电流为±5A。
作为本发明的一种改进，所述安全防护模块包括防雷击单元、过压保护单元、过流保护单元、漏电保护单元和短路保护单元，所述过压保护单元采用MAX6495芯片和N沟道MOSFET管实现，其中，N沟道MOSFET管的栅极连接MAX6495芯片的GATE引脚，N沟道MOSFET管的漏极连接MAX6495芯片的IN引脚和SHDN引脚，N沟道MOSFET管的源极连接MAX6495芯片的OUTFB引脚。
作为本发明的一种改进，所述显示模块为LCD驱动器，所述显示屏采用LCD屏。
作为本发明的一种改进，所述微处理器采用DSP+FPGA双内核架构的双核控制器实现，其中，DSP采用TMS320F2812，FPGA采用作为DSP辅助处理器的XC3S500E，DSP和FPGA能够协同控制，所述第一微控制器采用STM32单片机实现，第二微控制器采用ATM89C51单片机芯片实现。
相对于现有技术，本发明所提出的智能安全插座的整体结构设计巧妙，拆卸组装维修更换方便，成本较低，外形紧凑美观，操作使用方便，具有智能化、信息化、安全化及人性化的特点，能够通过开关器件和智能化控制电路板实现插座的按需开启与关断，有效控制插座上家用电器的供电，不仅有效节约能源，同时也在一定程度上实现了对家用电器的安全保护作用，通过智能化控制电路板上的无线通信模块与智能家居系统中的智能网关进行通信，实现与智能网关的数据互通，从而实现用户远程遥控家用电器开关状态的功能，有效保证了智能家居系统的智能化、人性化控制使用性能。此外，由于在插座的智能化控制电路板上设有包括防雷击单元、过压保护单元、过流保护单元、漏电保护单元和短路保护单元的安全防护模块，能够有效确保插座本身及插接在插座上的家用电器的安全可靠使用性能；插座上设置的显示屏能够为用户提供电量、功率、环境监测数据等电参数的显示功能，USB接口的设置能够确保插座的供电多样性，LED夜灯、WIFI信号放大模块、人体热释电红外传感器和计时器的设置有效扩展了插座的使用功能，备用电源模块的设置能够有效确保插座在掉电时也能够正常的实现智能控制功能。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述和介绍。
本发明所提出的一种智能安全插座，包括插座本体、设置在插座本体上的开关器件和智能化控制电路板，所述插座本体上设有供电接口、工作指示灯、LED夜灯、USB接口和显示屏，供电接口内设有供电电极，所述供电电极连接零线、火线和地线，所述开关器件设置在供电电极的火线输入端和火线输出端之间，所述智能化控制电路板上设有微处理器、开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、电源转换模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块、人体热释电红外传感器和计时器，所述开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块和安全防护模块均与微处理器相连，所述电源转换模块为智能化控制电路板提供直流电源，所述开关器件、人体热释电红外传感器和计时器均与开关控制模块相连接，所述工作指示灯、LED夜灯和USB接口均与电源转换模块相连，所述显示屏与显示模块相连。
优选的，所述开关器件采用继电器，所述开关控制模块采用继电器线圈供电控制电路，所述继电器线圈供电控制电路包括第一微控制器、锁存器、P型MOS管和N型MOS管，所述人体热释电红外传感器和计时器均与第一微控制器的输入端相连，人体热释电红外传感器采用蜂窝型菲涅尔透镜和BIS0001芯片，通过感应人体的活动，用户可根据其需求调节感应的范围和LED夜灯亮的时间，另外，开关控制模块上的光控开关可以让用户在白天不会触发人体热释电红外传感器，其容错性极高，从而能够节省电能并保护家用电器。计时器用于为用户提供定时开关插座的功能，通过计时器可预设时刻到来时使得控制器件导通或断开。所述锁存器包括控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端和控制信号输出端，所述控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端均连接第一微控制器的输出端，所述N型MOS管的栅极与锁存器的控制信号输出端连接，N型MOS管的漏极与P型MOS管的栅极连接，P 型MOS管的源极连接DC/DC转换模块的输出端，P型MOS管的漏极连接继电器线圈。锁存器用于存储第一微控制器根据人体热释电红外传感器和计时器所反馈的信息而设定的开关控制数据，这样在第一微控制器掉电重启时，能够根据锁存器所存储的数据产生相应的控制信号输出，使开关器件保持原状态。所述锁存器的输出使能信号输入端和锁存使能信号输入端分别连接有一个下拉电阻。
进一步优选的，所述电源转换模块包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块的交流输入端连接市电，AC/DC转换模块的直流输出端连接DC/DC转换模块的输入端，DC/DC转换模块的输出端连接微处理器、开关控制模块、无线通信模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块和人体热释电红外传感器，从而为它们提供工作所需的直流电源。
所述AC/DC转换模块采用VTX-214-010-112电源转换器，所述DC/DC转换模块采用LM1117系列低压差线性稳压器，包括LM1117-1.8V稳压器、LM1117-2.5V稳压器、LM1117-3.3V稳压器和LM1117-5.0V稳压器，通过这四个稳压器分别为微处理器、开关控制模块、无线通信模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块和人体热释电红外传感器提供正常工作时所需的直流电源，从而能够有效确保智能化控制电路板的稳定可靠工作。
更进一步优选的，所述状态存储模块采用EEPROM存储器，具体采用24C64串行I2C总线EEPROM芯片实现，其具有64K bits存储容量，工作电压1.8-5.5V，能够完全兼容I2C总线，擦写寿命可达100万次，完全满足智能安全插座的使用性能及寿命要求。所述无线通信模块采用无线WIFI模块或2.4G无线模块，所述备用电源模块采用可拆换锂电池，具体采用可充电的纽扣式锂离子电池，在当智能安全插座未连接市电的情况下，可通过备用电源模块为智能化控制电路板提供电源，以确保智能安全插座的智能控制功能的使用不受供电电源的限制，提高插座的使用便利性。
更进一步优选的，所述无线通信模块采用2.4G无线模块，具体采用nRF24L01无线模块，其在低功耗方面尤为出色，特别适合采用纽扣锂离子电池供电的2.4GHz应用，并且它与蓝牙相比，在提供更高速率的同时，只需更小的功耗。
更进一步优选的，所述环境监测模块包括第二微控制器以及与第二微控制器相连的温湿度传感器、光照度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳浓度传感器、噪音传感器和MQ2烟雾传感器，通过设置一系列传感器来对智能安全插座所处环境进行实时监测，使得用户实时了解室内环境的质量，从而可为室内环境的空气净化及安全防护以及提高室内环境的人体舒适度提供参考依据。另外，可通过光照度传感器来实现智能安全插座的光控功能，并结合人体热释电红外传感器，可实现白天无人关断插座，夜晚有人开启插座。
更进一步优选的，所述电流检测模块采用ACS712ELCTR-05B霍尔传感器，其最大的监测电流为±5A。
更进一步优选的，所述安全防护模块包括防雷击单元、过压保护单元、过流保护单元、漏电保护单元和短路保护单元，所述防雷击单元采用浪涌保护器，过压保护单元采用MAX6495芯片和N沟道MOSFET管实现，其中，N沟道MOSFET管的栅极连接MAX6495芯片的GATE引脚，N沟道MOSFET管的漏极连接MAX6495芯片的IN引脚和SHDN引脚，N沟道MOSFET管的源极连接MAX6495芯片的OUTFB引脚，当电压超过用户设置的过压门限时，拉低N沟道MOSFET管的栅极，N沟道MOSFET管关断，将负载与插座断开，过流保护单元采用LTC4362芯片实现，漏电保护单元采用漏电断路器实现，短路保护单元采用直流短路保护开关实现。
更进一步优选的，所述显示模块为LCD驱动器，所述显示屏采用LCD屏。
更进一步优选的，所述微处理器采用DSP+FPGA双内核架构的双核控制器实现，其中，DSP采用TMS320F2812，FPGA采用作为DSP辅助处理器的XC3S500E，DSP和FPGA能够协同控制，实现大量数据并行运算，提高微处理器的数据处理实时性，所述第一微控制器采用STM32单片机实现，第二微控制器采用ATM89C51单片机芯片实现。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能安全插座，其特征在于：包括插座本体、设置在插座本体上的开关器件和智能化控制电路板，所述插座本体上设有供电接口、工作指示灯、LED夜灯、USB接口和显示屏，供电接口内设有供电电极，所述供电电极连接零线、火线和地线，所述开关器件设置在供电电极的火线输入端和火线输出端之间，所述智能化控制电路板上设有微处理器、开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、电源转换模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块、人体热释电红外传感器和计时器，所述开关控制模块、无线通信模块、备用电源模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块和安全防护模块均与微处理器相连，所述电源转换模块为智能化控制电路板提供直流电源，所述开关器件、人体热释电红外传感器和计时器均与开关控制模块相连接，所述工作指示灯、LED夜灯和USB接口均与电源转换模块相连，所述显示屏与显示模块相连。
2.如权利要求1所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述开关器件采用继电器，所述开关控制模块采用继电器线圈供电控制电路，所述继电器线圈供电控制电路包括第一微控制器、锁存器、P型MOS管和N型MOS管，所述人体热释电红外传感器和计时器均与第一微控制器的输入端相连，所述锁存器包括控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端和控制信号输出端，所述控制信号输入端、输出使能信号输入端、锁存使能信号输入端均连接第一微控制器的输出端，所述N型MOS管的栅极与锁存器的控制信号输出端连接，N型MOS管的漏极与P型MOS管的栅极连接，P 型MOS管的源极连接DC/DC转换模块的输出端，P型MOS管的漏极连接继电器线圈。
3.如权利要求2所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述电源转换模块包括AC/DC转换模块和DC/DC转换模块，所述AC/DC转换模块的交流输入端连接市电，AC/DC转换模块的直流输出端连接DC/DC转换模块的输入端，DC/DC转换模块的输出端连接微处理器、开关控制模块、无线通信模块、状态存储模块、显示模块、环境监测模块、电流检测模块、WIFI信号放大模块、安全防护模块和人体热释电红外传感器。
4.如权利要求2或3所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述状态存储模块采用EEPROM存储器，所述无线通信模块采用无线WIFI模块或2.4G无线模块，所述备用电源模块采用可拆换锂电池。
5.如权利要求4所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述无线通信模块采用nRF24L01无线模块。
6.如权利要求5所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述环境监测模块包括第二微控制器以及与第二微控制器相连的温湿度传感器、光照度传感器、PM2.5传感器、二氧化碳浓度传感器、噪音传感器和MQ2烟雾传感器。
7.如权利要求6所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述电流检测模块采用ACS712ELCTR-05B霍尔传感器，其最大的监测电流为±5A。
8.如权利要求7所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述安全防护模块包括防雷击单元、过压保护单元、过流保护单元、漏电保护单元和短路保护单元。
9.如权利要求8所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述显示模块为LCD驱动器，所述显示屏采用LCD屏。
10.如权利要求9所述的一种智能安全插座，其特征在于，所述微处理器采用DSP+FPGA双内核架构的双核控制器实现，其中，DSP采用TMS320F2812，FPGA采用作为DSP辅助处理器的XC3S500E，所述第一微控制器采用STM32单片机实现，第二微控制器采用ATM89C51单片机芯片实现。
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