CN107632579A - 一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，包括智能插座和智能管理终端，智能插座包括插座外壳，插座外壳的上方镶嵌有插孔面板，内部焊接有电量采集模块，电量采集模块的输出端连接有电力载波发射模块，电力载波发射模块向智能管理终端发送电力数据，电力载波收发模块的还连接有电力执行控制模块；智能管理终端包括核心处理器，核心处理器的数据输入端连接有收发天线，收发天线固定插接在智能管理终端的上表面，收发天线的内部通过导电连接有调制解调器，调制解调器连接至核心处理器，核心处理器的以太网控制端口还连接有4G通信模块。本发明使用方便无需额外布线，抗干扰能力强管理传输效率高，稳定性好。

Description

一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统

技术领域

本发明涉及智能家居系统领域，具体为一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统。

背景技术

物联网是一次技术的革命，它揭示了计算和通信的未来，是新一代信息技术的重要组成部分，通俗地讲即物物相连的互联网，以互联网为核心和基础扩展的网络，用户端扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网是互联网的应用拓展，发展核心是应用创新，而电能管理系统是属于物联网的一种典型应用。本系统具有良好的延伸扩展能力，除了能源管理外，对于其他的智能设备，系统会自动加入到网络中，并实时更新路由信息。系统中除电池供电的休眠节点外，非休眠节点都具有路由功能，是一个可靠强大的智能传感网络。

智能家居是以住宅为平台，利用网络通信技术、自动控制技术及音视频技术将家居生活有关的设施集成，从而构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性，并实现环保节能的居住环境。在现有的智能家居系统中，最为关键基础的是电力系统，如何对电力系统实现安全高效地控制，是保证智能家居系统稳定工作的重要指标，但是在现有的智能家居系统中，大都需要重新布线设置，且由于电磁感应效应，一般的无线传输技术会受到电流磁场的影响，导致信号传输稳定性差，进而导致管理系统效率低下。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，包括智能插座和智能管理终端，所述智能插座的插头连接至家庭交流电网，插孔用于连接各个用电器并且进行供电操作，智能管理终端用于安装在各个房间内部与智能插座进行无线数据传输；

所述智能插座包括插座外壳，所述插座外壳采用绝缘塑料制成，插座外壳的上方镶嵌有插孔面板，内部固定安装有电路板，电路板上焊接有电量采集模块，所述电量采集模块的采样端串联在电器用电电路中，电量采集模块的输出端连接有电力载波发射模块，所述电力载波发射模块向智能管理终端发送电力数据，电力载波收发模块的还连接有电力执行控制模块；

所述智能管理终端包括核心处理器，所述核心处理器的数据输入端连接有收发天线，所述收发天线固定插接在智能管理终端的上表面，收发天线的内部通过导电连接有调制解调器，所述调制解调器连接至核心处理器，所述核心处理器的以太网控制端口还连接有4G通信模块。

作为本发明一种有选的技术方案，所述电量采集模块包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和定时器，所述电压传感器并联在电路两端，电流传感器串联在电路中，电压传感器、电流传感器、温度传感器输出模拟电信号至模数转换器，所述模数转换器和定时器输出连接至电力载波发射模块。

作为本发明一种有选的技术方案，所述电力载波发射模块包括基于正交频分复用OFDM技术的集成BWP08型号电力载波芯片，电力载波芯片内置有SPI接口，通过总线连接有MCU控制器。

作为本发明一种有选的技术方案，所述MCU控制器采用STC12C5A60S2系列芯片，MCU控制器的数据采集端口连接至模数转换器输出端，计数端口连接至定时器输出端，电流输出端口连接至电力执行控制模块。

作为本发明一种有选的技术方案，所述电力执行控制模块包括功率调节器和固态继电器，所述固态继电器串联在功率调节器与电源输入端之间，功率调节器连接至插座端口，功率调节器与插座端口之间还连接有自恢复保险丝。

作为本发明一种有选的技术方案，所述核心处理器采用FPGA控制器级联ARM处理器组成，所述FPGA控制器接收来自调制解调器的并行数据，连接串并转换接口输出串行数据至ARM处理器。

作为本发明一种有选的技术方案，所述调制解调器采用新型电网载波数字脉冲信号传输调制/解调集成电路SST8803级联数字信号编码及译码兼容器件UM3758-108A组成。

作为本发明一种有选的技术方案，所述4G通信模块采用基于LTE协议的CH-D3G7M5工业级无线DTU模块，模块预留有RS232/RS485/TTL接口，通过总线与ARM处理器的RS232接口相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过设置智能插座，将电量采集模块、电力载波发射模块、电力执行控制模块均集成在插座内部，直接对用电器的供电电路进行检测，并且实现采集参数传输和反馈调控的过程，节省空间且便于安装，无需外接布线，降低成本；

(2)本发明通过设置电力载波发射模块，以MCU控制器驱动电力载波芯片进行信号发射，体积小、通讯可靠、通讯频点可调、功能可定制，适合智能家居领域应用，更加稳定快捷；

(3)本发明通过设置智能管理终端，利用核心处理器控制4G通信模块实现远程数据传输，形成物联网络的数据共享，便于实现远程调控，有效提高系统的调控性能。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明外观结构示意图；

图3为电力载波芯片原理图；

图4为调制解调器原理图。

图中：1-智能插座；2-智能管理终端；3-插座外壳；4-插孔面板；5-电量采集模块；6-电力载波发射模块；7-电力执行控制模块；8-核心处理器；9-收发天线；10-调制解调器；11-4G通信模块。

501-电压传感器；502-电流传感器；503-温度传感器；504-定时器；505-模数转换器。

601-电力载波芯片；602-MCU控制器。

701-功率调节器；702-固态继电器；703-自恢复保险丝。

801-FPGA控制器；802-ARM处理器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「中」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向和位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

实施例：

如图1和2所示，本发明提供了一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，包括智能插座1和智能管理终端2，所述智能插座1的插头连接至家庭交流电网，插孔用于连接各个用电器并且进行供电操作，智能管理终端2用于安装在各个房间内部与智能插座1进行无线数据传输；

所述智能插座1包括插座外壳3，所述插座外壳3采用绝缘塑料制成，插座外壳3的上方镶嵌有插孔面板4，内部固定安装有电路板，电路板上焊接有电量采集模块5，所述电量采集模块5的采样端串联在电器用电电路中，电量采集模块5的输出端连接有电力载波发射模块6，所述电力载波发射模块6向智能管理终端2发送电力数据，电力载波收发模块6的还连接有电力执行控制模块7；

所述插孔面板4上镶嵌有三孔插座、两孔插座和USB接口，分别用于连接不同的用电器，通过插座在连接各个电器进行供电，所述电量采集模块5用于采集各个电器的用电量，电量载波发射模块6将采集到的电能相关以无线电信号发射出去，所述电力执行控制模块7用于实现对电路通断的自动控制，实现智能控制节电保护安全；

所述智能管理终端2包括核心处理器8，所述核心处理器8的数据输入端连接有收发天线9，所述收发天线9固定插接在智能管理终端2的上表面，收发天线9的内部通过导电连接有调制解调器10，所述调制解调器10连接至核心处理器8，所述核心处理器8的以太网控制端口还连接有4G通信模块11；所述核心处理器8用于进行数据分析和数据传输控制，所述收发天线9接收来自电量载波发射模块6传输过来的电量数据，接收到的电磁波信号通过调制解调器10进行解调操作，并且传输至核心处理器8，所述4G通信模块11用于连接4G网络形成网络数据传输；

优选地是，所述电量采集模块5包括电压传感器501、电流传感器502、温度传感器503和定时器504，所述电压传感器501并联在电路两端，电流传感器502串联在电路中，电压传感器501、电流传感器502、温度传感器503输出模拟电信号至模数转换器505，所述模数转换器505和定时器504输出连接至电力载波发射模块6；所述电压传感器501用于采集电路电压值大小，电流传感器502用于采集当前的电流值大小，所述温度传感器503用于电路温度参数采集，所述定时器504用于进行定时操作，采集到的值通过模数转换器505转换成数字信号传输至电力载波发射模块6；

如图3所示，所述电力载波发射模块6包括基于正交频分复用OFDM技术的集成BWP08型号电力载波芯片601，电力载波芯片601内置有SPI接口，通过总线连接有MCU控制器602；所述MCU控制器602采用STC12C5A60S2系列芯片，MCU控制器602的数据采集端口连接至模数转换器505输出端，计数端口连接至定时器504输出端，电流输出端口连接至电力执行控制模块7；所述电量采集模块5采集到的数据传输至MCU控制器602，MCU控制器602根据当前的电压电流值以及电流时间转换成电量值，得到的电量值与当前温度值一起传输至电力载波芯片601；所述电力载波芯片601采用5-12V供电，载波波特率100bps-300bps可调；T1是隔离变压器，用于隔离220V市电，耦合信号。C4、R1是接收回路，D1、D2为保护二极管，C7、L1是滤波电路，接收信号最终进入BWP08的SIN引脚由BWP08处理。BWP08发送信号从VO引脚输出，经过C11、L2滤波，三极管Q1放大，由隔离变压器耦合到电力线路上，并且转换成电磁信号发送出去；

优选地是，MCU控制器602根据实时接收到的电路的电量值以及温度值大小，根据接收到的数据进行分析判断当前的电力值大小进行分析判断，判断当前的电力值是否满足最佳节电性能，或者根据远程控制实现对电力系统调控；

进一步说明的是，所述电力执行控制模块7包括功率调节器701和固态继电器702，所述固态继电器702串联在功率调节器701与电源输入端之间，功率调节器701连接至插座端口，功率调节器701与插座端口之间还连接有自恢复保险丝703，所述固态继电器702用于进行电源通断控制，功率调节器701用于调节输出电压的功率值大小，所述自恢复保险丝703在电流过大时自动断开，进行电路保护；

如图4所示，所述调制解调器10采用新型电网载波数字脉冲信号传输调制/解调集成电路SST8803级联数字信号编码及译码兼容器件UM3758-108A组成，通过收发天线9进行数据接收操作；该调制解调器具有功耗低、灵敏度高、抗干扰及抗静电性能好等特点；S1是工作模式选择开关，编码时IC221脚为高电平，经CD4069的反相器IC3-1反相后，IC115脚为低电平(调制状态)，编码数据流由IC223脚串行输出至IC15脚，调制后向电网发送；译码时IC221脚为低电平，IC115脚则为高电平(解调状态)，解调出的数字信号由IC117脚送至IC222脚，译码后由IC211～18脚输出。此时IC2的。脚与发光二极管LED1相连，若输入的信号有效，则IC223脚输出一个低电平信号，驱动LED1闪亮一下，作为接收译码成功标，解调后的数据传输至核心处理器8；

优选地是，所述核心处理器8采用FPGA控制器801级联ARM处理器802组成，所述FPGA控制器801接收来自调制解调器10的并行数据，连接串并转换接口输出串行数据至ARM处理器802；所述FPGA控制器801用于进行并行数据采集和高速数据处理，得到的数据通过串并转换器传输至ARM处理器802，ARM处理器802将数据进行进一步的分析处理，将来自各个智能插座1的数据进行汇总，再通过4G通信模块11上传至物联网络进行数据传输；

所述4G通信模块11采用基于LTE协议的CH-D3G7M5工业级无线DTU模块，模块预留有RS232/RS485/TTL接口，通过总线与ARM处理器802的RS232接口相连接；该模块支持数据透明传输，实时在线/激活在线，远程复位，内嵌TCP/IP协议栈，适用于工业控制行业，实时在线，小数据量，串口设备无线数据透明传输；所述4G通信模块11将核心处理器8将接收到的电路信号转换成4G信号，依托于4G技术将相关数据上传至物联网络端口，通过绑定的智能设备就可以进行访问网络端口进行远程数据获取，并且进行相应的指令发送控制。

具体使用方式：

(1)电力参数采集：将用电器的插头插接到插孔面板的相应插孔中，通过电量采集模块进行电力参数采集，采集到的数据传输至MCU控制器进行分析整合；

(2)电力系统自动调整：MCU控制器将采集到的数据与设定至进行比对，判断当前的电压电流是否处于安全范围内，或者是否满足最佳节电方案，然后输出相应指令至电力执行控制模块，利用固态继电器实现自动开关，利用功率调节器实现自动功率调节，利用自恢复保险丝保护电路安全；

(3)电力系统参数传输：MCU控制器将经过初步分析处理的数据通过电力载波芯片进行耦合变换成相应的电信号后，以电磁波的形式发射出去，结合智能管理终端的收发天线进行信号接收，实现短距离数据无线发送；

(4)电力系统远程调控：核心处理器通过接收来自调制解调器解调后的数据，并且将数据进行格式转换后，通过4G通信模块上传至网络端口，登录智能管理终端绑定的智能设备，访问相应的网络端口，即可以远程获取终端数据，并且发送相应的指令，再通过收发天线发射信号至智能插座，实现远程调控。

综上所述，本发明的主要特点在于：

(1)本发明通过设置智能插座，将电量采集模块、电力载波发射模块、电力执行控制模块均集成在插座内部，直接对用电器的供电电路进行检测，并且实现采集参数传输和反馈调控的过程，节省空间且便于安装，无需外接布线，降低成本；

(2)本发明通过设置电力载波发射模块，以MCU控制器驱动电力载波芯片进行信号发射，体积小、通讯可靠、通讯频点可调、功能可定制，适合智能家居领域应用，更加稳定快捷；

(3)本发明通过设置智能管理终端，利用核心处理器控制4G通信模块实现远程数据传输，形成物联网络的数据共享，便于实现远程调控，有效提高系统的调控性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：包括智能插座(1)和智能管理终端(2)，所述智能插座(1)的插头连接至家庭交流电网，插孔用于连接各个用电器并且进行供电操作，智能管理终端(2)用于安装在各个房间内部与智能插座(1)进行无线数据传输；

所述智能插座(1)包括插座外壳(3)，所述插座外壳(3)采用绝缘塑料制成，插座外壳(3)的上方镶嵌有插孔面板(4)，内部固定安装有电路板，电路板上焊接有电量采集模块(5)，所述电量采集模块(5)的采样端串联在电器用电电路中，电量采集模块(5)的输出端连接有电力载波发射模块(6)，所述电力载波发射模块(6)向智能管理终端(2)发送电力数据，电力载波收发模块(6)的还连接有电力执行控制模块(7)；

所述智能管理终端(2)包括核心处理器(8)，所述核心处理器(8)的数据输入端连接有收发天线(9)，所述收发天线(9)固定插接在智能管理终端(2)的上表面，收发天线(9)的内部通过导电连接有调制解调器(10)，所述调制解调器(10)连接至核心处理器(8)，所述核心处理器(8)的以太网控制端口还连接有4G通信模块(11)。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述电量采集模块(5)包括电压传感器(501)、电流传感器(502)、温度传感器(503)和定时器(504)，所述电压传感器(501)并联在电路两端，电流传感器(502)串联在电路中，电压传感器(501)、电流传感器(502)、温度传感器(503)输出模拟电信号至模数转换器(505)，所述模数转换器(505)和定时器(504)输出连接至电力载波发射模块(6)。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述电力载波发射模块(6)包括基于正交频分复用OFDM技术的集成BWP08型号电力载波芯片(601)，电力载波芯片(601)内置有SPI接口，通过总线连接有MCU控制器(602)。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述MCU控制器(602)采用STC12C5A60S2系列芯片，MCU控制器(602)的数据采集端口连接至模数转换器(505)输出端，计数端口连接至定时器(504)输出端，电流输出端口连接至电力执行控制模块(7)。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述电力执行控制模块(7)包括功率调节器(701)和固态继电器(702)，所述固态继电器(702)串联在功率调节器(701)与电源输入端之间，功率调节器(701)连接至插座端口，功率调节器(701)与插座端口之间还连接有自恢复保险丝(703)。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述核心处理器(8)采用FPGA控制器(801)级联ARM处理器(802)组成，所述FPGA控制器(801)接收来自调制解调器(10)的并行数据，连接串并转换接口输出串行数据至ARM处理器(802)。

7.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述调制解调器(10)采用新型电网载波数字脉冲信号传输调制/解调集成电路SST8803级联数字信号编码及译码兼容器件UM3758-108A组成。

8.根据权利要求1所述的一种基于物联网技术的智能家居电力管理系统，其特征在于：所述4G通信模块(11)采用基于LTE协议的CH-D3G7M5工业级无线DTU模块，模块预留有RS232/RS485/TTL接口，通过总线与ARM处理器(802)的RS232接口相连接。