CN108829005A - 一种基于蓝牙网关的智能插座系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于蓝牙网关的智能插座系统，该系统包括云服务器、智能手机、蓝牙网关、485总线和至少1个智能插座。云服务器上运行有智能插座管理平台，智能手机上安装有控制智能插座的客户端，蓝牙网关中包含蓝牙控制芯片，智能插座受所述的智能插座客户端的控制。在本系统中，蓝牙网关通过蓝牙与智能手机连接，智能手机通过无线网络与云服务器连接，蓝牙网关通过485总线与智能插座连接。智能插座与网关通过485总线进行组网方式，可以设置多个节点，避免因蓝牙传输距离的局限性影响节点设置的数量。通过智能手机自带的蓝牙功能与蓝牙网关进行无线通信，满足智能插座短距离范围内控制的应用场景，还节省智能插座系统运营商的通信成本。
Description
技术领域
本发明涉及智能插座领域，特别涉及一种基于蓝牙网关的智能插座系统。
背景技术
为预防电动车引发火灾，保护人身财产安全，维护公共安全，2017年12月29日，公安部发布《关于规范电动车停放充电加强火灾防范的通告》，旨在加强电动车停放、充电火灾防范工作。通告从充分认识电动车火灾危害、落实停放充电管理责任、规范电动车停放充电行为、严厉查处违规停放充电行为、加强消防安全宣传教育五大方面来规范电动车用户和物业行为。因此，居民私自在家中充电已经构成犯罪行为。为了满足用户充电需求，户外规划场所集中充电成为最好的解决方案。目前市面上主流的充电桩有投币式、刷卡式和扫码式，随着互联网和移动支付的迅猛发展，扫码式充电桩将成为主流。目前的插座管理系统主要采用“智能终端+智能插座+网关+Wifi路由器+云端”的管理模式。该模式下通过物联网模块Wifi或2G连接到网关，然后由网关通过移动网络接入云端，从而使用户可以通过智能终端的APP控制网关，进而控制智能插座的开断。这样在网关和智能插座都存在网络运营商的成本，无疑大大增加了智能插座系统运营的成本。
发明内容
本发明提供一种基于蓝牙网关的智能插座系统采用蓝牙网关和485总线组网方式，相对于上述技术方案，至少能节省网关和智能插座端的通信成本，降低智能插座系统总成本。
为了达到这一目的，一种基于蓝牙网关的智能插座系统，该系统包括云服务器、智能手机、蓝牙网关、485总线和至少1个智能插座。云服务器上运行有智能插座管理平台，智能手机上安装有控制智能插座的客户端，蓝牙网关中包含蓝牙控制芯片，智能插座受所述的智能插座客户端的控制。所述的客户端是独立的APP或者内嵌在微信/支付宝的小程序。
蓝牙网关中包含蓝牙模块，蓝牙模块为TI CC2541主控芯片。在蓝牙通信距离内，蓝牙网关中的蓝牙与智能手机中的蓝牙进行短距离无线通信。蓝牙网关通过485总线与节点设备有线连接。所述的节点设备是智能插座。
智能插座中包含控制芯片，所述的控制芯片为STM32F030。
在本系统中，蓝牙网关通过蓝牙与智能手机连接，智能手机通过无线网络与云服务器连接，蓝牙网关通过485总线与智能插座连接。
智能手机的客户端扫描智能插座二维码，智能手机向网关发起蓝牙连接请求，蓝牙连接成功后发送协议报文到网关的蓝牙主控芯片，网关解析报文的数据，并将请求转换为485协议报文，通过485总线发送给被扫码的智能插座，智能插座解析485报文数据，云服务器判断智能插座能否执行相应的操作，执行结果数据回复给网关，网关收到回复后，返回请求结果给智能手机客户端，智能手机客户端将数据通过无线网络传给云服务器。
本发明提供的一种基于蓝牙网关的智能插座系统具有如上所述的结构，一方面，智能插座系统通过蓝牙网关和485总线组网，485总线连接多个智能插座，每个智能插座可以被分别控制又可以共用一个蓝牙网关，智能插座与网关通过485总线进行组网方式，可以设置多个节点，避免因蓝牙传输距离的局限性影响节点设置的数量。一方面，利用智能手机中蓝牙免费使用的特点，通过智能手机自带的蓝牙功能与蓝牙网关进行无线通信，满足智能插座短距离范围内控制的应用场景，还节省智能插座系统运营商的通信成本。另一方面，用户可以通过智能手机的无线网络功能运行智能插座客户端并接入云服务器，智能插座系统运营商可以通过接入网络运行云服务器上的智能插座管理平台，从而在用户、运营商和智能插座之间均可以实现双向通信，进而使用户方便的使用智能插座，运营商可以方便管理智能插座。
附图说明
图1一种基于蓝牙网关的智能插座系统结构图，
图2蓝牙网关电路结构图，
图3蓝牙网关电路实施例原理图，
图4智能插座电路结构图，
图5智能插座电路实施例原理图。
具体实施方式
为了方便理解本技术方案，下面结合附图对本技术方案进行详细的描述。
如图1所示是一种基于蓝牙网关的智能插座系统结构图。
一种基于蓝牙网关的智能插座系统，该系统包括云服务器、智能手机、蓝牙网关、485总线和至少1个智能插座。云服务器上运行有智能插座管理平台，智能手机上安装有控制智能插座的客户端，蓝牙网关中包含蓝牙控制芯片，智能插座受所述的智能插座客户端的控制。所述的客户端是独立的APP或者内嵌在微信/支付宝的小程序。
蓝牙网关中包含蓝牙模块，蓝牙模块为TI CC2541主控芯片。在蓝牙通信距离内，蓝牙网关中的蓝牙与智能手机中的蓝牙进行短距离无线通信，通过485总线与节点设备有线连接。所述的节点设备是智能插座。
智能插座中包含控制芯片，所述的控制芯片为STM32F030。
在本系统中，蓝牙网关通过蓝牙与智能手机连接，智能手机通过移动网络与云服务器连接，蓝牙网关通过485总线与节点设备智能插座连接。
智能手机的客户端扫描智能插座二维码，向网关发起蓝牙连接请求，蓝牙连接成功后，发送协议报文到网关的蓝牙主控芯片，网关解析报文的数据，并将请求转换为485协议报文，通过485总线发送给被扫码的智能插座，智能插座解析485报文数据，执行相应的操作，回复数据给网关，网关收到回复后，返回请求结果给智能手机客户端，智能手机客户端将数据通过无线网络传给云服务器。
如图2所示是本系统蓝牙网关的电路结构图。
蓝牙网关由壳体和电路板组成，所述的电路板由CC2541主控芯片、电源稳压模块、电压互感器、看门狗模块、485模块、节点供电电路、按键和指示灯组成。电源稳压模块通过双排CON1接入，CON2接出连接CC2541，将220V交流电转化为3.3V直流电作为电路板的工作电压。电压互感器通过双排V OUT接入到CC2541芯片用于采集智能插座交流电压。所述的看门狗模块为X25045芯片，通过引脚连接CC2541芯片，用于防止MCU死机；485模块为RS485,一端连接CC2541芯片，一端接口用于连接多个节点设备。节点供电电路通过MCU POW引脚与CC2541连接，为智能插座电路板提供工作电压。按键用于485组网触发信号；指示灯用于蓝牙工作状态和485工作状态指示。
在本技术方案中将电压互感器设置在蓝牙网关中，为提取智能插座工作时的电压提供功能支持，利用智能插座之间是并联关系故而智能插座接入负载时，电压都是相等的，因此无需再在每个智能插座中设置独立的电压采集模块，总体上节约硬件成本。
如图3所示是本系统蓝牙网关实施例的电路原理图。
本系统蓝牙网关中的蓝牙模块选取TI CC2541主控芯片，下面结合实施例对本技术方案进一步的说明。
蓝牙网关实施方案采用2.4GHz的蓝牙无线通信技术，使用了一块板载了CC2541芯片的蓝牙BLE模块U3(下面简称BLE)作为控制核心。并通过485协议对外部进行串行通讯。
电源部分采用了工业级开关电源模块U1(HE06P15)，能够将AC100V～240V50/60Hz的交流电变换为DC6V/2.5A的直流电，在U1的初级，保险丝F1和压敏电阻RV1配合使用起到防止瞬时过压冲击和过流保护的作用，负温度系数热敏电阻(NTC)N1防止开机瞬时过流冲击的作用，R1为泄放电阻，CX1为降压电容，共模电感LCM1共同起到防止对外电磁干扰(EMC)的作用。在U1的次级，E1,LDM1和E2三者共同构成π型滤波电路，C1进一步滤除电压上的高频杂波。
由于蓝牙模块及外围电路为DC3.3V系统，因此还需要进一步将DC6V进行处理，这里采用U2(AMS117-3.3V)作为稳压芯片,保险丝F2和瞬态抑制(TVS)二极管ZD1配合使用起到防止瞬时过压冲击和过流保护的作用，电解电容E3和贴片电容C2对输入电压进行滤波，U2低压侧采用贴片钽质电容E4和贴片电容C5对DC3.3V进行滤波。BLE模块的第1脚VCC脚和第24脚GND脚为供电脚，3.3V电压由此接入，C3为滤波电容，应尽量贴近BLE的VCC脚放置。
BLE的外围电路包括以下部分：上电复位电路由上拉电阻R6和电容C4组成的积分电路构成，开机上电瞬间，在BLE的RESET脚输入一个负脉冲，使CPU复位；BLE的P2.0口通过分压电阻R14与系统运行指示灯LED1相连再接地，用来指示系统运行的状态；BLE的P1.1口通过分压电阻R20与通讯状态指示灯LED2相连再接地，用来指示系统的通讯状态；J1为预留的5脚的程序下载口，分别与BLE的P2.1,P2.2,RESET和3.3V及GND相接，完成程序的下载和升级的功能；P1为预留的3脚的串口调试口，分别与BLE的P1.6,P1.7和GND相接，用以在软件开发调试过程中对程序的运行情况进行实时侦测。
U4(PS3485)芯片为485通讯芯片，与BLE的P0.1,P0.2和P0.3相接，实现串口通讯，上拉电阻R10将485B信号上拉到3.3V,下拉电阻R12将485A信号下拉到GND.实现485的差分信号通讯，滤波电容C7将电源DC3.3V电压的高频杂波滤除,应尽量贴近U4的VCC脚放置。
预留按键SW1一端接地，一端接在BLE的P0.5口，P0.5口为AD口，可以检测外部接入的信号，当按键未按下时，由于有上拉电阻R17接到3.3V电源，所以输入为高电平；当按键按下时，由于SW1另一端接地，故此时状态变为低电平，BLE可以据此作出判断并在程序上做出调整，此项为预留功能。
本方案需要实时侦测电网电压，采用了电压互感器T1对电网电压进行采样，火线通过一个分压电阻R7连接到电压互感器T1的初级线圈再回到零线，互感器次级并连到采样电阻R9，获得采样电压，经整流二极管D1和滤波电容C11处理后送入BLE的AD口P0.4口，通过BLE一系列数字处理可以获得电网电压值。
本方案可实现对外部的DC6V供电,且能够通过对P沟道场效应管Q1G极的控制来实现DC6V的通断。具体由BLE的P0.0口进行控制，P0.0通过驱动电阻R4连接到三极管Q2的基极，当P0.0输出低电平的时候，三极管处在截止状态，Q1的D极和G极电压相等，不满足Q1的导通条件，故不对外输出DC6V电压。当P0.0输出高电平的时候，三极管即处在饱和导通状态，分压电阻R2和R3使Q1的D极和G极的压差达到3V，达到Q1的导通条件，故对外输出DC6V电压。J2即为预留的对外电压输出和对外485通讯的接口。
图4智能插座电路结构图。
智能插座由壳体和电路板组成，所述的电路板由STMF32F030控制芯片、电源输入模块、复位电路、485模块、电流互感器、继电器、LED指示灯组成。电源输入模块通过RS485级联接口接入6V电压连接MCU电源，为485模块、继电器和STMF30F030芯片提供3.3V工作电压。485模块实现蓝牙网关与智能插座串口通讯。电流互感器通过CUR引脚与STMF30F030芯片连接用于采集电流。继电器通过MCU REY引脚连接STMF30F030芯片，控制智能插座电流通断。LED指示灯至少包括220V输出指示灯和系统运行指示灯。输出指示灯通过L IN端与继电器串联，显示智能插座电流通断。系统指示灯通过MCU DIS引脚与STMF30F030芯片连接，显示系统运行状态。复位电路实现程序的下载和升级。
图5智能插座电路实施例原理图。
本实施方案节点智能插座电路采用U1(STM32F030)作为主控芯片，一个智能插座有2路通电口作为实施例，通过485协议与主机进行串行通讯。
电源由级联接口J2引入，同时J2也是485通讯信号的接入和引出点，DC6V电源接入后经过一个二极管D1,再经过一个可恢复保险丝F2进入三端稳压芯片U3(AMS117-3.3V)变压后输出DC3.3V供系统使用，其中E1,C6,C16为U3初级的滤波电容，C14,C15为U3次级的滤波电容。D1起到防反和防止从机对主机以及从机间的电压相互干扰的作用。
U1的外围电路包括以下部分：上电复位电路由上拉电阻R13和电容C10组成的积分电路构成，开机上电瞬间，在U1的第4脚NRST脚输入一个负脉冲，使CPU复位；U1的PA4口连接系统运行指示灯LED1通过分压电阻R9A连接到3.3V,用来指示系统运行的状态；J3为预留的4脚的程序下载口，分别与U1的PA13,PA14和3.3V及GND相接，实现程序的下载和升级的功能；U2(PS3485)芯片为485通讯芯片，与U1的PA7,PA9和PA10相接，实现串口通讯，上拉电阻R10将485B信号上拉到3.3V,下拉电阻R12将485A信号下拉到GND，实现485的差分信号通讯，滤波电容C7将电源DC3.3V电压的高频杂波滤除,应尽量贴近U2的VCC脚放置。
本方案可以对输出电流进行实时监测，采用了互感器隔离采样的方式，电流互感器L1将感应到的交流电流转换成微弱的电流信号经采样电阻R9采样，获得采样电压，经整流二极管D4整流，再经由电阻R1和电容C1的组成的滤波电路处理后送入U1的AD口PA1口，通过U1的一系列数字处理可以获得输出电流值。U4为双开关二极管，起到防止过压和削除负压的作用。同理另一路互感器L2采样原理完全相同，不再缀叙。
本方案实现两路AC220V交流输出控制，通过对继电器K1和K2的控制来实现交流电的通断。以其中K1一路来详解，U1的PA6通过开关二极管D6,限流电阻R2连接到三极管Q1的基极，当PA6输出低电平，三极管Q1处在截止状态，K1输入级线圈两端电压相等，无电流流过，输出级常开触点不会吸合，此时不对外输出AC220V；当PA6输出高电平，达到三极管Q1导通条件，K1输入极线圈两端有5V电压，有电流流过，达到输出级常开触点吸合条件，此时对外输出AC220V。这样即实现了对外交流设备的供电通断控制。其中在继电器输出级常开触点一侧接有一个负温度系数热敏电阻NTC1，其作用是为了防止输出侧负载开机瞬间大电流冲击而造成继电器触点粘连的问题。同理，另一路继电器K2的控制原理完全相同。
在对外输出AC220V交流电的同时，我们还设置了两路LED分别指示其通断，这样方便用户更直观的了解设备的运行情况，是在持续供电还是供电已断开。同样我们拿其中的一路来详解，从K1次级常开触点一端引出一条线路经过分压电阻R57接到指示灯LED2再经过整流二极管D8回到零线。当K1继电器吸合后，火线电流经R57、LED2和D8后到零线形成完整的回路，LED2会被点亮，指示这一路有电压输出，其中D9起到保护LED2的作用。同理LED3电路指示K2一路的电压输出情况。
Claims (7)
1.一种基于蓝牙网关的智能插座系统，包括云服务器、智能手机、蓝牙网关、485总线和至少1个智能插座，云服务器上运行有智能插座管理平台，智能手机上安装有控制智能插座的客户端，蓝牙网关中包含蓝牙控制芯片，智能插座受所述的智能插座客户端的控制；
蓝牙网关通过蓝牙与智能手机短距离连接，智能手机通过移动网络与云服务器无线连接，蓝牙网关通过485总线与智能插座有线连接；
智能手机的客户端扫描智能插座二维码，智能手机向网关发起蓝牙连接请求，连接成功后，发送协议报文到网关的蓝牙主控芯片，网关解析报文的数据，并将请求转换为485协议报文，通过485总线发送给被扫码的智能插座，智能插座解析485报文数据，执行相应的操作，回复数据给网关，网关收到回复后，返回请求结果给智能手机客户端，智能手机客户端将数据通过无线网络传给云服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙网关的智能插座系统，其特征在于：蓝牙网关中的主控芯片为CC2541。
3.根据权利要求2所述的一种基于蓝牙网关的智能插座系统，其特征在于：蓝牙网关还包含电源稳压模块、电压互感器、看门狗模块、485模块、节点供电电路、按键电路和指示灯电路，其特征在于：所述的电源稳压模块通过双排CON1接入，CON2接出连接CC2541，将220V交流电转化为3.3V直流电作为电路板的工作电压；电压互感器通过双排V OUT接入到CC2541芯片用于采集智能插座交流电压；所述的看门狗模块为X25045芯片，通过引脚连接CC2541芯片，用于防止MCU死机；485模块为RS485,一端连接CC2541芯片，一端接口用于连接智能插座；节点供电电路通过MCU POW引脚与CC2541连接，为智能插座电路板提供工作电压；按键用于485组网触发信号；指示灯用于蓝牙工作状态和485工作状态指示。
4.根据权利要求3所述的一种基于蓝牙网关的智能插座系统，其特征在于：220V交流电经开关电源模块HEO6P15和稳压芯片AMS117-3.3V二级降压为3.3V直流电。
5.一种蓝牙网关的应用，其特征在于：如权利要求2至4任意一项中所述的蓝牙网关在智能插座控制系统中的应用。
6.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙网关的智能插座系统，其特征在于：智能插座中的控制芯片为STM32F030。
7.根据权利要求6所述的一种基于蓝牙网关的智能插座系统，其特征在于，智能插座中还包含电源输入模块、485模块、继电器、电流互感器和LED指示灯，其特征在于：电源输入模块通过RS485级联接口接入6V电压连接MCU电源，为485模块、继电器和STMF30F030芯片提供3.3V工作电压；电流互感器通过CUR引脚与STMF30F030芯片连接用于采集电流；继电器通过MCU REY引脚连接STMF30F030芯片，控制智能插座电流通断；智输出指示灯通过L IN端与继电器串联显示智能插座电流通断状态；系统运行指示灯通过MCU DIS引脚与STMF30F030芯片连接，显示系统运行状态。
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