CN109038808A - 一种居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法，涉及智能电表领域，包括集成于主PCB板上的电源控制单元、单片机、采样单元和通讯单元，还包括继电器单元和2P导轨式结构的壳体，PCB板设置于所述壳体内；继电器单元包括一路负载输入端、两路负载输出端和磁线圈，负载输入端用于为智能监测仪提供电压，两路负载输出端中，只有一路受继电器单元的磁线圈开关控制。本发明的居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法能衔接物联网、智能家庭居家安全等应用场域的设备，用家庭用电进行能源应用的智能管理，以降低居家能耗，确保居家用电安全。

Description

一种居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法

技术领域

本发明涉及智能电表领域，具体涉及一种居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，家庭电器越来越多，使用电器功率也显著升高，现在家庭生活场景中往往会使用多个用电器同时工作，这些因素都导致家庭用电功率猛增，这对于较为老旧线路产生较大安全隐患，因此现有线路中往往需要对电路负载进行限制。

此外，现在家庭用电器经常需要处于拉闸控制状态，比如家里一段时间没人居住时，为保障电路安全需拉闸控制；但同时，部分如冰箱等用电设备是不能断电的，因此也需要对用电设备负载控制进行区别对待。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种居家安全用电智能监测仪及WiFi通讯监测方法，能衔接物联网、智能家庭居家安全等应用场域的设备，对用电设备负载控制进行区别对待，以降低居家能耗，确保居家用电安全。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种居家安全用电智能监测仪，包括集成于主PCB板上的电源控制单元、单片机、采样单元和通讯单元，还包括继电器单元和2P导轨式结构的壳体，所述PCB板设置于所述壳体内；所述继电器单元包括一路负载输入端、两路负载输出端和磁线圈，所述负载输入端用于为智能监测仪提供电压，所述两路负载输出端中，只有一路受所述继电器单元的磁线圈开关控制。

在上述技术方案的基础上，所述通讯单元包括WiFi通讯模块，所述WiFi通讯模块用于将所述居家安全用电智能监测仪采集的用电数据主动发送到智能互联网云端，以及，响应用户从手机APP向智能监测仪发送的命令，并向手机APP传输用电数据。

在上述技术方案的基础上，所述WiFi通讯模块包括WiFi模块供电电路，所述WiFi模块供电电路的电压输出具有使能控制。

在上述技术方案的基础上，所述继电器单元的负载输入端与火线连接，用于为智能监测仪提供电压；所述负载输入端和一路负载输出端分别与继电器单元的磁线圈连接；且负载输入端还与所述采样单元连接，用于提供电流信号；所述继电器单元的另一路负载输出端不经过磁线圈。

在上述技术方案的基础上，所述主PCB板由三块较小的PCB板叠加组成，所述三块较小的PCB板间使用插针连接，所述采样单元、继电器单元和电源控制单元使用导线分别与主PCB板连接。

在上述技术方案的基础上，所述电源控制单元用于控制所述居家安全用电智能监测仪的电能供应以及所述继电器单元的开闭；所述单片机用于实现所述居家安全用电智能监测仪的电量计量、监控控制和通讯处理；所述采样单元用于获取电压和电流信息；所述通讯单元用于所述居家安全用电智能监测仪与智能互联网云端、家用路由器的数据传输。

在上述技术方案的基础上，所述电源控制单元为直流开关电源。

本发明还提供一种如上所述的居家安全用电智能监测仪的WiFi通讯监测方法，包括以下步骤：

S1、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为命令模式；

S2、单片机查询WiFi通讯模块与用户手机的链接状态，接收并判断WiFi通讯模块响应结果，如响应结果为是，转至步骤S3；如响应结果为否，转至步骤S4；

S3、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为透明传输模式；

S4、单片机向WiFi通讯模块发送复位指令。

在上述技术方案的基础上，所述步骤S4中，单片机控制WiFi通讯模块供电电路的使能脚输入电平降低为低电平3s，随后恢复高电平输入。

在上述技术方案的基础上，在步骤S2前，还包括以下步骤：

定义一个新的串口缓冲区作为虚拟串口；将所述新串口与其他串口同时进行初始化处理；当所述监测仪接收到被动命令时，依次判断该时刻主动发送工作状态以及原接收缓存是否处于工作状态，当主动发送及原接收缓存均处于空闲状态时，直接接收及响应被动发送命令；当主动发送或原接收缓存处于工作状态时，使用所述新的串口缓冲区接收被动命令数据并作发送处理准备，准备完成后优先发送被动命令。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的居家安全用电智能监测仪采用2P导轨式设计，在具备精确计量和实时监测功能的同时，采用特殊设计的内置继电器设计的两路输出，并将一路经过负载线圈而另一路不经过，使其中一路可以进行负载控制，另一路不受控，可解决对用电设备负载控制进行区别对待的问题。

(2)本发明的居家安全用电智能监测仪能实时监测家庭用电的当前电能、电压、电流、功率、功率因数和监测仪当前状态，并通过监测仪内置的WiFi通讯模块与家用路由器进行联网，并主动将采集到的数据上传到云服务器上，用户即可通过手机APP进行查看数据情况，根据上传的数据对家庭电器进行用电调整，同时利用监测仪的两路输出进行合理控制家庭电器用电，并能对监测仪进行控制，实现居家安全用电目的。

(3)本发明的居家安全用电智能监测仪电源选择开关电源替代了传统电源控制单元中的线性变压器电源，解决了传统线性变压器电源无法在体积小的2P导轨式电能表中使用的弊端，实现了低功耗下高效率大电流的直流电能转换，并且提供了良好的抵抗输入浪涌的能力，同时其较一般的电源芯片增加了使能控制输入脚，便于对电源输出进行控制。

(4)本发明的居家安全用电智能监测仪WiFi通讯监测方法利用具有使能控制功能的WiFi通讯模块电源模块，通过定时查询tcp链接状态的方法控制工作模式的转换和WiFi通讯模块的智能硬复位重启，保证了居家安全用电智能监测仪中WiFi通讯模块的稳定工作，避免了因死机造成的数据传输不畅。

附图说明

图1为本发明实施例中居家安全用电智能监测仪的模块结构连接示意图；

图2为本发明实施例中居家安全用电智能监测仪的直流开关电源的电路原理图；

图3为本发明实施例中居家安全用电智能监测仪WiFi通讯监测方法的流程图；

图4为本发明实施例中WiFi通讯模块电源模块的电路图；

图5为本发明实施例中WiFi通讯模块的接口电路图；

图6为本发明实施例中继电器模块的结构示意图。

图中，1-负载输入端，2-第一负载输出端，3-第二负载输出端，4-火线，5-电流采样线路。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种居家安全用电智能监测仪，包括集成于主PCB板上的电源控制单元、单片机、采样单元和通讯单元，以及继电器单元和2P导轨式结构的壳体。

其中，电源控制单元用于控制所述居家安全用电智能监测仪的电能供应以及所述继电器单元的开闭；所述单片机用于实现所述居家安全用电智能监测仪的电量计量、监控控制和通讯处理；所述采样单元用于获取电压和电流信息；所述通讯单元用于所述居家安全用电智能监测仪与智能互联网云端、家用路由器的数据传输；PCB板设置于壳体内；继电器单元包括一路负载输入端、两路负载输出端和磁线圈，负载输入端用于为智能监测仪提供电压，两路负载输出端中，只有一路受所述继电器单元的磁线圈开关控制。2P导轨式结构的壳体具有体积小的优点，由于本发明居家安全用电智能监测仪是设置于现有配电柜的空开中的，2P导轨式结构的壳体及后续配件的选择均为了满足有限空间内的器件设置需要。

进一步的，可在监测仪的通讯单元中设置WiFi通讯模块，WiFi通讯模块用于将所述居家安全用电智能监测仪采集的用电数据主动发送到智能互联网云端，以及响应用户从手机APP向智能监测仪发送的命令，并向手机APP传输用电数据。通过上述结构的设置，居家安全用电智能监测仪除了基本的计量功能外，可实时监测家庭用电的当前电能、电压、电流、功率、功率因数以及监测仪当前状态，并通过监测仪内置的WiFi模块与家用路由器进行联网，并主动将采集到的数据上传到云服务器上，用户即可通过手机APP进行查看数据情况，根据上传的数据对家庭电器进行用电调整，同时利用监测仪的两路输出进行合理控制家庭电器用电，并能对监测仪进行控制，实现居家安全用电目的。

在一个实施例中，主PCB板可由三块较小的PCB板叠加组成，所述三块较小的PCB板间使用插针连接，所述采样单元、继电器单元和电源控制单元使用导线分别与主PCB板连接。这种结构设置缩减了PCB板占据的平面空间，可缩减本发明居家安全用电智能监测仪的壳体体积。

下面具体介绍一种本发明居家安全用电智能监测仪中各部件的组成及工作原理：

电源控制单元：由于受壳体限制，电源不能采用传统的线性变压器电源，同时需要考虑给通讯WiFi模块供电及能控制继电器拉合闸，电源需要能提供200-300mA电流，因此本发明中采用了开关电源设计方案，开关电源芯片为LNK306D，体积小，能在交流电85V—265V之间提供到360mA电流，具有自动启动功能，拥有短路及开环故障保护，高达700V的击穿电压并提供了良好的抵抗输入浪涌的能力，内置的限流点和迟滞热性的过热保护特性。开关电源输出为12V直流电源供系统使用。

图2为一种可行的开关电源供电电路的电路图，该电路由220V交流输入，经过压敏热敏电阻保护电路，经保险电阻R1，再经整流管D1和电容后输入电压到LNK306D芯片。由于输出电压为持续电压，工作方式采用CCM设计，D2、D3均为反向恢复时间小于35ns的二极管，恢复时间快，经电感电容后输入稳定的12V直流电供系统使用，3V3为单片机和外设供电电源。

单片机：本发明中单片机为电能监测仪核心器件，采用万工单相主流SOC芯片V9821S，该芯片及计量功能，液晶驱动于一体，外部采用32.768KHz晶振提供振荡电路，程序软件上使用嵌入式软件分片固定定时触发实时控制机制实现具体计量、控制和通讯处理。

通讯单元：通讯采用比较流行的物联网技术，将物联网引入到居家安全用电智能监测仪中，通过互联网技术实现通讯功能。具体的，可采用市面上主流的USR-C215b无线通信模块。USR-C215模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元、以及功率放大器；内置低功耗运行机制，可以有效实现模块的低功耗运行；工作电压3.0V-3.6V推荐3.3V，支持WiFi协议以及TCP/IP协议，用户仅需简单配置，即可实现UART设备的联网功能。该模块采用串口AT指令进行控制，模块封装尺寸小，大小仅有22mm*13.5mm*6mm，1*10插针结构方便即插即用，能够方便的嵌入到电能监测仪中。天线采用外置天线，具有传输距离远优点。该模块有三种WiFi组网工作模式：STA、AP、AP+STA，可提供十分灵活的组网方式和网络拓扑方法。三种工作模式：透明传输模式、命令模式、Httpd Client模式。我们采用的是透明传输模式，该模式简单易操作。由单片机的串口UART直接与WiFi模块的接收发送脚连接，实现点对点透传数据。

数据存储单元：本监测仪中的数据保存采用复旦微的FM24C256A，擦写1000万次，用于保存电量、参数、监测仪状态等。

LED指示单元：本监测仪不带LCD显示功能，采用LED发光二极管作为指示，有电源指示灯、跳闸指示灯、脉冲指示灯以及WiFi在线指示灯。

本发明的智能监测仪数据传输方式有主动上传和被动接收两种：

主动上传方式进行数据传输时，智能监测仪可将用户比较关心的重要数据进行打包后按一定的间隔时间(时间可设置)通过WiFi介质主动发送到智能互联网云端，用户通过手机APP或特定设施来了解并分析用电情况。

被动接收方式数据传输时，用户可直接通过手机APP向智能监测仪发送抄读命令，智能监测仪则会被动的响应抄读命令。

在一个优选的实施例中，WiFi通讯模块包括WiFi模块供电电路，所述WiFi模块供电电路的电压输出具有使能控制。如图4所示，WiFi模块供电电路采用ROHM的BD9677芯片设计，该电路为DC-DC结构，具有宽电压输入，输出电压可根据需求调整，能提供500mA的电流输出，且能量转换效率高。电压输出具有使能控制，通过BD9677的4脚进行输出控制，平时为高电平，DC模块一直有输出，当需要对WiFi电路进行复位操作时，单片机根据查询WiFi模块的tcp链接状态后，如果链接断开单片机使输入到BD9677的4脚为低电平一段时间(如3S)，那么DC模块无电压输出，然后再使BD9677的4脚持续保持高电平，DC模块重新输出3.3V电压，达到了使WiFi模块重新启动工作的目的。+12V为变压器经整流后的电压，为DC-DC模块的输入电压，3.3V为DC模块的输出电压，供WiFi模块电路使用。

进一步的，可采用如图5所示的WiFi模块通讯接口电路，WiFi通讯采用透传方式，可以实现串口即插即用，WiFi模块的5，6脚直接与单片机的UART接口连接。在透传方式下，用户只需要对WiFi模块进行参数配置，上电后，WiFi模块会自动连接到默认的无线网络和服务器。连接后WiFi模块的10脚会输出高电平使LED灯会持续点亮，告诉用户WiFi已入网，可以进行通讯操作。

为满足本发明中对装置体积和供电控制的特殊需求，本发明的继电器单元进行具体设计优化，一种优化后的继电器单元的结构参见图6所示，其中，继电器单元的磁线圈结构体垂直坐落在负载输入端1、第一负载输出端2，第二负载输出端3这三个端子上，三个端子正好放置在2P导轨表壳内，使继电器牢牢固定在壳体里而不晃动。火线由负载输入端1通过导线连入居家安全用电智能监测仪的主PCB板，为居家安全用电智能监测仪提供电压；采样单元中的电流采样单元由负载输入端1通过导线连入居家安全用电智能监测仪的主PCB板，为居家安全用电智能监测仪提供电流信号。

由于第二负载输出端3直接从负载输入端1方向直角90度弯折过来，没有经过继电器线圈，故从第二负载输出端3出来的负载不受继电器线圈的断开控制，第一负载输出端2经过继电器内部线圈而受线圈断开控制，实现了一路输入，两路输出，一路受控，一路不受控的结构设计。

如图3所示，本发明还提供一种如前所述的居家安全用电智能监测仪的WiFi通讯监测方法，包括以下步骤：

S1、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为命令模式；

S2、单片机查询WiFi通讯模块与用户手机的链接状态，接收并判断WiFi通讯模块响应结果，如响应结果为是，转至步骤S3；如响应结果为否，转至步骤S4；

S3、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为透明传输模式；

S4、单片机向WiFi通讯模块发送复位指令。

通过上述方案的设置，当发生故障时可利用软件设计对WiFi供电电路进行了硬复位重启WiFi模块，复位间隔时间可设，从而保证了智能监测仪数据传输稳定。

在一个具体的实施方案中，可在步骤S4中使用单片机控制WiFi通讯模块供电电路的使能脚输入电平降低为低电平3s，随后恢复高电平输入。

由于居家安全用电智能监测仪具有实时监测功能，数据采集需要及时发送到云服务器上，因此采集的频率一般为秒级别，主动发送频率较高，当用户通过观察主动上传的数据后需要对监测仪进行人为发送命令处理，特别是需要对监测仪进行拉合闸处理时，就会发生主动发送数据时刻与被动接收时刻重叠的现象，那么就会导致被动接收的命令不会被响应或返回的帧不匹配，为解决该问题，在步骤S2前，还可执行以下步骤：

定义一个新的串口缓冲区作为虚拟串口；将所述新串口与其他串口同时进行初始化处理；当监测仪接收到被动命令时，依次判断该时刻主动发送工作状态以及原接收缓存是否处于工作状态，当主动发送及原接收缓存均处于空闲状态时，直接接收及响应被动发送命令；当主动发送或原接收缓存处于工作状态时，使用所述新的串口缓冲区接收被动命令数据并作发送处理准备，准备完成后优先发送被动命令。

本发明不局限于上述实施方式，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之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种居家安全用电智能监测仪，包括集成于主PCB板上的电源控制单元、单片机、采样单元和通讯单元，其特征在于：

还包括继电器单元和2P导轨式结构的壳体，所述PCB板设置于所述壳体内；

所述继电器单元包括一路负载输入端、两路负载输出端和磁线圈，所述负载输入端用于为智能监测仪提供电压，所述两路负载输出端中，只有一路受所述继电器单元的磁线圈开关控制。

2.如权利要求1所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：所述通讯单元包括WiFi通讯模块，所述WiFi通讯模块用于将所述居家安全用电智能监测仪采集的用电数据主动发送到智能互联网云端，以及，

响应用户从手机APP向智能监测仪发送的命令，并向手机APP传输用电数据。

3.如权利要求2所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：所述WiFi通讯模块包括WiFi模块供电电路，所述WiFi模块供电电路的电压输出具有使能控制。

4.如权利要求1所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：

所述继电器单元的负载输入端与火线连接，用于为智能监测仪提供电压；

所述负载输入端和一路负载输出端分别与继电器单元的磁线圈连接；且负载输入端还与所述采样单元连接，用于提供电流信号；

所述继电器单元的另一路负载输出端不经过磁线圈。

5.如权利要求1所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：所述主PCB板由三块较小的PCB板叠加组成，所述三块较小的PCB板间使用插针连接，所述采样单元、继电器单元和电源控制单元使用导线分别与主PCB板连接。

6.如权利要求1所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：

所述电源控制单元用于控制所述居家安全用电智能监测仪的电能供应以及所述继电器单元的开闭；

所述单片机用于实现所述居家安全用电智能监测仪的电量计量、监控控制和通讯处理；所述采样单元用于获取电压和电流信息；

所述通讯单元用于所述居家安全用电智能监测仪与智能互联网云端、家用路由器的数据传输。

7.如权利要求6所述的居家安全用电智能监测仪，其特征在于：所述电源控制单元为直流开关电源。

8.一种如权利要求2所述的居家安全用电智能监测仪的WiFi通讯监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为命令模式；

S2、单片机查询WiFi通讯模块与用户手机的链接状态，接收并判断WiFi通讯模块响应结果，如响应结果为是，转至步骤S3；如响应结果为否，转至步骤S4；

S3、单片机向WiFi通讯模块发出指令，切换电表工作模式为透明传输模式；

S4、单片机向WiFi通讯模块发送复位指令。

9.如权利要求8所述的WiFi通讯监测方法，其特征在于：所述步骤S4中，单片机控制WiFi通讯模块供电电路的使能脚输入电平降低为低电平3s，随后恢复高电平输入。

10.如权利要求8所述的WiFi通讯监测方法，其特征在于，在步骤S2前，还包括以下步骤：

定义一个新的串口缓冲区作为虚拟串口；

将所述新串口与其他串口同时进行初始化处理；

当所述监测仪接收到被动命令时，依次判断该时刻主动发送工作状态以及原接收缓存是否处于工作状态，当主动发送及原接收缓存均处于空闲状态时，直接接收及响应被动发送命令；当主动发送或原接收缓存处于工作状态时，使用所述新的串口缓冲区接收被动命令数据并作发送处理准备，准备完成后优先发送被动命令。