CN115453426A - 一种异常用电自动检测插座及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种异常用电自动检测插座及其检测方法，包括外接插孔和检测系统，该检测系统包括：数据采集单元，用于采集电压、电流及温度、湿度的数据，并对数据进行转换处理；控制单元，用于对插座的通断进行控制；交互单元，将相关的数据进行显示，供用户查看和设置，实现用户对插座状态和插座实时工作数据的信息交互以及控制；数据远程传输单元，与数据采集单元连接，用于传输数据；供电单元，与外部电源连接，用于将220V市电转成5V和3.3V的直流电，为数据采集单元、控制单元、交互单元和数据远程传输单元提供电源。本发明能够实时检测插座的用电情况，通过电器保护功能，避免突然断电，在插座断电后，开启定时器定时，定时结束后检测插座的状态，当状态恢复正常时打开电源，从而实现自动恢复电源。

Description

一种异常用电自动检测插座及其检测方法

技术领域

本发明专利涉及用电检测技术领域，尤其是涉及一种异常用电自动检测插座及其检测方法。

背景技术

电能给我们的生活和生产带来了便利，但在使用过程中，也会引发安全问题。因此，一些情况下要对用电进行监控，以防异常用电引起的意外。

插座是一种使用非常广泛的器件。插座上往往会插接各种电器件，如冰箱、空调、抽风机等等。这些设备在连接插座过程中，会存在通电现象。对于各种电器在使用过程中，或者待机过程中，是否会存在异常用量问题，传统的插座难以检测，而通过其他检测手段，则会比较耗费人力。

目前，多种公开的解决方案是智能插座。如CN107710632B公开了一种智能插座及智能系统；该智能插座包括：第一控制模块、与第一控制模块连接的第二控制模块，其中，第一控制模块，用于接收数据信号，幷对所接收的数据信号进行转码处理，将转码后的数据信号发送出去；第二控制模块，用于接收数据信号，并对数据信号进行调制处理，将调制处理后的数据信号发送出去。利用该智能插座来实现控制终端与被控终端之间的通信，由智能插座来实现数据传输、解调、转码等功能。其揭示的技术方案能够实现智能化，对数据信号进行相应处理，但是对于异常用电方面，暂时无此方面的功能。

传统的插座，往往是通过手动设置电器的电量范围，从而实现对场所内用电器的限制，但在提高用电检测智能化方面还有待改进。此外，传统的插座，在智能化方面，对于异常用电的处理上难以满足需求。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种异常用电自动检测插座及其检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种异常用电自动检测插座，包括外接插孔和检测系统，该检测系统包括：

数据采集单元，用于采集电压、电流及温度、湿度的数据，并对数据进行转换处理；

控制单元，与数据采集单元连接，用于对插座的通断进行控制；

交互单元，将相关的数据进行显示，供用户查看和设置，实现用户对插座状态和插座实时工作数据的信息交互以及控制；

数据远程传输单元，与数据采集单元连接，用于传输数据；

供电单元，与外部电源连接，用于将220V市电转成5V和3.3V的直流电，为数据采集单元、控制单元、交互单元和数据远程传输单元提供电源。

所述数据采集单元包括MCU微处理器、电量计量模块、EEPROM存储器、模数转换模块，模数转换模块、电量计量模块、EEPROM存储器分别与MCU 微处理器连接。

所述电量计量电路包括：

电压采样模块，用于测量电路电压信号，所述电路电压信号指的是用电器接入时的电路电压；

电流采样电路：用于测量电路电流信号，所述电路电流信号指的是用电器接入时的电路电流；

温湿度采集模块：用于采集环境中温度值和湿度值；

电压采样模块、电流采样模块和温湿度采样模块分别与模数转换模块连接，通过模数转换模块将模拟电压信号和模拟电流差分信号转换成数字信号，输出至微处理器进行运算。

所述交互单元包括显示模块、发光二极管、按键模块，显示模块为机械屏幕或者触摸屏幕。

所述控制单元包括：

继电器模块，与MCU微处理器连接，用于控制插座的开关；

蜂鸣器模块，与MCU微处理器连接，用于控制发出警报。

所述数据远程传输单元包括无线通信模块、服务器、移动终端，通过无线通信模块与服务器、移动终端远程通讯。

所述无线通信模块，具体为使用AT指令固件的Wi-Fi模块。

一种异常用电自动检测插座的检测方法，包括以下步骤：

S1，插座接入市电，将市电转换为两路电路输出，第一路为交流电输出至外接插孔供用电器使用，第二路通过降压转换成5V和3.3V的直流电，供检测系统用，插座上插接用电器；

S2，获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值；

S3，采集用电器当前的电功率、温度值、湿度值；

S4，查看用电器当前的电功率、温度值、湿度值是否大于电功率阈值、温度阈值和湿度阈值；

S5，若用电器当前的电功率、温度值、湿度值中存在至少任一个值大于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座异常状态，进入步骤S6；若用电器当前的电功率、温度值、湿度值小于等于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座正常状态，进入步骤S8；

S6，查看电器保护功能是否开启，若开启，向用户发出提醒，等待用户回应，并进入步骤S7；若无开启，关闭电源；

S7，检测是否在设定时间内得到用户的回应，若没有，关闭电源；若有回应，根据用户回应处理；

S8，判断电源是否断开，若断开，则打开电源，若没有断开，则返回步骤S3。

所述步骤S8中，当判断电源断开后，第一次打开电源时按照初始设定的时间重新打开恢复供电，然后返回步骤S3、S4处理，若仍然为异常状态，后续再次打开电源的时间为均为前一次打开电源的相隔时间的正整数倍。

所述步骤S2中获取获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值，具体包括以下过程：

用电器插入插座后，检测系统初始化，开始检测，获取用电器初始的电功率、温度值、湿度值，采用1.5倍四分位数法计算得到电功率阈值、温度阈值和湿度阈值。

本发明具有以下有益的技术效果：

自动化检测和控制，通过电器保护功能，避免突然断电，在插座断电后，开启定时器定时，定时结束后检测插座的状态，当状态恢复正常时打开电源，从而实现自动恢复电源。同时具有远程通讯功能，便于与远程终端实现交互通讯，能够有效提升用电安全。

附图说明

图1为本发明中插座的结构示意图；

图2为本发明中主板的结构示意图；

图3为本发明中方法的流程示意图。

附图标记：

1-插孔；2-显示屏；3-开关按键；4-温湿度检测器；5-电源接头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，如果有涉及到的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参考图1和2所示，一种异常用电自动检测插座，包括壳体，壳体上设有若干个插孔1，包括公知的三孔、两孔，与外部用电器的电源插头插接，壳体内设有主板，壳体上设有与主板连接的LCD显示屏或者OLED彩色显示屏2、开关按键3、温湿度检测器4，主板连接有电源接头5，主板上设有继电器、与火线和零线连接的接线端子、LCD显示屏或者OLED彩色显示屏的接线焊线区、MCU微处理器、降压转换模块，此为整体的硬件结构。温湿度检测器可以实时的检测环境的温度和湿度，将检测到的数据传送给主板进行相应的处理。

LCD显示屏或者OLED彩色显示屏可用于显示实时电量数据、温度数据、状态信息，按键3控制插座电源，实现电源的通断。插座侧面有LED灯，通过发出不同颜色的灯光代表不同的工作状态。电源接头5用于接入市电。主板通过螺丝锁紧在壳体内，4个接线端子焊接在插座电路板的开槽处。4 个接线端子分别接火线进线、零线进线、火线出线、零线出线，通过插座电路板的内部电路将火线和零线连通。

实施例二

参考图1和2所示，一种异常用电自动检测插座，包括检测系统，该检测系统包括：

数据采集单元，用于采集电压、电流及温度、湿度的数据，并对数据进行转换处理。控制单元，与数据采集单元连接，用于对插座的通断进行控制。交互单元，将相关的数据进行显示，供用户查看和设置，实现用户对插座状态和插座实时工作数据的信息交互以及控制。数据远程传输单元，与数据采集单元连接，用于传输数据。供电单元，与外部电源连接，用于将220V市电转成5V和3.3V的直流电，为数据采集单元、控制单元、交互单元和数据远程传输单元提供电源。

所述数据采集单元包括MCU微处理器、电量计量模块、EEPROM存储器、模数转换模块，模数转换模块、电量计量模块、EEPROM存储器分别与MCU 微处理器连接，MCU微处理器还连接有可擦除存储器，所述可擦除存储器，具体为可电擦除、断电数据不丢失的EEPROM存储器，保存电功率阈值、温度阈值、湿度阈值和每个插座唯一的id号。

所述电量计量电路包括：

电压采样模块，用于测量电路电压信号，所述电路电压信号指的是用电器接入时的电路电压。电流采样电路：用于测量电路电流信号，所述电路电流信号指的是用电器接入时的电路电流。温湿度采集模块：用于采集环境中温度值和湿度值，对应的硬件部分为温湿度检测器。

电压采样模块、电流采样模块和温湿度采样模块分别与模数转换模块连接，模数转换模块用于将模拟电压信号和模拟电流差分信号转换成数字信号，输出至微处理器进行运算。

对于MUC微处理器，采用32位微处理器，执行数据运算和逻辑运算。使用串口通信，接收模数转换电路的数字信号和温湿度采集芯片的数字信号。通过引脚推挽输出的方式对无线通信模块和可擦除存储器进行控制。

所述交互单元包括显示模块、发光二极管、按键模块。显示模块对应于壳体上的显示屏，

所述控制单元包括：继电器模块，与MCU微处理器连接，用于控制插座的开关，利用继电器模块放大来自MCU微处理器的电平信号，达到驱动继电器开关的目的，MCU微处理器通过电平信号控制继电器的通断，从而控制插座的电源；蜂鸣器模块，与MCU微处理器连接，用于控制发出警报。蜂鸣器模块包括有源蜂鸣器、三极管和电阻，三极管放大MCU微处理器发送来的电压信号，实现相应的警报处理。

所述数据远程传输单元包括无线通信模块、服务器、移动终端，通过无线通信模块与服务器、移动终端远程通讯，比如与智能手机进行远程通讯，所述服务器指MQTT服务器。

所述无线通信模块，无线通信模块，具体优选方案是Wi-Fi模块。相较其他无线传输方式，如蓝牙、Zigbee方式，Wi-Fi具有覆盖范围广、传输速度快的特点。作为一种优选方案，在应用层，通过MQTT协议传输数据，MQTT协议使用发布/订阅信息模式，提供一对多的消息发布。

本系统的一种实施例中，MCU处理器与Wi-Fi模块采用串口的方式连接，MCU处理器将字符信息传输至Wi-Fi模块，通过MQTT服务器将字符信息传输至移动终端。MQTT协议实现方式为，移动终端订阅多个异常用电自动检测插座，异常用电自动检测插座发布信息至移动终端。例如移动终端 admin订阅3个异常用电自动检测插座，分别为Socket-001、Socket-002、 Socket-003，即可接收检测插座发布的数据。

实施例三

参考图1-3所示，一种异常用电自动检测插座的检测方法，包括以下步骤：

S1，插座接入市电，将市电转换为两路电路输出，第一路为交流电输出至外接插孔供用电器使用，第二路通过降压转换成5V和3.3V的直流电，供检测系统用，插座上插接用电器，进入工作状态。

S2，获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值。

S3，采集用电器当前的电功率、温度值、湿度值。

在步骤S2和S3中，整个过程可分为数据采集任务、数据分析任务和核心决策任务，具体为：

在数据采集任务中，通过互感器采集串联在线路中的采样电路的电压和电流信号。信号经模数转换后得到二进制数字信号，将电压、电流二进制数字信号经乘法运算后得到电功率、功率因素，后发送至MCU。MCU读取温湿度传感器的二进制数字信号，得到插座工作时的温湿度值。

在数据分析任务中，定时器定时一段时间结束后，对插座采集到的电功率、温度值、湿度值计算1.5倍第三四分位数，得出接入电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值，后写入EEPROM存储器中，每次写入将更新一次EEPROM存储器中相应硬件地址的阈值。

EEPROM存储器中存储着历史接入的电器的电功率阈值，用户切换电器时无需重新进行初始化操作。用户需接入未学习的电器时，则通过移动终端在EEPROM存储器中新建硬件地址，用于保存该电器的电功率阈值。

以电功率阈值计算方法为例，将采集到的所有电功率数据从小到大排序并分为四等份，并且计算出1.5倍第三四分位数作为判断阈值。同时，因不断添加收集到的电功率数据，四分位数也会不断变化。

四分位数是统计学中分位数的一种，将所有数值由小到大排列并分成四等份，处于三个分割点位置的数值就是四分位数。第三四分位数与第一四分位数的差距又称四分位数，也称为IQR。如果一个数据小于下四分位数1.5倍的四分位数间距或大于上四分位数1.5倍的四分位数间距,则该数据可被认为是数据集中的异常值。

以时间序列、电流值作为特征，温度值作为目标值构建二元非线性回归模型。以此实现预测插座未来的温度值，以达到提前预警的效果。

在核心决策任务中，计算电功率若干毫秒的平均值，与EEPROM存储器中与此时的电功率平均值差值最小的电功率阈值进行比较，查看比较结果。

S4，查看用电器当前的电功率、温度值、湿度值是否大于电功率阈值、温度阈值和湿度阈值。

S5，若用电器当前的电功率、温度值、湿度值中存在至少任一个值大于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座异常状态，进入步骤S6；若用电器当前的电功率、温度值、湿度值小于等于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座正常状态，进入步骤S8。

S6，查看电器保护功能是否开启，若开启，向用户发出提醒，等待用户回应，并进入步骤S7；若无开启，关闭电源，避免发生异常或者损坏问题。

S7，检测是否在设定时间内得到用户的回应，若没有，关闭电源，用户没有作出应答，则说明用户没有留意，或者其他情况，此时需要强制关闭电源，避免异常用电行为继续维持；若有回应，根据用户回应处理，当用户得知情况后，作出关闭电源指令，则会立即执行电源关闭操作。若用户没有作出回答，则在预定的回应时间过后就执行电源关闭操作。

S8，判断电源是否断开，若断开，则打开电源，若没有断开，则返回步骤S3。

所述步骤S2中获取获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值，具体包括以下过程：

用电器插入插座后，检测系统初始化，开始检测，获取用电器初始的电功率、温度值、湿度值，采用1.5倍四分位数法计算得到电功率阈值、温度阈值和湿度阈值。

以温度阈值为例，将所有采集到的温度数据由小到大排列成四等份，计算出1.5倍第三四分位数作为温度阈值，根据实时采集到的温度数据是否超出该阈值即可检测插座异常。

具体的，二元非线性回归模型实现原理如下：

将以C语言编写的非线性回归算法烧录到MCU处理器中，以实时采集到的电流值以及当前时间序列作为特征值，以插座的温度值作为目标值，将数据传入算法内进行训练，构建二元非线性回归模型。通过网格调参将模型的预测误差降低至最小，然后运用该模型预测插座未来可能达到的温度，从而达到提前预警的效果。

随后，将预测值与此时采集到的真实值进行比较，如果预测值超过真实值一定比例则通过移动终端向用户发出提醒。

此外，对于步骤S8，为断电状态下自动恢复供电的操作，在插座电源断开后，定时器定时一段时间，定时时间结束后再次打开电源，采集负载接入的用电器的电功率平均值、温湿度数据平均值，与一一对应的阈值进行比较，若是阈值，则打开电源。反之，断开电源，开启定时器定时，定时器的定时时间随着开启次数递增。例如：第一次打开定时器后，检测仍然是异常状态时，则第二次打开定时器时，第二次定时器的定时时间为上一次定时时间的正整数倍，比如1倍，这样通过不断的叠加，为后续的再次打开提供更长的间隔时间，能够更好的解除用电异常问题。

利用上述分析处理，能够较迅速准确的对接入电器进行分析，出现异常时，及时做出处理。

本发明实用性强，能兼容更多使用场景，采用额定电流更大的元器件，将插座的理论额定电流提升至50安培，满足更多大功率电器共同接入。可以分析插座使用环境是否合理，避免插座在潮湿有水的环境中使用，提升用电安全水平。

在计算阈值方法上，使用四分位数法替代算术平均数，前者可以更准确、真实的代表用电器的电功率。

此外，通对主板开槽，将强电布置在主板边缘处，隔离强弱电布线，保证电路板的安全性。在电压、电流信号线布线方法上，因采样信号微弱，易受到其他信号线路的影响，使用差分布线方式，减少信号之间的干扰。

本发明无需手动设置电功率阈值和湿度阈值，只需将电器接入插座，通过对电功率、湿度值使用四分位数法得出相应的阈值。在使用方法上，最大程度降低了人工操作，持续对插座接入电器进行监控、对插座运行环境的分析，确保用电行为始终合理，提升用电安全。识别方法上，使用四分位数法得出阈值。计算方法上，使用一段时间平均值代替瞬时值，能有效消除数据波动带来的误差导致的误判、虚警。在实用性上，本作品设计的理论额定电流更大，可以兼容更多实际应用场景。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异常用电自动检测插座，其特征在于，包括外接插孔和检测系统，该检测系统包括：

数据采集单元，用于采集电压、电流及温度、湿度的数据，并对数据进行转换处理；

控制单元，与数据采集单元连接，用于对插座的通断进行控制；

交互单元，将相关的数据进行显示，供用户查看和设置，实现用户对插座状态和插座实时工作数据的信息交互以及控制；

数据远程传输单元，与数据采集单元连接，用于传输数据；

供电单元，与外部电源连接，用于将220V市电转成5V和3.3V的直流电，为数据采集单元、控制单元、交互单元和数据远程传输单元提供电源。

2.根据权利要求1所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述数据采集单元包括MCU微处理器、电量计量模块、EEPROM存储器、模数转换模块，模数转换模块、电量计量模块、EEPROM存储器分别与MCU微处理器连接。

3.根据权利要求2所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述电量计量电路包括：

电压采样模块，用于测量电路电压信号，所述电路电压信号指的是用电器接入时的电路电压；

电流采样电路：用于测量电路电流信号，所述电路电流信号指的是用电器接入时的电路电流；

温湿度采集模块：用于采集环境中温度值和湿度值；

电压采样模块、电流采样模块和温湿度采样模块分别与模数转换模块连接，通过模数转换模块将模拟电压信号和模拟电流差分信号转换成数字信号，输出至微处理器进行运算。

4.根据权利要求3所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述交互单元包括显示模块、发光二极管、按键模块，显示模块为机械屏幕或者触摸屏幕。

5.根据权利要求4所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述控制单元包括：

继电器模块，与MCU微处理器连接，用于控制插座的开关；

蜂鸣器模块，与MCU微处理器连接，用于控制发出警报。

6.根据权利要求5所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述数据远程传输单元包括无线通信模块、服务器、移动终端，通过无线通信模块与服务器、移动终端远程通讯。

7.根据权利要求6所述的异常用电自动检测插座，其特征在于，所述无线通信模块，具体为使用AT指令固件的Wi-Fi模块。

8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的异常用电自动检测插座的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，插座接入市电，将市电转换为两路电路输出，第一路为交流电输出至外接插孔供用电器使用，第二路通过降压转换成5V和3.3V的直流电，供检测系统用，插座上插接用电器；

S2，获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值；

S3，采集用电器当前的电功率、温度值、湿度值；

S4，查看用电器当前的电功率、温度值、湿度值是否大于电功率阈值、温度阈值和湿度阈值；

S5，若用电器当前的电功率、温度值、湿度值中存在至少任一个值大于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座异常状态，进入步骤S6；若用电器当前的电功率、温度值、湿度值小于等于电功率阈值、温度阈值、湿度阈值，为插座正常状态，进入步骤S8；

S6，查看电器保护功能是否开启，若开启，向用户发出提醒，等待用户回应，并进入步骤S7；若无开启，关闭电源；

S7，检测是否在设定时间内得到用户的回应，若没有，关闭电源；若有回应，根据用户回应处理；

S8，判断电源是否断开，若断开，则打开电源，若没有断开，则返回步骤S3。

9.根据权利要求8所述的异常用电自动检测插座的检测方法，其特征在于，所述步骤S8中，当判断电源断开后，第一次打开电源时按照初始设定的时间重新打开恢复供电，然后返回步骤S3、S4处理，若仍然为异常状态，后续再次打开电源的时间为均为前一次打开电源的相隔时间的正整数倍。

10.根据权利要求9所述的异常用电自动检测插座的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中获取获取用电器的电功率阈值、温度阈值和湿度阈值，具体包括以下过程：

用电器插入插座后，检测系统初始化，开始检测，获取用电器初始的电功率、温度值、湿度值，采用1.5倍四分位数法计算得到电功率阈值、温度阈值和湿度阈值。

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