专利名称：具有通信功能的智能插头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及单相插头技术领域，具体涉及一种具有通信功能的智能插头。
背景技术：
进入21世纪以来，世界能源问题和资源问题日益突出，“节能减排、低碳经济”逐渐走进人们的平常生活。近年来，随着物联网建设不断推进，以及智能住宅的发展，为广大用户提供了如图1所示的基于智能插座实现家电智能控制的系统模型。该模型采用了计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将各种家电以及住宅内部各种智能化信息处理系统有机地结合在一起，通过统筹管理使得人们生活和工作更加方便、安全、有效。如图1所示，该系统模型包括电能表、智能插座和网关等主要设备，其中电能表用于计量用户的总体电能值；智能插座用于采集各个电器的电能值情况，采集各电器的用电数据和参数，并且可以通过WSN (Wireless Sensor Network，无线传感器网络)网络，将这些信息发送给网关；网关可以通过WSN网络和各个智能插座建立连接，各个智能插座将其用电数据和参数发送到网关，网关将用电数据处理转换后通过互联网发送到用电服务器例如用电管理部门或者该用电用户。基于这些用电数据和参数，用电服务器可以通过网关实现对各电器的远程智能控制和管理，进而通过对各电器的能耗情况制定更有效的节能降耗措施。其中，图1中电器的插头部分的连接导线包含L、N、PE三条线，分别代表火线、零线和地线。虽然图1中的基于智能插座/物联网的家电使用模型的优点突出，但也存在一些较大的设计缺陷(1)虽然实现了一定程度的家电智能化，但家电本身不具备通信功能，所以这种智能化对家电来说完全是被动的，没有“人-机”对话功能，完全是一种单向的接收控制功能。(2)家电智能化没有真正融入到智能住宅体系中，只能被动的连接到智能插座上。(3)智能插座往往体积大，成本较高，并且智能插座通常是安装在已有的普通插座上，然后电器的插头再插在智能插座上，实现起来很不方便，不但浪费了大量的原材料，也不符合智能住宅发展的大趋势。
实用新型内容为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种具有通信功能的智能插头。为此，本实用新型是通过如下技术方案实现的—种具有通信功能的智能插头，该插头包括电能计量芯片以及与电能计量芯片相连接的电源电路、电压处理电路、电流处理电路、射频电路和通信接口，所述电源电路为电能计量芯片供电，所述电压处理电路对低压电力线的电压信号进行分压后传送给电能计量芯片，所述电流处理电路对低压电力线的电流信号进行分流后传送给电能计量芯片，所述电能计量芯片根据电压处理电路提供的电压以及电流处理电路提供的电流来计量该智能插头所连接的用电设备消耗的电能值；并且通过射频电路将该电能值经由无线传感器网络传送给网关、然后由网关转发给用电服务器；并且根据射频电路接收的由网关转发的来自于用电服务器的控制信息产生控制命令；再通过通信接口与用电设备进行通信来完成控制命令。本实用新型的有益效果在于该智能插头通过通信接口与用电设备进行通信，用户利用用电服务器通过控制传感网络和智能控制方式对各电器进行远程智能控制和管理，以达到节约能源和资源的目的。与现有技术中的智能插座相比，该具有通信功能的智能插头，简化了系统的设备结构， 大大降低了整个智能家电智能化的成本，实现真正意义上的人机交互。
图1为现有技术中的基于智能插座实现家电智能控制的系统模型；图2为本实用新型实施例提供的基于具有通信功能的智能插头实现家电智能控制的系统模型；图3为本实用新型实施例提供的具有通信功能的智能插头的结构示意图；图4是电源电路的电路原理图；图5是电压处理电路的电路原理图；图6是电流处理电路的电路原理图；图7是电能计量芯片与射频电路的连接关系示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型实施例的方案，
以下结合附图和实施方式对本实用新型实施例作进一步的详细说明。图2为本实用新型实施例提供的基于具有通信功能的智能插头实现家电智能控制的系统模型。该系统模型包括电能表、智能插头、墙体插座和网关等主要设备，其中电能表用于计量用户的总体电能值；智能插头具有通信功能，用于采集各个电器的电能值情况， 采集各电器的用电数据和参数，并且可以通过WSN网络，将这些信息发送给网关；网关可以通过WSN网络和插入墙体插座的各个智能插头建立连接，各个智能插头将其用电数据和参数发送到网关，网关将用电数据处理转换后通过互联网发送到用电服务器例如用电管理部门或者该用电用户。基于这些用电数据和参数，用电服务器可以通过网关实现对各电器的远程智能控制和管理，进而通过根据各电器的能耗情况制定更有效的节能降耗措施。其中， 图2中电器的插头部分的连接导线除了包含L、N、PE之外，还包括用于发送和接收数据的数据线TXD和RXD。图2所示的基于具有通信功能的智能插头的家电使用模型克服了图1中所示的系统模型的设计缺陷(1)家电本身具备通信功能，可以实现家电与用电服务器之间的 “人-机”对话功能，家电智能化真正融入到智能住宅体系中，而不是被动地连接到智能插座上。(2)智能控制功能嵌入家电的插头中，然后直接插入现有的墙体插座上，实现起来很方便，相比图1的基于智能插座的系统来说简化了系统的设备结构，降低了系统成本，符合智能住宅发展的大趋势。如图3所示，是本实用新型实施例提供的具有通信功能的智能插头的结构示意图，该智能插头1包括电源电路11、电压处理电路12、电流处理电路13、电能计量芯片14、 射频电路17以及通信接口 16。另外，还可以根据用户需求增加用于控制电源的继电器15。 下面具体介绍各部分的功能和结构。电源电路11，用于从220V低压电力线中获取电能，并且进行电压转换，为电能计量芯片14提供工作电源。如图4所示，该电源电路11包括半波整流单元、分压单元、电容滤波单元、稳压单元和AD转换单元，由电容Cl、电阻Rl和两个整流二极管D1、D2构成的半波整流单元对从低压电力线获得的220V交流电压进行整流处理得到直流电压；该直流电压经过由电容C2构成的电容滤波单元，由电阻R2、R3构成的分压单元和和由稳压二极管D3 构成的稳压单元后得到稳定的+5V模拟电源，再经过主要由电阻R4构成的AD转换单元将模拟电源(VA+)转换成数字电源(VD+)后输出至电能计量芯片，作为电能计量芯片的工作电源。电压处理电路12，用于采集入户220V低压电力线的电压信号，并且对其进行分压、滤波处理，然后将分压后的电压信号传送给电能计量芯片14的差分模拟电压输入通道引脚V_IN-、V_IV+，供电能计量芯片14使用。如图5所示，该电压处理电路12包括用于分压处理的电阻Rl、R2和用于对分压后的电压信号进行滤波处理的滤波电容C_V-、C_V+、C_ Vdiff0电流处理电路13，用于采集入户220V低压电力线的电流信号，并且对其进行分流、滤波处理，然后将分流后的电流信号传送给电能计量芯片14的差分模拟电流输入通道引脚，供电能计量芯片14使用。如图6所示，该电流处理电路12包括用于分流处理的电阻 R_I-、R_I+，和用于对分流后电流信号进行滤波处理的滤波电容C_I-、C_I+、C_Idiff0该电流处理电路13使用电流感应法通过导线缠绕L线来感应该插头所连接用电设备的电流，并将所采集的感应电流传送给电能计量芯片14 ；电能计量芯片14根据所采集的感应电流计算出通过该用电设备的电流，并通过该电流结合电压处理电路12分压处理后的电压计算出该电器的电能值。电流感应法的工作原理是用导线缠绕电力线的L线，当电力线中通过电流时，该导线所在的回路中产生感应电流。然后，根据该导线的缠绕匝数以及感应电流大小，计算出其所缠绕的电力线中的电流，也就是流过该智能插头1所连接的用电设备的电流。电能计量芯片14，可采用具有电能计量功能的CPU，例如ARM7芯片，用于获取电压处理电路12分压后的电压信号和电流处理电路13分流后的电流信号，并根据该电压信号和电流信号计算出该低压电力线上的总电能；还用于对用电设备的信息进行处理，并且根据射频电路接收的控制信息产生控制命令。另外，微处理器还可以通过通信接口 16获取用电设备的运行状态(例如温度、湿度、运行模式、风向、转速等参数)。继电器15，用于控制用电设备的电源断开或闭合，以起到对用电设备的保护作用。通信接口 16，可采用RS-232接口或RS-485接口，用于提供与用电设备进行通信的接口。该通信接口 16上连接有发送数据线TXD和接收数据线RXD，用于与用电设备进行串行通信。射频电路17，与具有电能计量功能的电能计量芯片14连接，用于从用电设备接收控制信息，以及将用电设备所需的信息通过网关转发给用电服务器。射频电路17可采用射频芯片，电能计量芯片14可采用AMR7芯片，射频电路17与电能计量芯片14的连接关系如图7所示，AMR7芯片其通过串口与射频芯片相连，射频芯片将接收到的信息进行调制后通过天线发送出去，并且通过天线将接收到的信息进行解调后传至AMR7芯片。该智能插头的工作过程如下电源电路11从入户的220V低压电力线上获取电能，并且进行电压转换，为用电设备以及智能插头内部电路提供工作电源；电压处理电路12对入户低压电力线上采集的电压信号进行滤波、分压后传送到电能计量芯片14，电能计量芯片14根据分压后的电压计算出入户的低压电力线上的实际电压；电流处理电路13对入户低压电力线上采集的总电流进行分流后传送到电能计量芯片14，电能计量芯片根据分流后的电流计算出入户的低压电力线上的实际电流也就是该用电用户的各用电设备的总电流，然后根据所计算的电压和总电流计算总电能值，该电能值由射频芯片通过无线传感器网络传送给网关，然后由网关转发给用电服务器；当用电服务器需要对用电设备进行控制时，向射频电路17发出控制信息，电能计量芯片14根据该射频电路接收的控制信息通过通信接口 16上的发送数据线TXD 向用电设备发出控制命令；另外，该智能插头1通过通信接口 16上的接收数据线RXD接收所测得的用电设备的用电数据，并将该用电数据传送给电能计量芯片14，电能计量芯片14 将用电数据通过射频电路传送给网关，然后由网关转发给用电服务器，便于用电服务器了解该用电设备的用电状态，实现人_机间的双向通信。此外，该智能插头1中的射频电路还可以通过WSN网络将用电数据传送给网关， 网关对用电数据进行处理以及格式转换后，通过Internet发送给用电服务器；用电服务器根据所接收的用电数据，可以通过Internet向网关发送控制命令，网关将该控制命令通过 WSN网络转发给智能插头1，智能插头1的射频电路17接收到该控制命令并且传送给电能计量芯片14，由电能计量芯片14执行相应的命令操作，进而实现如图3所示的对用户的各用电设备进行远程智能控制和管理。以上对本实用新型实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式
对本实用新型进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的系统及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
权利要求1.一种具有通信功能的智能插头，其特征在于该插头包括电能计量芯片以及与电能计量芯片相连接的电源电路、电压处理电路、电流处理电路、射频电路和通信接口，所述电源电路为电能计量芯片供电，所述电压处理电路对低压电力线的电压信号进行分压后传送给电能计量芯片，所述电流处理电路对低压电力线的电流信号进行分流后传送给电能计量芯片，所述电能计量芯片根据电压处理电路提供的电压以及电流处理电路提供的电流来计量该智能插头所连接的用电设备消耗的电能值；并且通过射频电路将该电能值经由无线传感器网络传送给网关、然后由网关转发给用电服务器；并且根据射频电路接收的由网关转发的来自于用电服务器的控制信息产生控制命令；再通过通信接口与用电设备进行通信来完成控制命令。
2.根据权利要求1所述的智能插头，其特征在于所述电能计量芯片上连接有用于控制用电设备电源的继电器。
3.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述通信接口上连接有与用电设备进行串行通信的发送数据线和接收数据线，所述通信接口采用RS-232接口或RS-485接口。
4.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述电能计量芯片采用具有电能计量功能的CPU。
5.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述电源电路包括半波整流单元、分压单元、电容滤波单元、稳压单元和AD转换单元，所述半波整流单元对从低压电力线获得的220V交流电压进行整流处理得到直流电压，该直流电压经过电容滤波单元、分压单元和稳压单元后得到稳定的模拟电源，再经过AD转换单元将模拟电源转换成数字电源后输出至电能计量芯片供其使用。
6.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述电压处理电路包括对低压电力线的电压信号进行分压的电阻和对分压后的电压信号进行滤波的滤波电容。
7.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述电源处理电路包括对低压电力线的电流信号进行分流的电阻和对分流后的电流信号进行滤波的滤波电容。
8.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于所述射频电路采用射频芯片，所述射频芯片通过串口与电能计量芯片相连，所述射频芯片将接收到的信息进行调制后发送出去，并且将接收到的信息进行解调后传至电能计量芯片。
专利摘要本实用新型涉及一种具有通信功能的智能插头，该插头的电源电路为电能计量芯片供电，电能计量芯片根据电压处理电路经过分压后提供的电压以及电流处理电路经过分流后提供的电流来计量该智能插头所连接的用电设备消耗的电能值；并通过射频电路将该电能值经由无线传感器网络传送给网关，然后由网关转发给用电服务器；并根据射频电路接收的由网关转发来自用电服务器的控制信息产生控制命令；再通过通信接口与用电设备进行通信来完成控制命令。该插头通过通信接口与用电设备进行通信，并对各电器进行远程智能控制和管理，以达到节约能源和资源的目的；该插头简化了系统的设备结构，大大降低了整个智能家电智能化的成本，实现真正意义上的人机交互。
文档编号G08C17/02GK202103276SQ20112018513
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者任伟理, 杨旭升, 祁兵 申请人:中国电力科学研究院, 华北电力大学