具有计费功能的智能插座控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有计费功能的智能插座控制系统，它包括至少一智能插座节点，一主控制节点，一远程控制中心；在供电状态下，所述智能插座节点用于采集实时功率信息，并将实时功率信息传递至所述主控制节点；所述主控制节点用于接收并处理实时功率信息，以及将处理后的信息数据传递至所述远程控制中心；所述远程控制中心用于接收并处理主控制节点传递至的信息数据，以及控制供电状态。本发明还公开了一种具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法。本发明它通过使用特殊的功率采集芯片，能够在采集智能插座上用电设备的功率信息时，精确计算；方便地实现了对多个智能插座进行远程的控制与管理；用电计费方便快捷，实用性强。
【专利说明】具有计费功能的智能插座控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网络及电能监测领域，特别是涉及一种具有计费功能的智能 插座控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展，一方面，电动汽车、电动自行车以及其他以蓄电池为能源的交通 工具迅速普及；另一方面，手机、平板电脑等移动终端愈发成为人们生活不可或缺的一部 分，人们对户外供电设备的需求愈发突出。而以上两个方面所涉及的产品能够储存的电能 有限，因此是否能为这些电子设备提供充电服务也成为了一些公共场所是否人性化的衡量 标志之一，尤其是一些类似机场和车站候车室等场所。
[0003] 此外，虽然现在出现了一些商业的供电设施，例如充电粧等。但是在现况下，每一 个供电设施的优质化管理存在缺失之处。往往是每一个供电设施是一套独立的系统，相互 之间并无关联，也没有办法去统一管理。而且这类设施在付费方式上往往采用投币付费的 方式，计费方式则采用按时间计费的方式，这样的设计并未考虑到用电设备的实际用电量， 计量结果很不精确。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是：提供一种具有计费功能的智能插座控制系统，它能够适用于多 种场合，且具有较高精确度的计费功能，实现用户身份认证以及对多个无线节点的有效管 理。
[0005] 本发明的另一个目的是：提供一种具有计费功能的智能插座控制系统的控制方 法。
[0006] 本发明的具有计费功能的智能插座控制系统的技术方案是：一种具有计费功能的 智能插座控制系统，它包括至少一智能插座节点，用于读取、认证并传递IC卡中的信息，每 一所述智能插座节点作为网络状充电系统的供电端；一主控制节点，用于接收并处理每一 所述智能插座节点所读取认证的信息，以及传递处理后的认证信息；一远程控制中心，用于 接收并处理所述主控制节点传递至的认证信息，以及向所述主控制节点反馈认证结果，所 述主控制节点用于控制所述智能插座节点的电源通断；在供电状态下，所述智能插座节点 用于采集实时功率信息，并将实时功率信息传递至所述主控制节点；所述主控制节点用于 接收并处理实时功率信息，以及将处理后的信息数据传递至所述远程控制中心；所述远程 控制中心用于接收并处理所述主控制节点传递至的信息数据，以及控制供电状态。
[0007] 下面对上述技术方案进行进一步解释。
[0008] 所述至少一智能插座节点包括至少一插槽、插头；以及一电源转换模块，用于将 交流的市电转化为其他模块能够使用的直流电，为其他模块提供直流电源；一功率采集模 块，用于采集所述电源转换模块上的电流电压信息，并将电流电压信息转换为实时功率信 息，以及传递实时功率信息；一 RFID读写模块，用于读取、认证并传递IC卡中的认证信息； 一 ZigBee通信模块，用于所述智能插座节点与所述主控制节点之间的信息传递；一通断模 块，用于执行所述插槽与所述插头之间的火线通断。
[0009] 所述主控制节点包括一 ZigBee通信模块；一 MCU智能控制模块，用于接收、处理 并传递所述主控制节点的ZigBee通信模块传递至的所述智能插座节点的信息；一 GPRS模 块，用于实现所述MCU智能控制模块与所述远程控制中心之间的双向通信；一存储模块，用 于储存电费率信息并保存所述智能插座节点的使用记录。
[0010] 本发明的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法的技术方案是：一种具有 计费功能的智能插座控制系统的控制方法，它包括以下步骤， 51 :将IC卡插入所述智能插座节点中，所述智能插座节点读取IC卡中的信息，所述智 能插座节点将IC卡中的信息传递至所述主控制节点； 52 :所述主控制节点处理所述智能插座节点传递至的信息，并将处理后的信息传递至 所述远程控制中心； 53 :所述远程控制中心认证IC卡中的信息，并向所述主控制节点反馈认证结果； S4、所述主控制节点根据认证结果控制所述智能插座节点电源通断； 55 :认证通过后，所述智能插座节点开始供电，并采集实时功率信息，以及将实时功率 信息传递至所述主控制节点； 56 :所述主控制节点处理实时功率信息并将处理后的信息数据传递至所述远程控制中 心； 57 :所述远程控制中心控制供电状态以及IC卡的账户信息； S8:停止使用，信号停止传输。
[0011] 下面对上述技术方案进行进一步解释。
[0012] 在所述步骤Sl中还包括以下步骤， 5101 :所述智能插座节点中的RFID读写模块读取IC卡中认证信息，并将认证信息传送 到所述智能插座节点的ZigBee通信模块上； 5102 :所述智能插座节点的ZigBee通信模块将认证信息传递至所述主控制节点的 ZigBee通信模块中。
[0013] 在步骤S2中还包括以下步骤， 5201 :所述主控制节点上的ZigBee通信模块将认证信息传送给MCU智能控制模块； 5202 :所述MCU智能控制模块通过GPRS模块将认证信息发送至远程控制中心。
[0014] 在步骤S5中还包括以下步骤， 5501 :所述功率采集模块采集实时功率信息，并间断性的将实时功率信息传递至所述 智能插座节点上的ZigBee通信模块； 5502 :所述智能插座节点上的ZigBee通信模块将实时功率信息传递至所述主控制节 点的ZigBee通信模块。
[0015] 在步骤S6中还包括以下步骤， 5601 :所述主控制节点的ZigBee通信模块将实时功率信息传送至所述MCU智能控制模 块； 5602 :所述MCU智能控制模块处理实时功率信息，并将处理后的信息数据通过GPRS传 送至所述远程控制中心。
[0016] 在所述步骤S8中还包括以下步骤， S801 :如果余额不足，远程控制中心发送对应信息至所述MCU智能控制模块，停止对应 的智能插座上的供电功能；如果用户主动停止使用，按下结束按钮，智能插座停止供电。
[0017] 本发明的优点是：本发明的具有计费功能的智能插座控制系统及其控制方法，它 通过使用特殊的功率采集芯片，使采集插座上用电设备的功率信息时能够精确；方便的实 现了对多个智能插座进行远程的控制与管理；用电计费方便快捷，实用性强大，解决了人们 的正常出行时电子产品或者电动车等因电量不足而充电麻烦的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0019] 图1是本发明实施例的智能插座控制系统整体结构示意图。
[0020] 图2是本发明实施例的智能插座节点结构模块示意图。
[0021] 图3是本发明实施例的交流/直流电流转换电路图。
[0022] 图4是本发明实施例的电压转换电路图。
[0023] 图5是本发明实施例的CS7760接口连接图。
[0024] 图6是本发明实施例的实时功率信息采集原理图。
[0025] 图7是本发明实施例的主控制节点结构模块示意图。
[0026] 图8是本发明实施例的用户信息认证流程图。
[0027] 图9是本发明实施例的计费控制流程图。
[0028] 其中：1智能插座节点；2主控制节点；3远程控制中心；11插槽；12插头；13电源 转换模块；14功率采集模块；15RFID读写模块；16ZigBee通信模块；17通断模块；21MCU智 能控制模块；22GPRS模块；23存储模块。
【具体实施方式】
[0029] 实施例1 :如图1所示，一种具有计费功能的智能插座控制系统，它包括至少一智 能插座节点1，一主控制节点2,一远程控制中心3。
[0030] 其中。
[0031] 智能插座节点1，其用于读取、认证并传递IC卡中的信息，每一智能插座节点1作 为网络状的分支供电端。
[0032] 主控制节点2,其用于接收并处理每一智能插座节点1读取认证的信息，以及传递 处理后的认证信息。
[0033] 远程控制中心3,其用于接收并处理所述主控制节点2传递至的认证信息，以及向 主控制节点2反馈认证结果，主控制节点2用于控制智能插座节点1电源通断。
[0034] 在供电状态下，智能插座节点1用于采集实时功率信息，并将实时功率信息传递 至所述主控制节点2 ;主控制节点2用于接收并处理实时功率信息，以及将处理后的信息数 据传递至远程控制中心3 ;远程控制中心3用于接收并处理主控制节点2传递至的信息数 据，以及控制供电状态。
[0035] 具体的：智能插座节点1通过RFID技术读取用户IC卡内信息，然后将该信息上传 并在收到验证通过的消息后开启插座上的供电功能，同时在用户用电过程中，间断性的采 集瞬时有功功率值并将其传送至主控制节点2 ;主控制节点2,用于将智能插座节点1上传 来的认证信息和结束信号传输到远程控制中心3,同时计算工作中的智能插座节点1上产 生的电费，存储并上传计费信息；远程控制中心3用于维护和管理IC卡账户信息，包括认 证、金额变动、用户状态更改等。
[0036] 如图2所示，一智能插座节点1包括至少一插槽11、插头12 ;以及一电源转换模块 13, 一功率采集模块14, 一 RFID读写模块15, 一 ZigBee通信模块16, 一通断模块17。
[0037] 其中。
[0038] 电源转换模块13,用于将交流的市电转化为低压的直流电，并为其他模块（功率 采集模块14、RFID读写模块15和ZigBee通信模块16)提供直流电源。同时为功率采集模块 14提供转换后的电压电流信息。电源转换模块13,主要作用是将220V的交流电经LNK304 稳压芯片变换为12V的直流电，再经相应的LDO稳压管为系统提供5V和3. 3V的直流电压。
[0039] 涉及交流/直流（AC/DC)的电流转换。
[0040] 具体的。
[0041] 如图3所示，在交流/直流转换电路中，AC端输入的交流电压首先经过二极管D3、 电容C8和电阻R4组成的滤波电路后，整流滤波。在该交流/直流转换电路中，为了稳定输 出电流，将LinkSwitch-TN使用开/关控制方式，这样不仅能达到比电容降压式线性稳压电 源更高的效率，而且可提高功率因数，降低干扰的基础上还能降低来自降压电路的功率损 耗；该电路中，可以通过芯片LNK304的工作方式来确定续流二极管D4的选择。当该芯片的 工作模式为连续模式时，二极管D4的恢复速度非常快，只需要低于35ns ;当该芯片的工作 模式为非连续模式时，二极管D4则相当于一个超快速二极管，恢复速度稍微慢点，但也只 需要接近75ns的时间间隔。电感L2是一个带有适当的RMS电流等级的现成电感元件，从 而在一定程度上能够起到保护电路的作用。电容C3的主要功能是限制电压纹波；考虑对 过载和短路的保护，本电路中通过Rl，R3电阻的分压作用来达到这种保护目的，正常工作 时，LNK304的FB引脚的电压基本稳定在I. 65V。当电路出现故障，比如负过载或发短路时， FB引脚电压就会发生明显变化，进而使得流进反馈引脚FB的电流大到超过49 μ A，从而使 MOSFET的开关在下一个周期被禁止，使其进入到自动重启动状态。
[0042] 实现交流到直流的转变后，还需要将12V的直流电压转换为5V和3. 3V两种直流 电压，为智能插座节点1内的功率采集模块14、RFID读写模块15以及ZigBee通信模块16 供电。涉及各种不同模块的电压（DC-DC)转换，具体的。
[0043] 如图4所示，利用78L05直流稳压管实现5V电压的稳压，再经过7533线性稳压管 输出3. 3V的电压，同时使用合适的电容滤波电路来确保电压的稳定。
[0044] 功率采集模块14,其作用是采集到用电设备的实时功率值，为系统计算用电费用 提供依据。功率采集模块14,用于采集所述电源转换模块13上的电流电压信息，并将电流 电压信息转换为实时功率信息，以及传递实时功率信息。将实时功率信息传送给ZigBee通 信模块16。
[0045] 具体的：功率采集模块14以CS7760为核心，它在保证低成本、小体积的同时，具有 高精度，高可靠性的特点。CS7760采用高精度ADC和DSP相结合的技术，片内集成高稳定的 基准电压，对温度、纹波等外部干扰的敏感度很低，在恶劣的外界条件下也能维持高的计量 准确度及稳定性。
[0046] 如图5所示，图5为CS7760与采集电路以及CC2530之间的接口连接图。在进行 功率采集时，CS7760的VlP和V2P分别接入经过信号变换的电压和电流信号，VlN和V2N接 入经过滤波电路滤波后的模拟信号，与VlP和V2P构成差分信号；然后将交流电压信号和 交流电流信号数字化，然后通过片内高通滤波后送到内部乘法器直接相乘得到瞬时有功功 率，经低通滤波后再通过一个数频转换器转换为频率信号并从CF引脚输出。
[0047] 如图6所示，图6为实时功率信息采集原理图。以家庭用电电压220V为例。假设 功率采集模块14采集到的为正弦电压和正弦电流，则瞬时电压和电流值的计算如公式（1) 和⑵所示。
【权利要求】
1. 一种具有计费功能的智能插座控制系统，其特征在于；它包括 至少一智能插座节点，用于读取、认证并传递1C卡中的信息，每一所述智能插座节点 作为网络状充电系统的供电端； 一主控制节点，用于接收并处理每一所述智能插座节点所读取认证的信息，W及传递 处理后的认证信息； 一远程控制中屯、，用于接收并处理所述主控制节点传递至的认证信息，W及向所述主 控制节点反馈认证结果，所述主控制节点用于控制所述智能插座节点的电源通断； 在供电状态下，所述智能插座节点用于采集实时功率信息，并将实时功率信息传递至 所述主控制节点；所述主控制节点用于接收并处理实时功率信息，W及将处理后的信息数 据传递至所述远程控制中屯、；所述远程控制中屯、用于接收并处理所述主控制节点传递至的 信息数据，W及控制供电状态。
2. 根据权利要求1所述的具有计费功能的智能插座控制系统，其特征在于：所述至少 一智能插座节点包括至少一插槽、插头；W及 一电源转换模块，用于将交流的市电转化为其他模块能够使用的直流电，为其他模块 提供直流电源； 一功率采集模块，用于采集所述电源转换模块上的电流电压信息，并将电流电压信息 转换为实时功率信息，W及传递实时功率信息； 一 RFID读写模块，用于读取、认证并传递1C卡中的认证信息； 一 Zi浊ee通信模块，用于所述智能插座节点与所述主控制节点之间的信息传递； 一通断模块，用于执行所述插槽与所述插头之间的火线通断。
3.根据权利要求2所述的具有计费功能的智能插座控制系统，其特征在于：所述主控 制节点包括 一 Zi浊ee通信模块； 一 MCU智能控制模块，用于接收、处理并传递所述主控制节点的Zi浊ee通信模块传递 至的所述智能插座节点的信息； 一 GPRS模块，用于实现所述MCU智能控制模块与所述远程控制中屯、之间的双向通信； 一存储模块，用于储存电费率信息并保存所述智能插座节点的使用记录。
4. 一种具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在于；它包括W下步 骤， 51 ;将1C卡插入所述智能插座节点中，所述智能插座节点读取1C卡中的信息，所述智 能插座节点将1C卡中的信息传递至所述主控制节点； 52 ;所述主控制节点处理所述智能插座节点传递至的信息，并将处理后的信息传递至 所述远程控制中屯、； 53 ;所述远程控制中屯、认证1C卡中的信息，并向所述主控制节点反馈认证结果； 54 ;所述主控制节点根据认证结果控制所述智能插座节点电源通断； 55 ;认证通过后，所述智能插座节点开始供电，并采集实时功率信息，W及将实时功率 信息传递至所述主控制节点； 56 ;所述主控制节点处理实时功率信息并将处理后的信息数据传递至所述远程控制中 屯、； S7 ;所述远程控制中屯、控制供电状态W及IC卡的账户信息； S8;停止使用，信号停止传输。
5. 根据权利要求4所述的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在 于；在所述步骤S1中还包括W下步骤， 5101 ;所述智能插座节点中的RFID读写模块读取1C卡中认证信息，并将认证信息传送 到所述智能插座节点的Zi浊ee通信模块上； 5102 ;所述智能插座节点的Zi浊ee通信模块将认证信息传递至所述主控制节点的 Zi浊ee通信模块中。
6. 根据权利要求5所述的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在 于；在所述步骤S2中还包括W下步骤， 5201 ;所述主控制节点上的Zi浊ee通信模块将认证信息传送给MCU智能控制模块； 5202 ;所述MCU智能控制模块通过GPRS模块将认证信息发送至远程控制中屯、。
7. 根据权利要求6所述的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在 于；在所述步骤S5中还包括W下步骤， 5501 ;所述功率采集模块采集实时功率信息，并间断性地将实时功率信息传递至所述 智能插座节点上的Zi浊ee通信模块； 5502 ;所述智能插座节点上的Zi浊ee通信模块将实时功率信息传递至所述主控制节 点的Zi浊ee通信模块。
8. 根据权利要求7所述的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在 于；在所述步骤S6中还包括W下步骤， 5601 ;所述主控制节点的Zi浊ee通信模块将实时功率信息传送至所述MCU智能控制模 块； 5602 ;所述MCU智能控制模块处理实时功率信息，并将处理后的信息数据通过GPRS传 送至所述远程控制中屯、。
9. 根据权利要求8所述的具有计费功能的智能插座控制系统的控制方法，其特征在 于；在所述步骤S8中还包括W下步骤， S801 ;如果余额不足，远程控制中屯、发送对应信息至所述MCU智能控制模块，停止对应 的智能插座上的供电功能；如果用户主动停止使用，按下结束按钮，智能插座停止供电。
【文档编号】H01R13/66GK104464101SQ201410625200
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】易建军, 徐骏, 朱晓民, 王林, 罗金龙, 黄孝慈, 张恒 申请人:华东理工大学