基于物联网的智能插座及其控制方法与流程

本发明涉及插座技术领域，尤其涉及一种基于物联网的智能插座及其控制方法。

背景技术：

有关数据表明，超过70%的电气火灾是由于高于电源插座内的断电器所要求的安全电压或电流造成。传统的电源插座不具备电能参数自动检测功能，不会因为电源插座所能提供的额定电压、电流不足以满足当前电器设备的要求，而自行断电；更不会因为当前电器设备的工作电压、电流等电能参数超越电源插座所能提供的最大电压、电流值而作预警处理，并及时报告给电力用户，以防止电气火灾事故的发生。与此同时，我国每年大约有超过数千人因为触摸电源插座而发生触电或烧伤事故。究其原因，主要是因为传统的电源插座无论其上是否已接入电器设备，电源插座的插孔已被供电。针对传统电源插座的缺陷与功能上存在的不足，广大电力用户迫切需要一种功能更全并具有保护功能的智能电源插座。为此，利用电能参数实时自动检测、rfid射频识别、wifi无线通信、嵌入式mcu，以及android智能控制、管理等多种技术，设计了一款基于物联网的智能插座。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于物联网的智能插座及其控制方法，可实时自动检测、自行断电，有效避免电气火灾事故的发生。

为实现上述目的，本发明提供一种基于物联网的智能插座，包括智能电源插座和智能管理系统，所述智能电源插座与智能管理系统之间通过wifi无线通信方式进行数据交换；

所述智能电源插座内置有rfid电子标签识别器、mcu和电能参数计量模块，电器设备的电源插头内嵌入一个用于记录当前电器设备工作时所需的额定电能参数的rfid电子标签；所述rfid电子标签识别器与rfid电子标签之间通过rfid方式连接，所述rfid电子标签通过rfid电子标签识别器与mcu交互连接，所述电能参数计量模块的输出端与mcu的输入端连接，且所述mcu的输出端与继电器的控制端连接；

通过rfid电子标签识别器与rfid电子标签的适配可实时感知当前智能电源插座上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块实时感知出当前电器设备的工作电能值；然后mcu通过rfid方式读取电子标签内的电器设备的额定电能参数；将额定电能参数与电能参数计量模块所感知的工作电能值作对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；

如果当前电器设备工作时的额定电能参数超出智能电源插座所能提供的工作电能值，智能电源插座会及时告知电器设备，同时也不给插孔供电；如果当前电器设备所需的额定电能参数未超出智能电源插座所能提供的工作电能值，智能电源插座也会及时告知电器设备，并给其供电。

其中，所述智能电源插座还内置有wifi无线通信模块，所述智能管理系统嵌入在智能终端上，通过天线与wifi无线通信模块的适配来实现智能管理系统与智能电源插座通信交互连接；所述智能管理系统以wifi无线通信方式对智能电源插座进行管理、控制：

智能管理系统实时查询智能电源插座上是否接有电器设备；如果接有电器设备，可立即读取当前电器设备的工作工作电能值；

可远程控制对某个电器设备是否供电：如发指令“1”对其供电，如发指令“0”对其断电。

其中，所述智能电源插座还设置有lcd显示屏，所述lcd显示屏与mcu的输出端连接，且通过lcd显示屏实时显示当前电器设备工作时的工作电能值；所述lcd显示屏上设置有日期信息单元、时间信息单元、电压信息单元、电流信息单元、功率信息单元和电能信息单元;所述智能电源插座还设置有多个为便携式电子设备充电的usb接口。

其中，所述智能电源插座还内置有电压互感器、电流互感器和断电保护模块，所述电压互感器、电流互感器和断电保护模块的一端均连接至220v交流电，所述电压互感器和电流互感器的另一端均连接至电能参数计量模块的输入端，所述mcu的输出端还连接至断电保护模块；所述电压互感器和电流互感器将感应到的电压和电流信号发送给电能参数计量模块。

其中，所述智能电源插座还内置有实时时钟模块，且所述实时时钟模块与mcu的输入端连接。

其中，所述mcu的型号为msp430f149。

其中，所述电能参数计量模块的型号为att7053，且其工作电压4.5～5.5v；所述att7053芯片的dvdd引脚与rst引脚之间连接有第一电阻，第一电阻的一端还依次并联有第二电阻、第三电阻和第一电容，第一电容接地，第二电阻还连接test引脚，第三电阻还连接avcc引脚，且avcc引脚与第三电阻之间还并联有第二电容；rst引脚与第一电阻的公共端通过第三电容接地，vdd1p8引脚通过并联的第四电容和第五电容后连接第三电容；att7053芯片的v3p引脚连接并联的第四电阻和第五电阻，且第五电阻与第六电容之间形成闭环回路后接地；att7053芯片的v3n引脚连接并联的第六电阻和第七电阻，且第七电阻与第八电容之间形成闭环回路后接地；v1p和v1n均悬空；v2p连接有第八电阻和第九电容，所述第八电阻的一端连接有依次串联的第九电阻、第十电阻和第十一电阻，所述第九电阻和第十电阻两者的公共端连接第九电容后再接地，所述第十一电阻的一端连接v2n引脚，且第十一电阻的一端还通过第十电容接地，所述第十电容与vref之间并联有第十一电容和第十二电容；gnd引脚接地，osco引脚和osc1引脚之间连接有晶振，所述晶振的一端连接第十三电容，且所述晶振的另一端连接有与第十三电容连接的第十四电容；spi-clk引脚、spi-do引脚、spi-di引脚、spi-cs引脚和irq引脚均连接信息通道；pf引脚和qf引脚均悬空；uart引脚连接电源，agnd引脚接地。

其中，所述rfid电子标签识别器采用trf7960a芯片，该芯片包含一个用于iso15693，iso14443a/b和felica的集成型模拟前端和一个内置的数据组帧引擎；对于具有所有组帧和板上同步任务iso14443，支持的数据速率高达848kb/s。

其中，所述wifi无线通信模块是型号为wifi801d的超低功耗嵌入式wifi模块，wifi801d芯片的nrst引脚和gnd引脚之间连接有第十五电容，所述第十五电容的一端通过第十二电阻连接电源，所述第十五电容的一端还通过继电开关连接第十三电阻，且所述第十五电容的另一端也连接第十三电阻；txd引脚连接第十四电阻，rxd引脚连接第十五电阻，所述第十四电阻和第十五电阻均还连接并联的第十六电容和第十七电容。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于物联网的智能插座控制方法，所述智能电源插座与智能管理系统之间通过wifi无线通信方式进行数据交换；

通过rfid电子标签识别器与rfid电子标签的适配可实时感知当前智能电源插座上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块实时感知出当前电器设备的工作电能值；然后mcu通过rfid方式读取电子标签内的电器设备的额定电能参数；将额定电能参数与电能参数计量模块所感知的工作电能值作对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；

如果智能电源插座所能提供的工作电能值不能满足电器设备工作时的额定电能参数，智能电源插座会及时告知电器设备，同时也不给插孔供电；如果智能电源插座所能提供的工作电能值能满足电器设备工作时的额定电能参数，智能电源插座也会及时告知电器设备，并给其供电。

与现有技术相比，本发明提供的基于物联网的智能插座及其控制方法，具有如下有益效果：

1）rfid电子标签识别器与rfid电子标签的适配可实时感知当前智能电源插座上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；这种方式的改进，确保了插孔上的电压为零，从而有效地避免了触电或被烧伤事故的发生；

2）当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块实时感知出当前电器设备的工作电能值并与额定电能参数对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；如果超过则断电，如果不查过，则供电，这种方式可利用电能参数实时自动检测、自行断电，进一步有效避免电气火灾事故的发生；

3）智能电源插座与智能管理系统之间通过wifi无线通信方式进行数据交换，可实时查询智能电源设备上是否有电器设备接入、可远程控制对某个电器设备供电或远程读取电能参数；因此可远程实现对智能电源插座的管理和控制；

4）总结：基于物联网的智能插座不仅能实时监测并显示插座上所接入的电器设备工作时的电压、电流、功率等电能参数，而且如果电能参数超出插座所能提供的额定电能参数时，插座会自动给电器设备断电并预警，以防止发生电气火灾。同时，如果插座上没接入电器设备，插座口一直处于断电状态，从而有效避免触电或被烧伤事故的发生；此外，用户可通过wifi远程控制智能插座的开关。基于物联网的智能插座可广泛运用普通家庭、办公室、工厂等众多领域。因此，物联网智能插座，有着广泛的市场应用前景和社会需求。

附图说明

图1为本发明的基于物联网的智能插座的功能方框图；

图2为本发明的基于物联网的智能插座的具体方框图；

图3为本发明中muc的电路原理图；

图4为本发明中电能参数计量模块的电路原理图；

图5为本发明中wifi无线通信模块的电路原理图；

图6为本发明的基于物联网的智能插座的控制方法流程图。

主要元件符号说明如下：

1、智能电源插座2、智能管理系统

3、rfid电子标签10、rfid电子标签识别器

11、mcu12、电能参数计量模块

13、wifi无线通信模块14、lcd显示屏

15、usb接口16、电压互感器

17、电流互感器18、断电保护模块

19、实时时钟模块141、日期信息单元

142、时间信息单元143、电压信息单元

144、电流信息单元145、功率信息单元

146、电能信息单元。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1-2，本发明的基于物联网的智能插座，包括智能电源插座1和智能管理系统2，智能电源插座1与智能管理系统2之间通过wifi无线通信方式进行数据交换；

智能电源插座1内置有rfid电子标签识别器10、mcu11和电能参数计量模块12，电器设备的电源插头内嵌入一个用于记录当前电器设备工作时所需的额定电能参数的rfid电子标签3；rfid电子标签识别器10与rfid电子标签3之间通过rfid方式连接，rfid电子标签3通过rfid电子标签识别器10与mcu11交互连接，电能参数计量模块12的输出端与mcu11的输入端连接，且mcu11的输出端与继电器的控制端连接；

通过rfid电子标签识别器10与rfid电子标签3的适配可实时感知当前智能电源插座1上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu11控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块12实时感知出当前电器设备的工作电能值；然后mcu11通过rfid方式读取电子标签内的电器设备的额定电能参数；将额定电能参数与电能参数计量模块所感知的工作电能值作对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；

如果当前电器设备工作时的额定电能参数超出智能电源插座所能提供的工作电能值，智能电源插座会及时告知电器设备，同时也不给插孔供电；如果当前电器设备所需的额定电能参数未超出智能电源插座所能提供的工作电能值，智能电源插座也会及时告知电器设备，并给其供电。

在本实施例中，智能电源插座1还内置有wifi无线通信模块13，智能管理系统2嵌入在智能终端上，通过天线与wifi无线通信模块的适配来实现智能管理系统与智能电源插座通信交互连接；智能管理系统以wifi无线通信方式对智能电源插座进行管理、控制：

智能管理系统实时查询智能电源插座上是否接有电器设备；如果接有电器设备，可立即读取当前电器设备的工作工作电能值；

可远程控制对某个电器设备是否供电：如发指令“1”对其供电，如发指令“0”对其断电。本案中的工作电能值包括电压、电流、功率等电能参数；额定电能参数包括额定电压、额定电流、额定功率等电能参数。

在本实施例中，智能电源插座还设置有lcd显示屏14，lcd显示屏14与mcu11的输出端连接，且通过lcd显示屏实时显示当前电器设备工作时的工作电能值；lcd显示屏上设置有日期信息单元141、时间信息单元142、电压信息单元143、电流信息单元144、功率信息单元145和电能信息单元146;智能电源插座1还设置有多个为便携式电子设备充电的usb接口15。lcd显示屏可显示日期、时间、电压、电流、功率和电能等信息。

在本实施例中，智能电源插座1还内置有电压互感器16、电流互感器17和断电保护模块18，电压互感器、电流互感器和断电保护模块的一端均连接至220v交流电，电压互感器和电流互感器的另一端均连接至电能参数计量模块的输入端，mcu的输出端还连接至断电保护模块；电压互感器和电流互感器将感应到的电压和电流信号发送给电能参数计量模块。智能电源插座还内置有实时时钟模块19，且实时时钟模块19与mcu的输入端连接。该智能电源插座由电能参数实时监测、rfid射频自动识别、wifi无线通信、嵌入式mcu、lcd显示、usb接口、断电保护操作、实时时钟等功能模块构成。

mcu11的型号为msp430f149，mcu11是整个系统的核心部分，负责数据的采集、处理以及相关控制，采用msp430f149。该芯片是美国ti公司推出的一款低功耗、高集成、高性能单片机，特别适合于电池应用场合或手持设备。msp430f149包含了1个硬件乘法器，48个i/o口，1个模拟比较器，2个具有捕捉/比较寄存器的定时器，8路12位ac/dc转换器，2个硬件串行通信接口，60kb的flashrom，特别适合于设计片上系统，其电路设计如图3所示。

请参阅图4，电能参数计量模块11的型号为att7053，且其工作电压4.5～5.5v；att7053芯片的dvdd引脚与rst引脚之间连接有第一电阻r1，第一电阻r1的一端还依次并联有第二电阻r2、第三电阻r3和第一电容c1，第一电容c1接地，第二电阻r2还连接test引脚，第三电阻r3还连接avcc引脚，且avcc引脚与第三电阻之间还并联有第二电容c2；rst引脚与第一电阻r1的公共端通过第三电容c3接地，vdd1p8引脚通过并联的第四电容c4和第五电容c5后连接第三电容c3；att7053芯片的v3p引脚连接并联的第四电阻r4和第五电阻r5，且第五电阻fr与第六电容c6之间形成闭环回路后接地；att7053芯片的v3n引脚连接并联的第六电阻r6和第七电阻r7，且第七电阻r7与第八电容c8之间形成闭环回路后接地；v1p和v1n均悬空；v2p连接有第八电阻r8和第九电容c9，第八电阻r8的一端连接有依次串联的第九电阻r9、第十电阻r10和第十一电阻r1，第九电阻r9和第十电阻r10两者的公共端连接第九电容c9后再接地，第十一电阻r11的一端连接v2n引脚，且第十一电阻的一端还通过第十电容c10接地，第十电容c10与vref之间并联有第十一电容c11和第十二电容c12；gnd引脚接地，osco引脚和osc1引脚之间连接有晶振y，晶振y的一端连接第十三电容c13，且晶振的另一端连接有与第十三电容连接的第十四电容c14；spi-clk引脚、spi-do引脚、spi-di引脚、spi-cs引脚和irq引脚均连接信息通道；pf引脚和qf引脚均悬空；uart引脚连接电源，agnd引脚接地。att7053是一颗带spi和uart接口的单相多功能计量芯片，其工作电压为4.5～5.5v。该芯片的特点有：3路22b∑⁃δadc，采样率28khz/14khz/7khz可调；支持5000∶1的动态范围；支持有功、无功、视在功率和电能脉冲输出；可同时得到两路计量通道的电压、电流通道的有效值，以及电压频率，电压电流相位。

在本实施例中，rfid电子标签识别器采用trf7960a芯片，该芯片包含一个用于iso15693，iso14443a/b和felica的集成型模拟前端和一个内置的数据组帧引擎；对于具有所有组帧和板上同步任务iso14443，支持的数据速率高达848kb/s。对于具有所有组帧和板上同步任务（iso模式，默认）的iso14443，它支持的数据速率高达848kb/s。它还支持nfc论坛标签类型1，2，3和4操作（只作为读取器/写入器）。可通过使用器件提供的两个直接模式来执行其他标准，甚至执行定制协议。这些直接模式（0和1）使得用户能够完全控制模拟前端（afe）并获得原始副载波数据或者非成帧数据（但已经是iso格式数据）和相关（被提取的）时钟信号的存取权限。

请进一步参阅图5，wifi无线通信模块是型号为wifi801d的超低功耗嵌入式wifi模块，wifi801d芯片的nrst引脚和gnd引脚之间连接有第十五电容c15，第十五电容c15的一端通过第十二电阻r12连接电源，第十五电容c15的一端还通过继电开关k5连接第十三电阻r13，且第十五电容c15的另一端也连接第十三电阻r13；txd引脚连接第十四电阻r14，rxd引脚连接第十五电阻r15，第十四电阻r14和第十五电阻r15均还连接并联的第十六电容r16和第十七电容r17。wifi801d芯片上的其他引脚均悬空，该模块硬件上集成了mac、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器；嵌入式的固件则支持wifi协议及配置，以及组网的tcp/ip协议栈。特点：支持ieee802.11b/g无线标准，最高速率54mb/s；支持softap和sta模式；支持tcp，udp，dns，snmp，icmp等多种网络协议，支持标准的at指令操作。

请及进一步参阅图6，本发明还提供一种基于物联网的智能插座控制方法，智能电源插座与智能管理系统之间通过wifi无线通信方式进行数据交换；

通过rfid电子标签识别器与rfid电子标签的适配可实时感知当前智能电源插座上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块实时感知出当前电器设备的工作电能值；然后mcu通过rfid方式读取电子标签内的电器设备的额定电能参数；将额定电能参数与电能参数计量模块所感知的工作电能值作对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；

如果智能电源插座所能提供的工作电能值不能满足电器设备工作时的额定电能参数，智能电源插座会及时告知电器设备，同时也不给插孔供电；如果智能电源插座所能提供的工作电能值能满足电器设备工作时的额定电能参数，智能电源插座也会及时告知电器设备，并给其供电。

本发明提供的基于物联网的智能插座及其控制方法，具有如下优势：

1）rfid电子标签识别器与rfid电子标签的适配可实时感知当前智能电源插座上是否接有电器设备，当感知到没有电器设备接入，mcu控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给智能电源插座上的插孔供电；这种方式的改进，确保了插孔上的电压为零，从而有效地避免了触电或被烧伤事故的发生；

2）当感知到有电器设备接入，电能参数计量模块实时感知出当前电器设备的工作电能值并与额定电能参数对比、分析；并判定智能电源插座所能提供的工作电能值是否满足电器设备所需的额定电能参数；如果超过则断电，如果不查过，则供电，这种方式可利用电能参数实时自动检测、自行断电，进一步有效避免电气火灾事故的发生；

3）智能电源插座与智能管理系统之间通过wifi无线通信方式进行数据交换，可实时查询智能电源设备上是否有电器设备接入、可远程控制对某个电器设备供电或远程读取电能参数；因此可远程实现对智能电源插座的管理和控制；

4）总结：基于物联网的智能插座不仅能实时监测并显示插座上所接入的电器设备工作时的电压、电流、功率等电能参数，而且如果电能参数超出插座所能提供的额定电能参数时，插座会自动给电器设备断电并预警，以防止发生电气火灾。同时，如果插座上没接入电器设备，插座口一直处于断电状态，从而有效避免触电或被烧伤事故的发生；此外，用户可通过wifi远程控制智能插座的开关。基于物联网的智能插座可广泛运用普通家庭、办公室、工厂等众多领域。因此，物联网智能插座，有着广泛的市场应用前景和社会需求。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。