一种家用智能插座系统及其控制方法与流程

本发明涉及插座技术领域，具体涉及一种家用智能插座系统及其控制方法。

背景技术：

电源插座是人们工作生活中用电必不可少的一种基础性电器，随着智能家居技术和应用的发展，插座也逐渐被赋予了智能特性而成为智能插座。

随着智慧城市建设的逐渐深入，人们对节能环保科学用电提出了更高的要求。移动互联网、物联网和人工智能技术和应用的迅速发展，为电量监控技术和方案的创新提供了新的发展机会。在不增加专门的电量监控设备的情况下，完全可以将电量监控与智能插座相结合，利用网络和移动智能终端，随时掌控家居环境电器设备的用电情况，并对用电故障或意外情况进行预警监控。

现有技术中，电网公司通过对家庭用户用电现状进行分析，了解用户用电需求，找准对用户的各服务环节与用户需求之间的差距，能够使电力企业有针对性地优化营销组织，改善服务模式，提高用户体验与满意度；另外，电网公司通过多维度分析当前用户用电需求，可以帮助电网公司更准确地掌握用电客户差异化服务的业务需求，为用户提供个性化定制方案，在提高电能利用率的同时，也大大降低了用户不必要的电费开支。但目前尚无对用户用电数据进行高效采集和处理的专用设备，而利用现有工具对用户用电数据的采集及处理时需布置现场，各部件间的组装及接线费时费力，且对用户用电数据的采集和处理较为困难，精度不稳定。同时，上述组装好的采集数据的设备也不方便携带，由于应用此设备的时间和地点的不确定性，往往造成在更换下一个应用场景时，还需要重新组装该采集设备，十分不利于大规模推广应用。

在现有的家用电气回路当中，有所谓的正常电弧和故障电弧之分。其中正常电弧又分为单次电弧和周期电弧；单次电弧主要是电路开关动作所产生，其特点是发生时间随机、不连续(一般仅仅在一个或几个交流电半波内产生)、总能量特别是生成总热量比较小、并且是可控的不会引发灾害性后果，对这种单次电弧，应当不作为有害电弧来处理。周期电弧是指某些靠电弧放电来工作的电气设备或者工作于高速周期性开关状态下的电气设备(譬如内部带有有刷电机的手电钻等)，这些电气设备所产生的电弧也是在可控状态，不会引发灾害性后果，对于这种电弧也不应当作为有害电弧来处理，否则这些用电设备要么被错误地保护性断电而不能正常工作、要么就会在电气回路当中产生了故障电弧后而不受保护。

技术实现要素：

本发明提供一种家用智能插座系统及其控制方法，可以解决现有技术中采集处理用户用电数据难度大的问题，利用插座简单快捷实现用电数据的采集，并可根据用户的用电数据和环境数据以及用户的喜好，确定合理的用电控制策略，满足客户的需求同时，可以节省用电开支；本发明还通过对故障电弧进行实时检测，从而使智能插座具备了检测和保护功能，提高了智能插座的安全性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种家用智能插座系统，该系统包括智能插座、智能监控服务器和用户端；

其中，所述智能插座包括：

插座检测模块，用于检测和采集插座的电量数据和环境数据；

插座动作执行模块，用于执行指定的插座开关动作；

插座数据发送模块，用于插座检测模块得到的电量数据和环境数据发送给智能监控服务器；

电源模块，包括电源输入端、电源输出端、电磁继电器。

智能监控服务器包括：

数据接收模块，用于从所述智能插座获取电量数据和环境数据；

数据处理及分析模块，用于对所述电量数据和环境数据进行处理和分析；

插座管理策略确定模块，用于根据数据处理及分析模块得到的结果和/或用户端的指令确定插座的管理策略，所述管理策略包括上述的指定插座开关动作；

服务器通信模块，用于智能监控服务器和用户端之间的通信；

所述用户端包括：

用户端通信模块，用于用户端和智能监控服务器之间的通信；

用户端数据处理模块，用于处理用户端的数据，包括智能监控服务器发送过来的数据；

显示模块，用于实时显示智能插座的相关信息，包括电量数据、环境数据以及当前插座的动作信息；

控制模块，用于控制所述用户端通信模块、用户端数据处理模块和显示模块；其中所述控制模块包括：用户指令生成单元，用于根据用户输入的指令，生成用户控制信号，经用户端通信模块发送给智能监控服务器。

优选的，所述插座检测模块，包括电量数据采集单元、环境数据采集单元、故障电弧检测单元，其中环境数据采集单元包括：温湿度传感器、空气质量传感器和光强度传感器。

优选的，所述电量数据采集单元包括交流电流采集子单元、交流电压采集子单元、信号处理子单元，电量数据采集单元可得到实时的电流、电压信号并通过信号处理单元将其转化为易于传送分析的原始电量数据，发送给智能监控服务器。

优选的，所述数据处理及分析模块对所述原始电量数据，进行处理，得到单相电压有效值及单向电流有效值，再对上述单相电压有效值和单相电流有效值进行运算，应用全相位快速傅里叶变换算法把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出电压电流的各种电力数据，如功率、功率因素、电压电流的基波频率、基波幅值、各次谐波幅值、相位等。

优选的，所述数据处理及分析模块包括用户用电行为分析单元，用于对采集到的大量环境数据和用户用电数据进行初步计算，存储计算结果并将该计算结果进行数据分析和挖掘，以此实现对用户用电行为习惯进行分析并预测，便于为用户确定科学合理用电策略。

优选的，所述的电源模块的所述电磁继电器与所述电量监控模块连接，并接受其管控；所述电磁继电器与外部电源输入端、外部电源输出端分别连接。

优选的，插座动作执行模块包括开关控制单元和中央处理器单元，所述开关控制单元，用于实现对所述智能插座的通断控制。该开关单元可以为光耦驱动器构成，这里光耦驱动器的输入端与中央处理单元电连接，输出端与上述电磁继电器相连。当收到中央处理单元接收到插座管理策略确定模块的断开指令时，光耦驱动器驱动上述电磁继电器动作将电路断开；当收到中央处理单元接收到插座管理策略确定模块的接通指令时，光耦驱动器驱动上述继电器动作将电路接通。

优选的，所述插座检测模块的所述故障电弧检测单元，用于检测当前负载电路中是否包含故障电弧，在当前负载电路中包含故障电弧的情况下，向智能监控服务器发送故障信号数据。

优选的，所述智能监控服务器对所述故障信号数据进行分析判断，确定是否需要断开插座与故障负载的连接，如果确定需要断开，则由插座管理策略确定模块向插座动作执行模块发送断开负载连接的控制信号。

优选的，所述故障电弧检测单元检测当前负载电路中的故障电弧包括：

故障电弧检测单元提取负载电路中电流的高频分量信号；

根据高频分量信号获得电流的尺度参数；

在尺度参数大于尺度阈值的情况下，确定负载电路中包含故障电弧。

本发明还提供了一种家用智能插座系统控制方法，该方法具体包括如下步骤：

s1.实时检测插座的电量数据、环境数据以及故障数据；

s2.对所述电量数据、环境数据以及故障数据进行处理和分析，得到分析结果；

s3.根据上述分析结果和/或用户指令，确定优化的插座管理策略；

s4.根据上述插座管理策略，对智能插座进行管理，并执行相关操作，以实现安全、经济且满足用户需求的用电行为。

优选的，在所述步骤s1中，所述电量数据包括：功率、功率因素、电压电流的基波频率、基波幅值、各次谐波幅值、相位；所述环境数据包括温湿度、空气质量和光强度。

优选的，在所述步骤s2中，包括对用户用电行为进行分析，对采集到的大量环境数据和用户用电数据进行初步计算，存储计算结果并将该计算结果进行数据分析和挖掘，以此实现对用户用电行为习惯进行分析并预测，便于为用户确定科学合理用电策略。

优选的，在所述步骤s1中，所述故障数据至少包括当前负载电路中的故障电弧数据，该故障电弧数据由如下方法得到：

故障电弧检测单元提取负载电路中电流的高频分量信号；

根据高频分量信号获得电流的尺度参数；

在尺度参数大于尺度阈值的情况下，确定负载电路中包含故障电弧。

本发明的技术方案具有如下优点：（1）本发明结构简单，功能强大，易于构建，便于推广使用，本发明的系统包括智能插座、智能监控服务器和用户端，并在三者之间与建立网络连接，可实时收发电量数据、环境数据和控制指令，能够通过实时采集智能插座电流、电压信号，从而对电器用电情况进行多方位分析，并由此实现智能电量控制以及预警提醒；（2）本发明可对实时对用户用电的电压和电流进行实时监测，可对采集到的大量环境数据和用户用电数据进行初步计算，存储计算结果并将海量的计算结果进行数据分析和挖掘，以此实现对用户用电行为习惯进行分析并预测，便于为用户确定科学合理用电策略；（3）本发明还通过对故障电弧进行实时检测，从而使智能插座具备了检测和保护功能，提高了智能插座的安全性能。

附图说明

图1示出了本发明的一种家用智能插座系统的框图；

图2示出了本发明的一种家用智能插座系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了本发明的本发明的一种家用智能插座系统的框图，该系统包括智能插座1、智能监控服务器2和用户端3；

其中，所述智能插座1包括：

插座检测模块11，用于检测和采集插座的电量数据和环境数据；

插座动作执行模块12，用于执行指定的插座开关动作；

插座数据发送模块13，用于插座检测模块11得到的电量数据和环境数据发送给智能监控服务器；

电源模块14，包括电源输入端、电源输出端、电磁继电器。

智能监控服务器2包括：

数据接收模块21，用于从所述智能插座获取电量数据和环境数据；

数据处理及分析模块22，用于对所述电量数据和环境数据进行处理和分析；

插座管理策略确定模块23，用于根据数据处理及分析模块得到的结果和/或用户端的指令确定插座的管理策略，所述管理策略包括上述的指定插座开关动作；

服务器通信模块24，用于智能监控服务器2和用户端3之间的通信；

所述用户端3包括：

用户端通信模块31，用于用户端3和智能监控服务器2之间的通信；

用户端数据处理模块32，用于处理用户端的数据，包括智能监控服务器发送过来的数据；

显示模块33，用于实时显示智能插座的相关信息，包括电量数据、环境数据以及当前插座的动作信息；

控制模块34，用于控制所述用户端通信模块、用户端数据处理模块和显示模块；其中所述控制模块34包括：用户指令生成单元，用于根据用户输入的指令，生成用户控制信号，经用户端通信模块31发送给智能监控服务器2。

优选的，所述插座检测模块11，包括电量数据采集单元、环境数据采集单元、故障电弧检测单元，其中环境数据采集单元包括：温湿度传感器、空气质量传感器和光强度传感器。

优选的，所述电量数据采集单元包括交流电流采集子单元、交流电压采集子单元、信号处理子单元，电量数据采集单元可得到实时的电流、电压信号并通过信号处理单元将其转化为易于传送分析的原始电量数据，发送给智能监控服务器。

优选的，所述数据处理及分析模块22对所述原始电量数据，进行处理，得到单相电压有效值及单向电流有效值，再对上述单相电压有效值和单相电流有效值进行运算，应用全相位快速傅里叶变换算法把采样的电压电流的基波和各次谐波分离，并分别计算出电压电流的各种电力数据，如功率、功率因素、电压电流的基波频率、基波幅值、各次谐波幅值、相位等。

优选的，所述数据处理及分析模块22包括用户用电行为分析单元，用于对采集到的大量环境数据和用户用电数据进行初步计算，存储计算结果并将该计算结果进行数据分析和挖掘，以此实现对用户用电行为习惯进行分析并预测，便于为用户确定科学合理用电策略。

优选的，所述的电源模块14的所述电磁继电器与所述电量监控模块连接，并接受其管控；所述电磁继电器与外部电源输入端、外部电源输出端分别连接。

优选的，插座动作执行模块12包括开关控制单元和中央处理器单元，所述开关控制单元，用于实现对所述智能插座的通断控制。该开关单元可以为光耦驱动器构成，这里光耦驱动器的输入端与中央处理单元电连接，输出端与上述电磁继电器相连。当收到中央处理单元接收到插座管理策略确定模块23的断开指令时，光耦驱动器驱动上述电磁继电器动作将电路断开；当收到中央处理单元接收到插座管理策略确定模块23的接通指令时，光耦驱动器驱动上述继电器动作将电路接通。

优选的，所述插座检测模块的所述故障电弧检测单元，用于检测当前负载电路中是否包含故障电弧，在当前负载电路中包含故障电弧的情况下，向智能监控服务器2发送故障信号数据。

优选的，所述智能监控服务器2对所述故障信号数据进行分析判断，确定是否需要断开插座与故障负载的连接，如果确定需要断开，则由插座管理策略确定模块23向插座动作执行模块14执行模块发送断开负载连接的控制信号。

优选的，所述故障电弧检测单元检测当前负载电路中的故障电弧包括：

故障电弧检测单元提取负载电路中电流的高频分量信号；

根据高频分量信号获得电流的尺度参数；

在尺度参数大于尺度阈值的情况下，确定负载电路中包含故障电弧。

优选的，所述此外，所述服务器通信模块24包括通信芯片、通信天线及存储模块。该服务器通信模块24可以为wifi模组、蓝牙模组等。

若服务器通信模块24为wifi模组，通信芯片优选为wifisoc。通过uart引脚连接至mcu的uart引脚，通过rstmcu连接至mcu，mcu则通过rst通信连接至wifisoc。

通信天线，耦合至所述通信芯片；该通信优选为pcbprintedantenna。主要在高频和射频电路中出现。在这种电路中，为了减少体积，提高系统的可靠性，往往会采用一些特殊做法，也就是用电路板上特别设计的走线来作为天线(因为频率高，天线尺寸也不大，可以用走线实现)，这个走线是在印制电路板(pcb)制作的时候就做上去的，所以就称为printedantenna，也就是用印制方式加工生产的天线。

存储模块，耦合至所述通信芯片。存储模块优选为spiflash，即串行外置存储。

优选的，所述插座数据发送模块13和数据接收模块21采用rs-485接口，rs-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。相比无线传输，抗干扰能力大为提高，且不占用无线信号资源。rs-485最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10mbps，传输速率与传输距离成反比，在100kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器，适于在家居使用。rs-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点，满足家用智能插座的需求。

图2示出了本发明的一种家用智能插座系统控制方法的流程图。该方法具体包括如下步骤：

s1.实时检测插座的电量数据、环境数据以及故障数据；

s2.对所述电量数据、环境数据以及故障数据进行处理和分析，得到分析结果；

s3.根据上述分析结果和/或用户指令，确定优化的插座管理策略；

s4.根据上述插座管理策略，对智能插座进行管理，并执行相关操作，以实现安全、经济且满足用户需求的用电行为。

优选的，在所述步骤s1中，所述电量数据包括：功率、功率因素、电压电流的基波频率、基波幅值、各次谐波幅值、相位；所述环境数据包括温湿度、空气质量和光强度。

优选的，在所述步骤s2中，包括对用户用电行为进行分析，对采集到的大量环境数据和用户用电数据进行初步计算，存储计算结果并将该计算结果进行数据分析和挖掘，以此实现对用户用电行为习惯进行分析并预测，便于为用户确定科学合理用电策略。

优选的，在所述步骤s1中，所述故障数据至少包括当前负载电路中的故障电弧数据，该故障电弧数据由如下方法得到：

故障电弧检测单元提取负载电路中电流的高频分量信号；

根据高频分量信号获得电流的尺度参数；

在尺度参数大于尺度阈值的情况下，确定负载电路中包含故障电弧。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。