CN202189966U - 一种智能电源插头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种智能电源插头，其包括与用电设备通过电源线相连接的插头以及与电源线相连接的智能单元，其特征在于：所述智能单元包括计量芯片；与计量芯片相连接的电压处理电路、电流处理电路和射频模块；以及为计量芯片和射频模块供电的电源电路，所述射频模块上具有与网关进行通信的天线以及与用电设备进行通信的通信接口。该智能电源插头具有简单易用，计量精度高等优点，不仅可以节约能源，而且将该插头应用于智能用电管理***中，还可以简化智能用电***的设备结构，大大降低整个用电设备智能化的成本。
Description
技术领域
本实用新型属于单相插头插座技术领域，具体涉及一种具有计量和通信功能的智能电源插头。
背景技术
近年来，为应对气候变化、保障能源安全，促进经济可持续发展，加快了清洁能源、智能电网、物联网的发展进程，大量智能技术和成果在各行各业迅速得到推广和应用。然而，就目前大多数用电设备而言，我们还无法随时获知它们实际究竟消耗了多少电量，可测量与显示自身能耗的智能用电设备对于能耗管理具有巨大应用前景。
为解决能耗管理问题，现有技术提出了智能插座解决方案。如图1所示，该智能插座应用场景包括电能表、智能插座和家庭网关等主要设备，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用电设备的电能值情况，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，将这些信息发送给家庭网关；家庭网关可以通过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家庭网关，家庭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。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。
虽然图1中基于智能插座的用电管理***也能实现用户用电智能化管理，但还存在一些缺陷：(1)用电设备智能化没有真正实现智能化，用电设备本身不具备计量和通信功能，所以这种智能化对用电设备来说完全是被动的，完全是一种单向的接收控制功能，而且用电设备只能被动的连接到智能插座上。(2)智能插座一般体积较大，成本较高，并且智能插座通常是安装在已有的普通插座上，然后用电设备的插头再插在智能插座上，使用很不方便。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有计量和通信功能的智能电源插头。该智能插头通过在传统插头和用电设备之间的电源线中接入了计量芯片和智能控制电路；并且在传统电源线中复合了发送数据线和接收数据线，使连接用电设备的电源线不仅包括火线、零线、地线，还包括了数据接收和发送线；该智能插头通过计量芯片实现了计量功能，通过接收线、发送线及控制电路的射频模块实现了用电设备和外部智能家庭网络的通信功能。
为此，本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种智能电源插头，其包括与用电设备通过电源线相连接的插头以及与电源线相连接的智能单元，所述智能单元包括计量芯片；与计量芯片相连接的电压处理电路、电流处理电路和射频模块；以及为计量芯片和射频模块供电的电源电路，所述射频模块上具有与网关进行通信的天线以及与用电设备进行通信的通信接口。
其中，所述射频模块上连接有用于控制用电设备通断状态的继电器，该继电器位于电源线的火线上。
其中，所述射频模块包括相互连接的射频芯片和微控制单元，所述射频芯片连接有一天线，所述微控制单元上设有分别用于连接计量芯片和用电设备的通信接口。
其中，所述射频模块中包括用于检测插头温度的温度传感器，该温度传感器与射频模块中的微控制单元相连接。
其中，所述射频模块包括用于检测电源线中火线电流和零线电流的漏电保护电路，该漏电保护电路与射频模块中的微控制单元相连接。
其中，所述通信接口上连接有与用电设备进行串行通信的数据线，所述数据线复合于电源线中。
其中，所述通信接口采用RS-232接口或RS-485接口。
其中，所述计量芯片采用电能计量芯片。
其中，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，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电源，并将该电源输出至计量芯片和射频模块。
其中，所述电压处理电路包括分压电阻和滤波电容，该电压处理电路将从电源线上获取的电压信号依次经过分压电阻分压、滤波电容滤波后传至计量芯片中。
其中，所述电流处理电路包括分流电阻和滤波电容，该电流处理电路将从电源线的火线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片中；且将从电源线的零线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片中。
其中，所述网关与射频模块之间采用Zigbee、WIA或WIFI进行通信。
本实用新型的有益效果在于：
1)该智能电源插头，通过传感网络对用电设备进行测量和智能控制，不仅可以节约能源；将该具有计量和通信功能的智能插头应用于智能用电管理***中，与现有技术中的基于智能插座的智能用电管理***相比，还简化了智能用电***的设备结构，大大降低了整个用电设备智能化的成本；此外，该智能电源插头还具有简单易用，计量精度高等优点。
2)该智能电源插头通过在传统插头和用电设备之间的电源线上接入了电能计量芯片和智能控制电路，在不用改变用电设备的内部电路结构的前提下，就能测量用电设备的工作参数并将该参数通过WSN网络传送给用户通信终端，并且能根据通过WSN网络接收的控制指令控制用电设备的通、断状态以及工作模式。
3)本实用新型的智能插头能够很好的适应智能电网和智能家居建设发展的需要，实现了智能电网中的用电终端的智能化，降低了为实现用电设备智能化而改变用电设备内部电路结构的技术复杂度，增强市场推广的竞争力，降低了智能电网建设成本，并且在智能感知互动服务***中使用本实用新型智能插头控制用电设备运行状态可以帮助用户树立良好的用电习惯，从而节约能源消耗。
附图说明
图1为现有技术中的基于智能插座实现家电智能控制的***模型；
图2为本实用新型实施例提供的基于智能电源插头实现家电智能控制的***模型图；
图3为本实用新型实施例中智能电源插头的结构示意图；
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是射频模块的结构示意图。
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的技术方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型的智能电源插头作进一步详细的说明。
如图2所示，该***模型的主要设备包括智能插头1、用电设备2、家庭网关3和用电服务器4等。智能插头1具有计量和通信功能，用于采集各个用电设备的电能值情况，以及采集各个用电设备的用电数据和工作参数(例如，温度、湿度、风速、风向等)，并且可以通过WSN网络，将这些用电数据和工作参数发送给家庭网关3；家庭网关3可以通过WSN网络与***墙体插座的每个智能插头1建立连接，每个智能插头1将其用电数据和参数发送到家庭网关3，家庭网关3将用电数据处理转换后通过互联网发送到用电服务器4。基于这些用电数据和参数，用电服务器4可以通过家庭网关3实现对各用电设备2的远程智能控制和管理，进而根据各用电设备的能耗情况制定更有效的节能降耗措施。
如图3所示，该智能电源插头1包括与用电设备2通过电源线12相连接的插头11(采用普通的传统插头)，电源线12上连接有一具有计量和通信功能的智能单元，该智能单元可以安装在插头11的外壳内部与电源线12连接，也可以直接安装在插头11与用电设备2之间的电源线12上。该智能单元包括计量芯片13；与计量芯片13相连接的电压处理电路14、电流处理电路15和射频模块16；以及与计量芯片13和射频模块16连接并提供工作电源的电源电路17。用于连接插头与用电设备的电源线12包括：火线L、零线N和地线PE，电源线的火线和零线分别与电源电路17、电压处理电路14和电流处理电路15相连接，电源线12的地线从插头11的壳体中引出直接与用电设备2相连接，射频模块16上的通信接口通过两条复合于电源线中的发送数据线TXD和接收数据线RXD与用电设备2进行通信。此外，该智能单元还可以根据用户需求增加一个用于控制用电设备通断状态的继电器18，该继电器连接于射频模块16与传统插头11之间。下面具体介绍各部分的功能和结构：
电源电路17，用于从220V低压电力线中获取电能，并且进行电压转换，为计量芯片13和射频模块16提供计量芯片的工作电源。如图4所示，该电源电路17包括半波整流单元、分压单元、电容滤波单元、稳压单元，由电容C1、电阻R1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模拟电源分别输出至计量芯片13和射频模块16，作为计量芯片和射频模块的工作电源。
电压处理电路14，用于采集入户220V低压电力线的电压，并且对该电压进行分压、滤波处理，然后将处理后的电压传送给计量芯片13的差分模拟电压输入通道引脚V_IN+、V_IV-，供计量芯片使用。如图5所示，该电压处理电路14包括电阻R1、R2组成的分压电阻和滤波电容C_V-、C_V+、C_Vdiff，该电压处理电路将从电源线上获取的电压信号依次经过分压电阻分压、滤波电容滤波后传至计量芯片13中。
电流处理电路15，本例中采用两个电流处理电路，分别用于采集入户220V低压电力线中的火线电流和零线电流，对火线电流进行分流、滤波处理，然后将分流后的火线电流传送给计量芯片的差分模拟电流输入通道引脚I_IN-、I_IV+、并且对零线电流进行分流、滤波处理，然后将分流后的零线电流传送给计量芯片的差分模拟电流输入通道引脚I_IN-、I_IV+，供计量芯片使用。如图6所示，所述电流处理电路15包括由电阻R_I-、R_I+组成的分流电阻和滤波电容C_I-、C_I+、C_Idiff，该电流处理电路将从电源线的火线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片中；且将从电源线的零线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片13中。
该电流处理电路可以使用电流感应法通过导线缠绕在电源线的火线L和零线N上来感应该插头所连接用电设备的火线电流和零线电流，并将所采集的感应电流(包括火线电流和零线电流)传送给电能计量芯片；电能计量芯片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火线，当电力线的火线中通过电流时，该导线所在的回路中产生火线电流；同样，用导线缠绕电力线的零线，当电力线的零线中通过电流时，该导线所在的回路产生零线电流，火线电流与零线电流的总和即为感应电流。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所连接的用电设备的电流。
计量芯片13，用于获取电压处理电路分压后的电压和电流处理电路分流后的电流，并可以根据该电压和电流计量用电设备的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率、视在功率和用电量。该计量芯片可以采用电能计量芯片。
射频模块16，是一种具有射频通信功能的单元，如图7所示，虚线框内为射频模块组成，主要包括射频芯片161和微控制单元162(Micro Control Unit，MCU)，射频芯片上连接有一天线165，射频芯片通过该天线与家庭网关23进行通信；微控制单元162上设有用于连接计量芯片的通信接口163和用于连接用电设备的通信接口164；微控制单元162上连接有用于检测插头温度的温度传感器19当温度传感器224检测到插头温度高于预设温度阀值时，温度传感器控制继电器断开；微控制单元162还可连接用于检测电源线中火线电流和零线电流的漏电保护电路，当漏电保护电路检测到火线电流与零线电流的差值大于设定阀值时，判定为漏电，设置该电路可防止用电设备漏电。
射频模块16上用于连接用电设备的通信接口164可以为RS-232接口或RS-485接口，其通过两条数据线：即发送数据线TXD和接收数据线RXD，实现与用电设备的串行通信；射频模块16接出的火线L、零线N、发送数据线TXD和接收数据线RXD以及从插头壳体直接接出的地线PE分别与用电设备2连接。用户可以从用电设备获得用电设备的工作状态、设备参数等信息，经过微处理单元处理后，再通过射频芯片发送。如果用户需要获得用电设备2的用电数据，可以通过家庭网关3向智能插头1的射频模块16发送指令，此时，射频模块16将从计量芯片13获得的用电数据发送给家庭网关3。
继电器18，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。
该智能电源插头的工作过程如下：
电源电路17从入户的220V低压电力线上获取电能，并且进行电压转换，为计量芯片13和射频模块16提供工作电源；电压处理电路14对接入用电设备的低压电力线上电压进行分压后传送到计量芯片13，计量芯片13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15对接入用电设备的低压电力线上电流进行分流后传送到计量芯片13，计量芯片13根据分流后的电流计算出接入用电设备的低压电力线上的实际电流，计量芯片13还能测量到当前电网频率，并且可以根据计量芯片计算出的实际电压和电流计算用电设备2的用电数据，例如，有功功率、无功功率、功率因数、视在功率、电量等。该智能插头通过通信接口164上的接收数据线RXD接收计量芯片13所测得的用电设备2的用电数据后，将该用电数据通过射频模块16传送给家庭网关3，然后由家庭网关3转发给用电服务器4，便于用电服务器了解该用电设备的用电状态。当用户或者用电管理结构需要对用电设备进行控制时，通过家庭网关3向智能插头1的射频模块16发出控制信息，射频模块根据接收的控制信息通过与其通信接口164上连接的发送数据线TXD向用电设备2发出控制命令，用电设备根据接收到的控制命令调整工作状态。
本实用新型为即插即用式的智能插头，且支持标准通信协议和通信功能，这些特点都使得本实用新型的智能插头具有较大的优势。根据应用环境的不同，智能插头的功能既可以以插头上实现，也可以集成到用电设备中。
同时，本实用新型的智能插头是一个支持计量引擎的设备，该智能插头提供了一种将智能控制和通信功能整合到每一件设备中的方式。
此外，本实用新型的智能插头支持WIA、ZigBee、WIFI等通信协议且功耗极低，墙壁可以保持完好，维护成本得以降低、可随意移动、不受地点限。
该具有计量和通信功能的智能电源插头，通过传感网络对用电设备进行测量和智能控制，不仅可以节约能源，相比上面所述的基于智能插座的智能用电管理***，基于具有计量和通信功能的智能插头的智能用电管理***，简化了智能用电***的设备结构，大大降低了整个用电设备智能化的成本，而且，该智能电源插头具有简单易用，计量精度高等优点。
不仅如此，使用该智能插头来控制用电设备的用电情况还可以平衡负荷或者用电高峰，因为用电高峰目前要求的装机容量远远超过实际需要。以后用电管理机构还需要以与客户签约的方式将闲置的家庭电器、工厂设备和办公室电灯暂时置于休眠状态，从而减少整体能耗。
此外，将该智能电源插头应用于能源管理机构中，还可以根据企业、社区乃至家庭的用电规律对实际用电进行预测推算，确保随时供应适量的低成本电能，并对发电厂的发电量进行优化。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (12)
1.一种智能电源插头，其包括与用电设备通过电源线相连接的插头以及与电源线相连接的智能单元，其特征在于：所述智能单元包括计量芯片；与计量芯片相连接的电压处理电路、电流处理电路和射频模块；以及为计量芯片和射频模块供电的电源电路，所述射频模块上具有与网关进行通信的天线以及与用电设备进行通信的通信接口。
2.根据权利要求1所述的智能电源插头，其特征在于：所述射频模块上连接有用于控制用电设备通断状态的继电器，该继电器位于电源线的火线上。
3.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于：所述射频模块包括相互连接的射频芯片和微控制单元，所述射频芯片连接有一天线，所述微控制单元上设有分别用于连接计量芯片和用电设备的通信接口。
4.根据权利要求3所述的智能插头，其特征在于：所述射频模块中包括用于检测插头温度的温度传感器，该温度传感器与射频模块中的微控制单元相连接。
5.根据权利要求3所述的智能插头，其特征在于：所述射频模块包括用于检测电源线中火线电流和零线电流的漏电保护电路，该漏电保护电路与射频模块中的微控制单元相连接。
6.根据权利要求3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数据线，所述数据线复合于电源线中。
7.根据权利要求6所述的智能插头，其特征在于：所述通信接口采用RS-232接口或RS-485接口。
8.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于：所述计量芯片采用电能计量芯片。
9.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，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电源，并将该电源输出至计量芯片和射频模块。
10.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分压电阻和滤波电容，该电压处理电路将从电源线上获取的电压信号依次经过分压电阻分压、滤波电容滤波后传至计量芯片中。
11.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于：所述电流处理电路包括分流电阻和滤波电容，该电流处理电路将从电源线的火线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片中；且将从电源线的零线获取的电流信号依次经过分流电阻分流、滤波电容滤波后传至计量芯片中。
12.根据权利要求1或2所述的智能插头，其特征在于：所述网关与射频模块之间采用Zigbee、WIA或WIFI进行通信。
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2011
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Granted publication date: 20120411 |