一种宿舍热水器智能调控插座系统的制作方法

1.本实用新型属于热水器技术领域，具体涉及一种宿舍热水器智能调控插座系统。


背景技术：

2.随着物联网产业发展和智能家居理念的深入人心，人们将电脑芯片以及 wi
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fi、蓝牙等无线通讯协议芯片引入到插座领域，使得人们对插座可以进行定时和远程可控，形成了与传统插座相比有很大不同的智能插座。
3.目前，智能插座的功能及应用主要有以下几个方面：
4.1、传统插座基本功能，智能插座可以充当家用电器、移动数码设备的充电器。在智能家具行业智能插座尤其广泛应用于家用热水器、空调等大功率设备。
5.2、节约电能，智能插座可通过设定定时开关间接控制其他电器的通电与否，可解决大功率电器“待机损耗”的问题。
6.3、智能远程控制，智能插座可以通过手机微信小程序等第三方应用进行远程设定，用户不管离得多远，都可以轻松完成对家电的开关控制。
7.目前智能插座的设计都是以“单体化使用”为主要依据，并未考虑大规模集中使用对电网稳定所产生的负面影响。若将智能插座大规模使用于高校宿舍热水器，那么如此多的大功率电器同时开启对于电网的冲击作用将是不可忽视的，存在着很严重的安全问题。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种宿舍热水器智能调控插座系统，解决现有的智能插座的设计都是以“单体化使用”为主要依据，并未考虑大规模集中使用对电网稳定所产生的负面影响的技术问题。
9.为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案实现：
10.一种宿舍热水器智能调控插座系统，包括云端服务器、电源，以及安装在每个宿舍中的插座和热水器，每个插座对应多个用户终端；用户终端与云端服务器通信；
11.所述插座包括插座本体和集成在插座本体中的继电器开关模块、调压模块、控制模块和无线通讯模块，继电器开关模块、调压模块和无线通讯模块均与控制模块电连接；电源通过调压模块为控制模块供电，插座通过继电器与热水器电连接，插座通过无线通讯模块与云端服务器通信。
12.本实用新型通过系统设计，包括插座、云端服务器和用户终端，通过信息储存模块、时间处理模块、无线通讯模块、单片机、继继电器开关模块、调压模块实现了高校宿舍热水器大规模智能化使用，实现了大功率电器的错峰调节，保证了电网的安全稳定可靠。
13.进一步改进，所述云端服务器包括信息储存模块和时间处理模块；
14.所述时间处理模块输出分别与用户终端输入、插座端无线通讯模块输入连接，所述信息储存模块输出与时间处理模块输入连接；用户终端输出与信息储存模块输入连接。
15.所述云端服务器的信息储存模块接收、储存、发送来自用户终端的信息。所时间处
理模块接收、分析、处理、优化、发送所述云端信息储存模块相关用户终端信息。所述时间处理模块接收信息储存模块相关用户终端信息，计算分析每个负荷单元里(例如同一栋楼里的用户)的用户行为，分批次重新设定热水器的提前开启时间，使大规模热水器在不同时间由停电状态切入加热状态，实现电力错峰调节。
16.进一步改进，所述用户终端为宿舍学生的智能手机，智能手机中安装有相应的app。用户终端通过手机等第三方设备设定的热水器使用时间。另外，用户终端接收时间处理模块优化后的结果，为用户推荐更适宜的错峰加热时间，供用户选择，进一步避免在同一时间大量热水器投入使用对学校输电线路造成的冲击。
17.进一步改进，所述云端服务器的时间处理模块通过插座实现对热水器三种工作状态的切换；
18.所述热水器三种工作状态包括停电状态、加热状态和保温状态。所述热水器三种工作状态对应于热水器在某时刻的功率大小。
19.进一步改进，所述调压模块连接电源220v交流电，并将220v交流电与继继电器开关模块接通，所述调压模块将220v交流进行降压、整流电为5v直流电整流，并将直流电通与无线通讯模块与控制模块。
20.进一步改进，所述控制模块的核心芯片单片机，型号为esp8266。
21.进一步改进，所述控制模块以esp8266为核心，外围电路主要包括复位电路、微动开关、继电器和220v转5v电路；
22.微动开关启动esp8266主控电路，在内部程序的控制下，esp8266经wi
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fi 模块接受用户指令，从gpio5引脚输出控制继电器开断，进而控制热水器的开关；当要开启热水器，用户发送开启信号，esp8266接收信号后，抬高gpio5引脚的电平，使继电器开通；当需要关闭热水器，用户发出关闭信号，esp8266接收信号后置低电平，继电器关断。
23.进一步改进，所述调压模块将220v交流电经变压、整流、滤波和稳压输出 5v直流电，同时220v交流电连接继电器relay
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sl
‑
srd常开端，对热水器定时开启；继电器relay
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sl
‑
srd电磁铁受esp8266主控电路控制，在收到开启信号时通电吸引开关处于常闭状态。
24.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
25.本实用新型通过系统设计，包括插座、云端服务器和用户终端，通过信息储存模块、时间处理模块、无线通讯模块、单片机、继继电器开关模块、调压模块实现了高校宿舍热水器大规模智能化使用，实现了大功率电器的错峰调节，保证了电网的安全稳定可靠。
附图说明
26.图1为本实用新型所述宿舍热水器智能调控插座系统的框图；
27.图2是本实用新型所述插座的主控电路框图；
28.图3为主控电路图；
29.图4为复位电路图和微开关电路图；
30.图5为usb转tll转接器电路图；
31.图6为自动下载电路图；
32.图7为220v转5v电路图。
具体实施方式
33.下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：
34.如图1所示，一种宿舍热水器智能调控插座系统，包括云端服务器8、电源 1，以及安装在每个宿舍中的插座2和热水器7，每个插座2对应多个用户终端 11；用户终端11与云端服务器8通信。
35.所述插座2包括插座本体和集成在插座本体中的继电器开关模块6、调压模块3、控制模块5和无线通讯模块4，继电器开关模块6、调压模块3和无线通讯模块均与控制模块5电连接；电源1通过调压模块3为控制模块5供电，插座 2通过继电器与热水器电连接，插座2通过无线通讯模块与云端服务器8通信。
36.在本实施例中，所述云端服务器8包括信息储存模块9和时间处理模块10；所述时间处理模块10输出分别与用户终端11输入、插座端无线通讯模块4输入连接，所述信息储存模块9输出与时间处理模块10输入连接；用户终端11输出与信息储存模块9输入连接。所述云端服务器的信息储存模块接收、储存、发送来自用户终端的信息。所述时间处理模块接收、分析、处理、优化、发送所述云端信息储存模块相关用户终端信息。所述时间处理模块接收信息储存模块相关用户终端信息，计算分析每个负荷单元里(例如同一栋楼里的用户)的用户行为，分批次重新设定热水器的提前开启时间，使大规模热水器在不同时间由停电状态切入加热状态，实现电力错峰调节。
37.在本实施例中，所述用户终端11为宿舍学生智能手机，智能手机中安装有相应的app。用户终端通过手机等第三方设备设定的热水器使用时间。另外，用户终端接收时间处理模块优化后的结果，为用户推荐更适宜的错峰加热时间，供用户选择，进一步避免在同一时间大量热水器投入使用对学校输电线路造成的冲击。
38.在本实施例中，所述云端服务器的时间处理模块10通过插座2实现对热水器7三种工作状态的切换；
39.所述热水器7三种工作状态包括停电状态、加热状态和保温状态。所述热水器三种工作状态对应于热水器在某时刻的功率大小。
40.在本实施例中，所述调压模块3连接电源1220v交流电，并将220v交流电与继继电器开关模块6接通，所述调压模块3将220v交流进行降压、整流电为 5v直流电整流，并将直流电通与无线通讯模块4与控制模块5。
41.在本实施例中，所述控制模块5的核心芯片单片机，型号为esp8266。具有性能高，功耗小等优点。esp8266芯片内置tcp/ip协议线，配置有wifi
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2.4ghz，可支持wpa/wpa2安全模式，其结合外电路可实现无线通信和控制继电器动作的功能。
42.在本实施例中，如图2所示，在控制模块与无线通讯模块中，主要元件为esp8266芯片，外围电路包括esp8266主控电路、烧录器、继电器、复位电路、 usb
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ttl、自动下载电路和微动开关。继电器实现5v控制220v，高电平触发。 usb转tll转接器与esp8266wi
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fi的连接关系为：3.3v电源连接esp8266的 rest、ch_pd和vcc，串口ttl的rxd、txd连接esp8266的txd、rxd，串口ttl 的gnd接地。gpio0默认高电平为工作模式(不接线悬空)。利用arduino软件对esp8266串口wi
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fi刷固件，如果由自动下载电路gpio0管脚接了低电平就是下载模式，下载模式用于给esp8266wifi模块刷固件。esp8266wi
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fi模块其余的管脚可以不接。程序经usb接口输入，再经usb转ttl模块进行电平转换，在自动下载电路的控制下写入esp8266芯
片。微动开关启动esp8266主控电路，在内部程序的控制下，esp8266经wi
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fi接受用户指令，从gpio5引脚输出控制继电器开断，进而控制热水器的开关。如果要开启热水器，使用者发送开启信号， esp8266接收信号后，抬高gpio5引脚的电平，使继电器开通；同样，如果要关闭热水器，用户发出信号，esp8266接收信号后置低电平，继电器关断。在必要的时候，如esp8266工作异常，可通过复位电路拉低电平使其重置。当用户通过网络给插座发送指令后，后台便将指令post到第三方服务器(blinker)上，第三方服务器再将指令传至插座，响应用户发送的消息。
43.如图3所示，esp8266主控电路引脚1接3.3v高电平；引脚7经10kω电阻 3.3v高电平；引脚14经10kω电阻3.3v高电平；引脚15连接自动下载电路gpio0 端，同时经10kω电阻3.3v高电平；引脚16连接微动开关的引脚3，同时经10k ω电阻3.3v高电平；引脚24连接220v转5v电路gpio5端；引脚25经300ω电阻连接开关sw1再连接usb
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ttl电路txd引脚2；引脚26经300ω电阻连接开关sw1再连接usb
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ttl电路rxd引脚3；引脚31经10kω电阻接地；引脚32连接自动下载电路esp_rst端，同时连接复位电路esp_rst端；引脚33直接接地。
44.烧录器电路p3模块引脚2连接usb
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ttl电路d
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引脚6；引脚3连接usb
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ttl 电路d 引脚5。烧录器接口及相关驱动电路组成的烧录器部分用于实现程序在 esp8266芯片中的固化。bl1117是一款低压差系列ldo线性稳压器，这里用来为芯片和电源系统提供完善的过流保护和过热保护，保证程序烧写过程顺利。 bl1117
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3.3_jx正常工作时可容许的环境温度范围极宽，一般为
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50℃～140℃。 min
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usb_jx即肉眼可见的烧写器接口，用来连接电脑和插座，实现数据传输。
45.如图4所示，复位电路与esp8266主控电路直接相连，用来在必要的时候重置esp8266的状态。复位电路esp_ret端连接esp8266主控电路ext_rstb引脚 32，同时连接自动下载电路esp_rst端。微动开关电路引脚1接地；引脚3连接 esp8266主控电路gpio4引脚16。电压输入为3.3v，正常状态下rst与1，2节点连通也为3.3v高电平，当继电器sw3开关闭合时ret电位变为0复位触发，电容c5进入蓄能状态，电压从0v增长到3.3v，vdd也恢复到3.3v复位结束。
46.当微动开关按下时，触头接到3，高电位信号输入gpio4引脚，esp8266启动；当微动开关按下时，低电位信号输入gpio4，esp8266停止工作。微动开关实现在设备频繁换接电路的过程中进行自动控制及安全保护等。微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速，其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关，很好地保护了设备的性能不受机械力的影响。
47.如图5所示，usb
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ttl电路引脚1接地；引脚2经开关sw1及300ω电阻连接esp8266主控电路u0rxd端；引脚3经开关sw1及300ω电阻连接esp8266主控电路u0txd端；引脚4接3.3v高电平；引脚5连接烧录器电路p3模块d 引脚3；引脚6连接烧录器电路p3模块d
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引脚2；引脚13连接自动下载电路dtr 端；引脚14连接自动下载电路rst端；引脚16接3.3v高电平。
48.usb转ttl电路以ch340c芯片为核心，内部自带晶振，最高波特率可达 2mbps，软件兼容ch341驱动，过流保护，引出相应的通讯接口与电源接口，通讯接口带有指示灯指示工作状态，通讯稳定，体积小。为了使模块供电稳定为 3.3v在电路中加入旁路电容由0.1μf电容和10μf电容构成。txd发送和rxd 接收引脚连接单片机的接收和发送端实现通信。ch340c芯片的d
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，d 与usb的 d
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，d 连接到一起作为usb电平的信号连接进行数据传输。rts与dtr
作为modden 输出信号接口连接自动下载电路。
49.如图6所示，自动下载电路esp_ret端连接esp8266主控电路ext_rstb引脚32，同时连接复位电路esp_rst端；gpio0端连接esp8266主控电路gpio0 引脚15；dtr端连接usb
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ttl电路dtr引脚13；rts端连接usb
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ttl电路rst 引脚14。
50.如图7所示，220v转5v电路gpio5端连接esp8266主控电路gio5引脚24。 220v转5v电路可实现三个功能：一是将家用220v的电压降低为5v，以便能够作为esp8266芯片等集成块的电源，对应图中220v转5v模块；二是作为继电器，控制热水器状态，对应图中relay
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sl
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srd；三是辅助esp8266微处理器实现编程控制，对应图中el357n(b)(ta)
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g。esp8266的gpio5引脚输出信号，经 el357n(b)(ta)
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g光电隔离后控制继电器开断。220v交流电通入模块经变压、整流、滤波、稳压输出5v直流电，同时220v交流电连接继电器relay
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sl
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srd常开端，以实现受控定时开启。继电器relay
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sl
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srd电磁铁受esp8266主控电路控制，在收到开启信号时通电吸引开关处于常闭状态。
51.本实用新型中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。