一种适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统

1.本发明涉及室内节能照明和供电技术领域，具体地，涉及一种适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统。


背景技术：

2.随着建筑供电系统的发展，绿色节能成为建筑供电的重要趋势，出现了各种不同功能的智能开关。这些智能开关可分为总控式智能开关和终端式智能开关。总控式智能开关多安装在建筑总配电箱或室内配电箱内，通过控制供电干线的通断实现整栋建筑或单户室内的供电控制。终端式智能开关通过安装在室内开关上，实现单个用电设备的供电通断控制。这些智能开关相对独立，直接由远程控制系统控制，单个成本较高；每个智能开关都需使用有线或无线网络通信，安装要求较高。对于办公室和学校教室这类公共区域，这些智能开关的安装、使用和维护成本都很高，实用性不高。


技术实现要素：

3.本发明针对各类办公室、学校教室等公共场所出现的“长明灯”现象，提出了一种适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统，通过有效降低公共场所无人情况下的照明及供电时间，能显著降低“长明灯”现象带来的能源浪费，提高用电的安全性。
4.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统，包括：控制盒、常闭式接触器、智能开关，配电箱中每一条支路增加常闭式接触器，所述常闭式接触器的控制触点与控制盒连接，所述常闭式接触器的主触点与智能控制开关的一端连接，所述智能控制开关的另一端与公共区域的用电设备连接。
5.进一步地，所述控制盒包括：mcu控制器以及与mcu控制器连接的网络通信单元、运行信息存储单元、计时模块单元、备用电池供电单元、运行指示单元、通道选择开关、多通道控制电路、供电单元， 所述供电单元还与多道控制电路连接；所述网络通信单元用于实现mcu控制器与智能终端设备的通信；所述运行信息存储单元用于保存设备信息、控制参数和运行信息，并通过智能终端设备对控制盒进行配置，读取控制盒的运行状态；所述计时模块单元为控制盒提供准确的时间，并通过智能终端设备的时间进行时间校准；所述备用电池供电单元用于在断电的情况下为mcu控制器进行供电；所述运行指示单元用于显示控制盒当前的运行状态；所述通道选择开关用于选择需要控制的通道电路；所述多通道控制电路用于控制多个供电支路的通断。
6.进一步地，所述多通道控制电路由多组通道控制电路并联组成，每组通道控制电路由开关电路和继电器构成，所述继电器与常闭式接触器的控制触点连接。
7.进一步地，所述控制盒的工作流程为：初始化后，将mcu控制器的所有输出端口的电平置高，使得继电器输出低电平，常闭式接触器保持导通，各支线用电设备正常供电；mcu控制器控制运行信息存储单元读取可用输出端口数，对于空置的输出端口不进行后续处理，读取控制盒设置信息，用于标记控制盒；根据设备设置信息确定网络连接方式，并尝试
连接网络，如能正常连接，则设置网路通信中断，未正常连接则通过运行指示单元提示；检查mcu控制器的校准时间，若24小时内未校准，则mcu控制器主动请求获取智能终端的时间来校准计时模块单元的时间；随后读入端口控制列表中设备中断时间，等待中断；若端口控制计时器中断和网络通信中断到来后，根据指令参数分别处理计时器中断对应的供电支路通断控制程序、网路通信中断对应的时间校准程序、控制器设备参数设置程序、端口控制列表设置程序和运行信息读取程序。
8.进一步地，所述智能开关由开关动作检测、可控硅开关控制单元、单火线/火零线供电单元连接构成。
9.进一步地，所述开关动作检测、可控硅开关控制单元由开关动作检测电路、stc单片机、输出电平转换电路、光耦隔离驱动电路和可控硅交流控制开关电路依次连接组成，所述开关动作检测电路用于将开关按键的闭合动作转换为由高到低的信号变化；所述stc单片机用于检测开关按键闭合动作后，在相应的输出端口输出低电平；所述输出电平转换电路将输出的低电平转换为高电平；所述驱动光耦隔离电路用于导通可控硅交流控制开关电路中的可控硅；所述可控硅交流控制开关电路用于接通用电设备的火线。
10.进一步地，所述stc单片机的型号为stc15f408asdip-16，所述stc单片机的p1.2、p1.3、p1.4、p1.5为输入信号端口，连接开关动作检测电路，所述stc单片机的p1.0、p1.1、p3.6、p3.7为输出信号端口，连接输出电平转换电路。
11.进一步地，所述stc单片机的控制流程具体为：智能开关加电后，对stc单片机进行初始化，并将stc单片机的输出端电平置高，可控硅交流控制开关处于关断状态，设置电平标志位置为0；随后检测stc单片机输入端口的电平，如果为低电平则置位当前电平为0，否则置位当前电平为1；求取当前电平与电平标志位之差，若为-1，则开关按键由断开向闭合变化，需接通电路，将stc单片机的输出端口置低；若为1，则开关按键由闭合向断开变化，需断开电路，将stc单片机的输出端口置高；若为0，则开关按键状态未变化，保持当前stc单片机的输出端口电平；将电平标志位置为当前电平后，循环检测stc单片机的输入端口电平。
12.进一步地，所述单火线/火零线供电单元由单火线供电电路和火零线供电电路构成，所述单火线供电电路由低电压输入供电电路和高电压输入供电电路并联组成，所述低电压输入供电电路由第一整流电路和rc低通滤波电路和lc高频低通滤波电路依次连接构成；所述高电压输入供电电路由第二整流电路和滤波电路和自供电原边反馈控制供电电路连接构成；所述火零线供电电路经过第三整流电路和滤波电路后接入自供电原边反馈控制供电电路。
13.进一步地，所述单火线/火零线供电单元的取电方法具体为：通过低电压输入供电电路从可控硅接入火线端t1和控制端g的驱动信号端取ac 5v交流电，接入第四整流桥mb10f u4，输出脉动直流电；并联第一电解电容c1和第三电解电容c3，串联4.7uf的隔直电容c2，接入变压器副边；并联接入发光二极管d1和第三限流电阻r3；并联接入二极管d2和第四负载电阻r4；高电压输入供电电路从两路可控硅开关控制单元输出端t2取ac 220v电压，经过第三整流桥mb10f u3，经第七电解电容c7滤波后，输出300v脉动直流电；第三整流桥mb10f u3的dc 经过第六限流电阻r6后输入自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电源端vcc；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的c端接入变压器原边的异名端，变压器同名端连接第三整流桥mb10f u3的dc-；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的c端经第五电阻r5
和第五电容c5的阻容网络后接入二极管d3的阳极，二极管d3的阴极再接入变压器原边的同名端；变压器辅助绕同名端连接第三整流桥mb10f u3的dc-，异名端经第一电阻r1和第二电阻r2分压后接入自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电压反馈端fb，用于采集高频正弦波信号作为电压反馈信号；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电流采样端经第四电容c4后接地；第六电容c6连接第三整流桥mb10f u3的dc-和输出dc 5v的接地端；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电源端经第八电容c8接入接地端gnd；高频正弦波经变压器副边取得5v交流电，经电容滤波后可得dc 5v直流电；零火线供电电路从外接的火线和零线取ac 220v电压，经过第二整流桥mb10f u2，输出脉动直流电，接入与高电压输入供电电路相同的回路。
14.与现有技术相比，本发明具有如下由于效果：本发明集中控制式室内节能供电系统本着“强制断电，主动用电”的原则，将控制盒在预设定时间点对相应支路自动断电后再通电，智能开关在通电后，无论开关按键处于闭合还是断开位置，都不能自动接通电路，需要主动按动开关按键，检测到按键由断开到闭合的动作后，才能接通电路，正常照明或供电。该集中控制式室内节能供电系统可在办公室下班或教室下课后主动关闭相应区域的照明和动力供电，如部分办公或教室区域还需提供供电，则只需要再次按动开关按键即可恢复这部分区域的供电。该系统的智能开关采用单火线/火零线混合供电技术，可通过在普通开关和带按键的插座内安装控制电路板实现，不改变当前的开关使用习惯，无需更换现有开关，也无需重新布线；同时，通过有效降低公共场所无人情况下的照明及供电时间，能显著降低“长明灯”现象带来的能源浪费，提高用电的安全性。
附图说明
15.图1为本发明适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统的结构示意图；图2为本发明中控制盒的工作流程图；图3为本发明中智能开关的结构示意图；图4为本发明中stc单片机的端口连接示意图；图5为本发明中stc单片机的工作流程图；图6为本发明中单火线/火零线供电单元的电路图；图7为本发明中单火线/火零线供电单元的取电方法示意图；图8为本发明中网络通信单元的连接示意图；图9为本发明中mcu控制器中时间校准检测流程图；图10为本发明中mcu控制器中时间校准流程图；图11为本发明中计时模块单元的中断流程图；图12为本发明中mcu控制器中网络中断流程图。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步地解释说明。
17.如图1为本发明适用于公共区域的集中控制式室内节能供电系统的结构示意图，该集中控制式室内节能供电系统包括：控制盒、常闭式接触器、智能开关，配电箱中每一条支路增加常闭式接触器，常闭式接触器的控制触点与控制盒连接，常闭式接触器的主触点
与智能控制开关的一端连接，智能控制开关的另一端与公共区域的用电设备连接，通过控制盒来控制常闭式接触器的闭合和断开，从而实现公共区域的用电设备的开启与断开，具体地，智能开关在供电支路恢复供电后，无论开关按键处于闭合还是断开的状态，都不会直接对用电负载供电，只有检测到开关按键由断开到闭合的动作才能接通供电支路对用电负载供电。常闭式接触器在控制线圈不供电时，主触点闭合，对应的供电支路正常供电，控制线圈供电时，主触点断开，对应的供电支路断电；正常使用时，供电支路长时间处于供电状态，使用常闭式接触器可减少控制盒对接触器的控制时间。控制盒按照预期的设置参数，能定时控制其输出继电器接通，断开常闭式接触器的主触点，实现供电支路的断电，延时一定时间后，控制盒断开输出继电器，闭合接触器主触点，恢复供电支路的供电。通过控制盒定时对常闭式接触的控制，能实现供电支路的定时断开一定时间后自动恢复，实现智能开关在预定时间断电，断开用电负载的供电，待供电支路恢复供电后，智能开关不会恢复对用电负载的供电，需要接收到开关按键闭合的信号后才能恢复对用电负载的供电，实现“强制断电，主动用电”的设计思想，有效减少无人区域长时间供电的“长明灯”现象，提高用电的安全性。同时，在不改变当前的开关使用习惯，无需更换现有开关，也无需重新布线。
18.本发明中控制盒包括：mcu控制器以及与mcu控制器连接的网络通信单元、运行信息存储单元、计时模块单元、备用电池供电单元、运行指示单元、通道选择开关、多通道控制电路、供电单元，供电单元还与多通道控制电路连接，供电单元可将220v市电转换为5v和3.3v电平，3.3v电平用于给mcu控制器供电，5v电平用于给多通道控制电路供电；网络通信单元包括以太网通讯单元和wifi无线通信单元，可根据实际使用环境选择一种网络通信单元用于实现mcu控制器与智能终端设备的通信；运行信息存储单元用于保存mcu控制器信息、控制参数和运行信息，并通过智能终端设备对控制盒进行配置，读取控制盒的运行状态；计时模块单元为控制盒提供准确的时间，并通过智能终端设备的时间进行时间校准；备用电池供电单元用于在断电的情况下为mcu控制器进行供电，保证mcu控制器运行信息的存储和计时的准确性；运行指示单元用于显示控制盒当前的运行状态；通道选择开关用于选择需要控制的通道电路；多通道控制电路用于控制多个供电支路的通断。本发明中多通道控制电路由多组通道控制电路并联组成，每组通道控制电路由开关电路和继电器构成，继电器与常闭式接触器的控制触点连接，当需要对某通道断电时，接通继电器，常闭式接触器控制线圈得电，接触器的主触点由闭合变为断开，从而实现对通道断电。
19.如图2，本发明中控制盒的工作流程为：初始化后，将mcu控制器的所有输出端口的电平置高，使得继电器输出低电平，常闭式接触器保持导通，各支线用电设备正常供电；mcu控制器通过运行信息存储单元读取可用输出端口数，对于空置的输出端口不进行后续处理，读取mcu控制器设置信息，用于标记mcu控制器，方便与智能终端进行通信；根据设备设置信息确定网络连接方式，并尝试连接网络，如能正常连接，则设置网路通信中断，未正常连接则通过运行指示单元提示；检查mcu控制器的校准时间，若24小时内未校准，则主动请求获取智能终端的时间来校准mcu控制器的本地时间；随后从存储单元读入端口控制列表中设备中断时间，设置端口控制定时器中断，等待中断；若端口控制计时器中断和网络通信中断到来后，根据指令参数分别处理计时器中断对应的供电支路通断控制程序、网路通信中断对应的时间校准程序、控制器设备参数设置程序、端口控制列表设置程序和运行信息读取程序。
20.具体地，如图8，本发明中网络通信单元的连接优选以太网连接，首先尝试使用以太网方式连接服务器，如果服务器响应，则标记控制盒的网络连接方式为1，并设置网络通信中断为以太网通信中断；若使用以太网无法连接服务器，则尝试使用无线网连接服务器，如果服务器响应，则标记控制盒的网络连接方式为2，并设置网络通信中断为无线网通信中断；若两种网络通信方式都无法连接服务器，则标记控制盒的网络连接方式为0，并使用指示灯指示无网络连接。如图10，mcu控制器中时间校准检测过程为：首先读取时间校准标志，如果时间未校准，则设置时间校准标志为0，并使用指示灯提示；如果时间已校准，读取上次校准时间，如果校准时间间隔未超过24小时，则设置时间校准标志为1；如果校准时间间隔超过24小时，则设置时间校准标志为0，并使用指示灯提示。如图10，mcu控制器中时间校准的过程为：首先读取控制盒的网络连接方式，根据网络连接方式设置以太网络连接参数，或无线网路连接参数，如果服务器响应，则读取服务器的时间，并写入mcu控制器的本地时间，设置时间校准标志为1，最后写入校准时间；如果服务器无响应或主控制器的网络连接方式为0，则设置时间校准标志为0，并使用指示灯提示。如图11，本发明中计时模块单元的中断过程具体为：当mcu控制器的端口控制计时器中断到来时，首先读取当前时间，然后解析当前端口控制指令，当指令为端口设置指令时，相应输出端口置低，接通对应的继电器，断开常闭接触器，等待1秒后，相应端口置高，断开继电器，接通常闭接触器，实现相应供电支路的短时间断电，并将此次控制的设备运行信息，包括断电时间、断电端口等写入运行信息存储单元；如果指令为时间校准指令，则调用控制时间校准程序，校准mcu控制器的时间，最后读取端口控制列表，选择与当前时间最接近的控制指令，设定下一次端口控制计时器中断。如图12，本发明mcu控制器中网络中断的过程具体为：mcu控制器在运行期间的设备参数设置由服务器通过网络完成，mcu控制器收到服务器网络连接请求后，读取本设备的唯一标识号，并将此设备的标识号发送到服务器；服务器接收到并验证设备的标识号后，将相应的控制指令发送至mcu控制器，mcu控制器接收到服务器指令后，判断指令类型，如果是mcu控制器设置指令，则解读服务器指令，依次写入mcu控制器的设备名称、设备安装位置和标志码、ip地址等，并设置设备标志位；如果为校准时间指令，则服务指令中的服务器时间参数，写入mcu控制器的当前时间，并设置时间校准标志；如果为设置端口控制列表，则解析服务器端口控制指令列表参数，并存储控制器端口控制列表，更新mcu控制器内存的端口控制列表，设置端口控制列表标志，最后更新端口控制计数器中断，应用新的端口控制参数；如果是读取运行数据指令，则读取mcu控制器的设备运行信息，主要为设备信息和实施的端口控制记录，并将这些信息发送到服务器。
21.如图3，本发明的智能开关由开关动作检测和火线开关控制单元、单火线/火零线供电单元连接构成。开关动作检测和火线开关控制单元由开关动作检测电路、stc单片机、输出电平转换电路、光耦隔离驱动电路和可控硅交流控制开关电路依次连接组成，开关动作检测电路用于将开关按键的闭合动作转换为由高到低的信号变化；stc单片机用于检测开关按键闭合动作后，在相应的输出端口输出低电平；输出电平转换电路将输出的低电平转换为高电平，用于驱动光耦隔离电路；驱动光耦隔离电路用于导通可控硅交流控制开关电路中的可控硅；可控硅交流控制开关电路用于接通用电设备的火线。如图4，本发明中stc单片机的型号为stc15f408asdip-16，如图4，stc单片机的p1.2、p1.3、p1.4、p1.5为输入信号端口，连接开关动作检测电路，stc单片机的p1.0、p1.1、p3.6、p3.7为输出信号端口，连接
输出电平转换电路。开关按键经输入电平转换电路接入stc单片机输入信号端，jp1和jp2连接开关的端子，可输入4路开关信号。高电平为按键断开信号，低电平为按键闭合信号；单片机输出信号接入输出信号电平转换电路，高电平为无效信号，低电平为有效信号，输出信号经过与非门电路取反，有效电平变换为高电平控制可控硅导通。如图5，本发明中stc单片机的控制流程具体为：智能开关加电后，对stc单片机进行初始化，并将stc单片机的输出端电平置高，可控硅交流控制开关处于关断状态，设置电平标志位置为0，随后检测stc单片机输入端口的电平，如果为低电平则置位当前电平为0，否则置位当前电平为1；求取当前电平与电平标志位之差，若为-1，则智能开关按键由断开向闭合变化，需接通电路，将stc单片机的输出端口置低；若为1，则智能开关按键由闭合向断开变化，需断开电路，将stc单片机的输出端口置高；若为0，则智能开关按键状态未变化；将电平标志位置为当前电平后，循环检测stc单片机的输入端口电平。
22.本发明单火线/火零线供电单元由单火线供电电路和火零线供电电路构成，单火线供电电路由低电压输入供电电路和高电压输入供电电路并联组成。低电压输入供电电路用于可控硅全部处于关态和通态时的5v供电，由第一整流电路和rc低通滤波电路和lc高频低通滤波电路依次连接构成。当可控硅全部处于关态时，控制电路消耗功率很小，利用火线和悬空的电压，能稳定获取ac 5v的电压，能满足整个控制板的供电要求。当可控硅全部处于通态时，可控硅的火线接入端t1与控制端g之间存在约ac 5v的电压，该电压一般能满足控制单个可控硅导通的供电功率需求，将多个可控硅的火线接入端t1和控制端g之间并联，能增大供电功率满足多个可控硅导通的功率。高电压输入供电电路用于部分可控硅处于通态的供电，由第二整流电路和自供电原边反馈控制供电电路连接构成。高电压输入供电在处于通态的可控硅的火线输出端t2和处于关态的可控硅的火线输出端t2取电，能获取ac 220v的电压，为控制电路提供稳定的5v直流输出和足够的功率，能满足多个可控硅导通的功率要求。火零线供电电路经过第三整流电路和滤波电路后接入自供电原边反馈控制供电电路，火零线供电直接接入火线和零线提供电能，经过整流和滤波后接入自供电原边反馈控制供电电路，单火线/火零线供电单元可只接入火线，或者接入零线和火线实现5v电压输出。
23.如图6-7，本发明单火线/火零线供电单元的取电方法具体为：通过低电压输入供电电路从可控硅接入火线端t1和控制端g的驱动信号端取ac 5v交流电，接入第四整流桥mb10f u4，输出脉动直流电；并联第一电解电容c1和第三电解电容c3，用以滤波；串联4.7uf的隔直电容c2，接入变压器副边；并联接入发光二极管d1和第三限流电阻r3，用以指示输出电压；并联接入二极管d2和第四负载电阻r4，用于抑制电压振荡；高电压输入供电电路从两路可控硅开关控制单元输出端t2取ac 220v电压，经过第三整流桥mb10f u3，经第七电解电容c7滤波后，输出300v脉动直流电；第三整流桥mb10f u3的dc 经过第六限流电阻r6后输入自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电源端vcc；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的c端接入变压器原边的异名端，变压器同名端连接第三整流桥mb10f u3的dc-，产生高频正弦波；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的c端经第五电阻r5和第五电容c5的阻容网络后接入二极管d3的阳极，二极管d3的阴极再接入变压器原边的同名端，用于抑制电压的振荡；变压器辅助绕同名端连接第三整流桥mb10f u3的dc-，异名端经第一电阻r1和第二电阻r2分压后接入自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电压反馈端fb，用于采集高频正弦
波信号作为电压反馈信号；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电流采样端经第四电容c4后接地；第六电容c6连接第三整流桥mb10f u3的dc-和输出dc 5v的接地端，用于高频共地，抑制干扰；自供电原边反馈控制供电电路lp3669的电源端经第八电容c8接入接地端gnd；高频正弦波经变压器副边取得5v交流电，经电容滤波后可得dc 5v直流电；零火线供电电路从外接的火线和零线取ac 220v电压，经过第二整流桥mb10f u2，输出脉动直流电，接入与高电压输入供电电路相同的回路。
24.本发明集中控制式室内节能供电系统本着“强制断电，主动用电”的原则，将控制盒在预设定时间点对相应支路自动断电后再通电，智能开关在通电后，无论开关按键处于闭合还是断开位置，都不能自动接通电路，需要主动按动开关按键，检测到按键由断开到闭合的动作后，才能接通电路，正常照明或供电。该集中控制式室内节能供电系统可在办公室下班或教室下课后主动关闭相应区域的照明和动力供电，如部分办公或教室区域还需提供供电，则只需要再次按动开关按键即可恢复这部分区域的供电。该系统的智能开关采用单火线/火零线混合供电技术，可通过在普通开关和带按键的插座内安装控制电路板实现，不改变当前的开关使用习惯，无需更换现有开关，也无需重新布线；同时，通过有效降低公共场所无人情况下的照明及供电时间，能显著降低“长明灯”现象带来的能源浪费，提高用电的安全性。
25.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施方式，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。