基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座設(shè)計(jì)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座設(shè)計(jì)隨著技術(shù)的發(fā)展和人類生活水平的提高，越來越多的人開始追求高科技和高質(zhì)量的生活。智能電子設(shè)備的發(fā)展給人類生活提供了很大的便利。近年來，智能移動設(shè)備，智能家居設(shè)備，智能可穿戴設(shè)備發(fā)展迅速。智能家居作為其中一個(gè)重要的方面，極大方便了人們對家庭電子設(shè)備和電氣設(shè)備的管理和使用。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等訊息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過互聯(lián)網(wǎng)，將物體與物體之間建立通信連接。智能家居建立在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，將家用電器和智能網(wǎng)關(guān)、個(gè)人電腦、手機(jī)等電子設(shè)備連接，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的和自動化的管理，為居民的生活提供便利。家用電器作為普遍存在的家居

2、設(shè)備，缺乏統(tǒng)一的智能化方案和接口，因此要實(shí)現(xiàn)家電總體的智能化絕非朝夕之功。但插座作為家用電器連接電源必須使用的設(shè)備，若能實(shí)現(xiàn)智能化管理，則會在很大程度上借助對插座的管理實(shí)現(xiàn)對家電的智能化管理。本文提出一種智能插座設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了簡單的功能設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)和測試。在本文提出的硬件方案的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行更加專用和更加復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。模塊設(shè)計(jì)控制器控制器使用AVRATmega16,它具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，512字節(jié)EEPROM,1K字節(jié)片上內(nèi)存，32個(gè)通用輸入輸出接口和寄存器，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器（USART）,10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可通過編程配置外接晶體振蕩器提供

3、時(shí)鐘信號。通信模塊無線通信使用WIFI實(shí)現(xiàn)。WIFI對比藍(lán)牙、ZigBee等其他無線通信方式，有較多的優(yōu)點(diǎn)。1.WIFI已經(jīng)有著極其廣泛的應(yīng)用。WIFI形成一種工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，目前市面上的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦、無線路由器等都支持WIFI通信。很多家庭都有WIFI設(shè)備。可以說，WIFI設(shè)備更容易被廣大用戶接受。圖1ATmega16引腳示意圖2 .通信距離長，一個(gè)遵循IEEE802.11b或IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的無線路由器在使用外置天線時(shí)可能有一個(gè)長達(dá)32m的室內(nèi)傳輸距離，這比藍(lán)牙等技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。3 .傳輸速度快，WIFI的傳輸速度相對藍(lán)牙和ZigBee要快很多一一遵從IEEE8

4、02.11b標(biāo)準(zhǔn)的可高達(dá)11Mbps,遵從IEEE802.11a和IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的可高達(dá)54Mbps。4 .WIFI芯片的價(jià)格便宜，有完善的標(biāo)準(zhǔn)、電器特性說明，和技術(shù)文檔。WIFI模塊是實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧的WIFI解決方案。在具體選擇WIFI設(shè)備時(shí)，我們使用USR-WIFI232模塊。USR-WIFI232是一款USART接口的WIFI模塊（以下簡稱WIFI模塊），一端可以通過USART與單片機(jī)連接，接收單片機(jī)的指令，另一端可以通過WIFI與其他無線終端或路由器直接連接。通過簡單的操作，可以在第一次連接的時(shí)候配置并保存網(wǎng)絡(luò)信息。此模塊內(nèi)置輕型TCP/IP協(xié)議棧（LWIP）,它

5、的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明傳輸和安全傳輸，使得系統(tǒng)其它功能的設(shè)計(jì)可以更加靈活。USR-WIFI232模塊支持通過串口和通過無線連接，進(jìn)行參數(shù)配置。1 .通過串口配置參數(shù)：WIFI232模塊的USART與ATmega16的USART接口直接連接，可以通過WIFI模塊設(shè)置的接口函數(shù)，由單片機(jī)發(fā)送AT命令直接修改WIFI模塊的各種參數(shù)。2 .通過無線連接配置參數(shù)：用戶第一次與智能插座連接時(shí)，插座端以AP方式啟動，用戶可以通過帶無線網(wǎng)卡的電腦或智能手機(jī)連接智能插座，并修改智能插座的串口配置和網(wǎng)絡(luò)配置等配置參數(shù)。電器工作狀態(tài)檢測模塊由于本插座設(shè)計(jì)時(shí)的直接需求是機(jī)房的安全監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制家電設(shè)備的電源通斷，因此

6、暫時(shí)沒有進(jìn)行詳細(xì)的功率檢測方面的設(shè)計(jì)。我們將電器的工作狀態(tài)劃分為運(yùn)行和關(guān)閉兩種狀態(tài)。在監(jiān)測用電器工作狀態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)方案上，可選擇較簡單的光電原件傳感的方式。但我們設(shè)計(jì)用電流互感一電流采樣一AD轉(zhuǎn)換的方案，因?yàn)檫@種方案使我們的設(shè)備可以直接升級成為功能更強(qiáng)的、可以進(jìn)行功率檢測的智能插座，即可擴(kuò)展性強(qiáng)。當(dāng)電器不在運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流為接近零的微小值。當(dāng)電器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載電流為較大值。我們設(shè)定最小工作電流閾值，當(dāng)連續(xù)測得的電流，轉(zhuǎn)換為有效值后小于此閾值時(shí)，可認(rèn)為電流為零，電器處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)測得電流大于此閾值時(shí)，可認(rèn)為電流不為零，電器處于運(yùn)行狀態(tài)。ATmega16單片機(jī)自帶具有10位精度的AD轉(zhuǎn)換器（ADC

7、）,輸入電壓可測量的范圍在0-Vcc內(nèi)。因此ATmega16單片機(jī)的片上ADC完全可以滿足負(fù)載電流檢測的需要。此10位的ADC可將GND與參考電壓Vref之間的輸入電壓轉(zhuǎn)換為2A10個(gè)不同的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量范圍在0與2A101之間。當(dāng)使用十位轉(zhuǎn)換精度時(shí)，單片機(jī)片上ADC分辨率可計(jì)算如下：其中Vref為ADC參考電壓取值。例如，取參考電壓為片內(nèi)的2.56V基準(zhǔn)電壓時(shí)，根據(jù)公式（1）計(jì)算：設(shè)轉(zhuǎn)換結(jié)果為Valueadc,則輸入電壓inV與adcValue之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系由下式給出:嗎*（2）至此，我們有以下結(jié)論：理想情況下，若電流互感器變比為1:n,則電流變比（初級線圈與次級線圈流過的電流之

8、比）：1psIIn=，當(dāng)次級采樣電阻取值sR時(shí)，設(shè)備可檢測到的最小阻性用電器功率閾值可估算為：(3)具體應(yīng)用之時(shí)，sR的取值要滿足電流互感器的額定二次負(fù)載要求，并且二次端不允許開路，否則會存在很大的安全隱患。在實(shí)際情況下，由于電磁環(huán)境的干擾、ADC基準(zhǔn)源的擾動、輸入雜波的存在等原因，最小靈敏功率實(shí)際值必定比計(jì)算得到的minP大。在需要優(yōu)化最小靈敏度的應(yīng)用場合，可有以下改進(jìn)思路：1.使用更高精度ADC2.對輸入高頻干擾進(jìn)行濾波處理3.改變互感器的變比考慮到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)用環(huán)境為機(jī)房電器和普通家電的監(jiān)控，不會存在功率非常小的情況，因此為了最簡化系統(tǒng)硬件規(guī)模，暫時(shí)不考慮這個(gè)問題，只做最簡單的濾波和

9、抗電磁干擾處理。模塊硬件設(shè)計(jì)如下：取合適變比的電流互感器，初級端直接接用電器電流回路，次級端接檢測裝置，通過電流互感器將前端用電器與后端檢測裝置隔離，起到安全耦合的作用。將流過用電器的電流耦合到電流互感器次級線圈后取樣和簡單濾波，將取樣電壓連接到單片機(jī)的ADC。在收到檢測用電器工作狀態(tài)的指令時(shí)，由ADC連續(xù)進(jìn)行數(shù)次轉(zhuǎn)換，以檢測電流峰值；待數(shù)次轉(zhuǎn)換全部完成之后，將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算得到用電器工作狀態(tài)，并將結(jié)果發(fā)送到WIFI模塊。遙控開關(guān)模塊遙控開關(guān)模塊由連接在單片機(jī)上的電磁繼電器實(shí)現(xiàn)。電磁繼電器控制信號來自單片機(jī)IO接口。控制信號為高電平時(shí)，電磁繼電器內(nèi)部的三極管飽和導(dǎo)通，繼電器通電，磁接觸點(diǎn)吸

10、合，負(fù)載開路。當(dāng)控制信號為低電平時(shí)，內(nèi)部的三極管截止，繼電器磁力消失進(jìn)而磁接觸點(diǎn)斷開，負(fù)載接入電源回路中。根據(jù)繼電器的型號不同，它的觸電負(fù)載能力也不同。試驗(yàn)中我們使用交流承載能力為250V,5A的電磁繼電器進(jìn)行遙控開關(guān)功能的功能驗(yàn)證。電源系統(tǒng)需要穩(wěn)定的直流電供電：WIFI模塊、電磁繼電器和ATmega16單片機(jī)需要低電壓（5V左右）直流電源供電。因?yàn)檎麄€(gè)插座的耗電量較小，因此我們設(shè)計(jì)以下交流一一直流電源轉(zhuǎn)換電路。此電路可將電源從交流220V市電轉(zhuǎn)換成直流電，有著體積小、電壓穩(wěn)定的特點(diǎn)。電路原理圖如下圖3所示。程序邏輯總體邏輯智能插座設(shè)備通過WIFI模塊與家用智能終端連接：一方面，通過WIFI模

11、塊將傳感數(shù)據(jù)送出到家用智能終端；另一方面，通過WIFI模塊接收家用智能終端的控制信息。AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換通過指令觸發(fā)。當(dāng)單片機(jī)收到查詢指令時(shí)，觸發(fā)連續(xù)的AD轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算結(jié)果，并將得到的結(jié)果通過與單片機(jī)串口連接的WIFI模塊送出。ATmega16單片機(jī)的ADC輸入接口與通用IO接口PA0PA7復(fù)用。試驗(yàn)時(shí)我們選?。≒A7）接口作為單通道AD輸入接口。AD初始化和運(yùn)行程序流程如下：1.將選定的AD輸入接口（PA7）設(shè)置為高阻態(tài)輸入狀態(tài)，并寫ADMUX寄存器，指定輸入接口2 .設(shè)置基準(zhǔn)電壓3 .設(shè)置數(shù)據(jù)對齊方式4 .設(shè)置AD轉(zhuǎn)換頻率5 .設(shè)置轉(zhuǎn)換方式6 .開始AD轉(zhuǎn)換7 .得到AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)8 .處理

12、得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式計(jì)算得到用電器工作狀態(tài)USARTWIFI模塊與單片機(jī)通過USART連接并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸。USART串口通信需要給主從原件設(shè)置相同的波特率。其他細(xì)節(jié)在此不再贅述。擴(kuò)展接口ATmega16的多通道ADC和較多IO接口（包括SPI和TWI串行接口）使得我們在有其他需求時(shí)，可以繼續(xù)添加其他傳感設(shè)備。對于輸出量為模擬信號的傳感器，可根據(jù)其輸出電壓幅度，將其輸出電壓處理和采樣之后接到某空閑ADC通道輸入接口，并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；對于輸出量為數(shù)字信號的傳感器，可直接讀取傳感器輸出的數(shù)字信號值。功能測試本文主要考慮智能插座的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，但智能插座在部署使用時(shí)，一般需要作為智能家居網(wǎng)關(guān)的

13、上位機(jī)同時(shí)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)用戶與智能插座的雙向連接和數(shù)據(jù)交換。因此，功能測試包括兩方面內(nèi)容：1 .控制命令（如開啟、關(guān)閉電源的命令）從用戶處發(fā)出，經(jīng)過智能家居網(wǎng)關(guān)送達(dá)到智能插座，并觸發(fā)智能插座的響應(yīng)；2 .在收到查詢命令（如用電器工作狀態(tài)查詢命令）時(shí)，ADC開啟并完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從智能插座出發(fā)，送達(dá)智能家居網(wǎng)關(guān)，智能家居網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將結(jié)果返回給用戶端的程序。本文以AVR開發(fā)板，配置必要的外設(shè)，進(jìn)行功能驗(yàn)證。為調(diào)試方便，以安裝Windows操作系統(tǒng)的筆記本電腦作為智能家居網(wǎng)關(guān)（上位機(jī)），直接連接智能插座WIFI,并通過上位機(jī)的測試程序，向智能插座發(fā)送控制命令，同時(shí)接收智能插座傳來的數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通信、控制電源通斷、檢測用電器工作狀態(tài)的功能都可正常實(shí)現(xiàn)。功能測試的結(jié)果證明本文方案具有可行性?？偨Y(jié)本文在物聯(lián)網(wǎng)背景下，從現(xiàn)有不同廠家、不同標(biāo)準(zhǔn)智能家居終端無法統(tǒng)一管理，且傳統(tǒng)家電難以實(shí)現(xiàn)智能化升級等幾個(gè)問題入手，根據(jù)機(jī)房設(shè)備和家電工作狀態(tài)監(jiān)控需求，從硬件選型、關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)、軟件程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面入手，提出了一種智能插座的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過對原型設(shè)備的功能試驗(yàn)，驗(yàn)證了文中方案的可行性。原型機(jī)的設(shè)計(jì)滿足了基本的功能需求，并且具有良好的可擴(kuò)展性：在本文提出