一種基于ardunio的智能插座

【摘要】電氣革命的飛速發(fā)展不僅普及了家用電氣，提高了人們的生活水平，也對用電安全和便利方面提出了更高的要求。一方面，全世界因家用電器引起的火災(zāi)等重大事故不計其數(shù)，如何保證家用電器用電的安全性已成為全世界公認(rèn)的最棘手的問題；另一方面，隨著人們對生活水平要求的提高，如何實現(xiàn)設(shè)備智能化也是如今的家用電器的設(shè)計的難題。如今市場上的常規(guī)插座只有普通的開關(guān)斷電功能，無法對電流進(jìn)行實時的監(jiān)測控制，保證基本用電安全。而有些所謂的智能插座也只具備定時開關(guān)功能，并不是真正意義上的智能化?？v觀整個插座市場，綜合實時監(jiān)測電壓電流、過溫自動保護、遠(yuǎn)程控制這三大功能的插座還沒有出現(xiàn)。而普通插座已經(jīng)不能滿足日益增長的生活水平的需求，這類安全性高，完全智能化的插座具有強大的市場前景，迎合如今各類消費者的需求。為此，本文提出了一種基于ardunio控制系統(tǒng)的新型智能插座。這種插座包含溫度信號采集裝置、電壓電流監(jiān)測裝置、GPRS通信裝置和繼電器四大組成部分，切實保證了這種插座的安全化和智能化。這種插座能耗低，可以有效防止插座因接觸不良而引起的接觸點溫度過高的問題，同時具有遠(yuǎn)距離遙控，監(jiān)控家用電器的功能。極大地方便了智能家居住宅的改造和升級，提升了人們的生活品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】插座；信息采集；控制；智能

1、智能插座的模塊硬件設(shè)計

本文提出了一種基于ardunio單片機的新型智能插座。這種插座由單片機模塊、電源穩(wěn)壓模塊、過溫保護模塊、電壓電流監(jiān)測模塊、繼電器控制模塊以及GPRS模塊構(gòu)成，切實保證了這種插座的安全化和智能化，結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。

1.1 單片機模塊

本設(shè)計以ardunio作為核心控制器，Arduino是一款便捷靈活、簡易上手的開源硬件產(chǎn)品，具有豐富的接口，其硬件系統(tǒng)也是高度模塊化。因為在軟件和硬件上完全開放，很多常用的I/O 設(shè)備進(jìn)行簡單的修改，即可編寫出比較復(fù)雜的程序，完成功能多樣化的組件，為以后智能插座的功能改進(jìn)和擴展提供了有利條件。單片機負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作從而實現(xiàn)對智能插座的遠(yuǎn)程控制。單片機處理GPRS模塊和電壓電流互感器發(fā)出的信號后，通過發(fā)送指令的方式控制繼電器的斷開。

1.2 電源穩(wěn)壓模塊

本系統(tǒng)直接選用直流穩(wěn)壓電源作為電源穩(wěn)壓模塊。其工作原理是電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流，所以該模塊能提供的電流有限，但本系統(tǒng)所用原件為低耗元件，完全可以提供充足的供電。

1.3 過溫保護模塊

溫度信號傳感器選用DS18B20可編程分辨率的單總線數(shù)字溫度計。由于該傳感器是接觸式測溫模式，需要將它貼于繼電器動觸頭以及插座彈簧片附近讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到的溫度高于設(shè)置的高溫閾值時，傳感器通過單片機將斷開指令傳達(dá)給繼電器，從而使電源斷開。 數(shù)字溫度傳感器通過與單片機的連接，實現(xiàn)對溫度的測量，在測量溫度超過設(shè)置的安全測量范圍時，控制繼電器斷開電路，從而保證插座的安全性。溫度傳感器引腳如圖二所示。

1.4 電壓電流監(jiān)測模塊

電壓電流監(jiān)測模塊選用ZMPT101B系列電壓型電流互感器、A01B單相交流有源輸出電壓互感器模塊，利用變壓器原理，將數(shù)據(jù)傳送給單片機，經(jīng)過計算從而獲得電壓電流數(shù)據(jù)。

1.5 繼電器控制模塊

繼電器是這里采用的是HRS4-S-DV5V，其主要功能是是控制用電器電源開關(guān)。繼電器通過I/O端口向繼電器模塊輸入高低電平即可控制其觸點的吸合、斷開，從而控制電源的開關(guān)，電路圖如圖五。

1.6 GPRS模塊

GPRS模塊中使用的SIM800L 超小GPRS開發(fā)板，其具有短信收發(fā)功能。GPRS系統(tǒng)接收來自單片機的數(shù)據(jù)信息通過發(fā)送短信可以讓用戶了解實時信息，用戶也可以發(fā)送短信給設(shè)備來通信單片機從而控制線路的通斷。

2、智能插座的軟件設(shè)計

將普通插座220V部分的輸入輸出線路接到繼電器，然后由手機發(fā)送信號，GPRS模塊接收信號并傳給單片機，單片機處理信號后發(fā)送高低電平控制繼電器通斷來實現(xiàn)對用電器的遠(yuǎn)程通斷。測溫器安裝在繼電器上，當(dāng)繼電器表面溫度超過120攝氏度時，單片輸出信號斷開繼電器并啟動蜂鳴器警報，實現(xiàn)電路的過溫保護。電壓電流互感器連接在輸出電線上，實時數(shù)據(jù)傳送到單片機上再經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送到手機端實現(xiàn)檢測，過壓過流時單片機控制繼電器斷開。具體工作邏輯流程如圖六。

硬件輸入端上電后，系統(tǒng)開始初始化，初始化后進(jìn)行電壓、電流、溫度檢測，當(dāng)溫度、電壓、電流超過設(shè)定的正常數(shù)值時，單片機斷開繼電器并開啟蜂鳴器，接收調(diào)取信號時傳送當(dāng)前的電壓、電流信號。

2.1 過流檢測

電器設(shè)備穩(wěn)定運行時的溫升是其設(shè)計和制造時的重要指標(biāo)之一，對電器設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性有直接的影響。由實驗測得的數(shù)據(jù)及理論可知，接觸電阻越大，通過的電流越大，通電時間越長，插頭插座連接處產(chǎn)熱越多。當(dāng)10A電流通過約180Ω的接觸電阻時，最高溫度可達(dá)300℃左右；16A電流通過約40Ω的接觸電阻時，最高溫度可達(dá)170℃，可以使周圍的可燃物燃燒。再參考PVC材料軟化的溫度以及溫度傳感器的范圍，可把高溫閾值設(shè)為120℃。

電磁繼電器在帶外殼和不帶外殼的情況下的溫升如圖七、圖八所示，故也將繼電器高溫閾值設(shè)為120℃。

2.2 電流信息采集

電流檢測部分使用交流電流互感器，根據(jù)線路上交流電周期變化產(chǎn)生的磁通變化來得出線路中電流的有效值大小，互感器將處理后的電流信號傳輸?shù)教幚砟K中。除了在極大的短路電流（這里設(shè)置短路電流為60A）下斷開用電器以減少對其它用電器在閉合空氣開關(guān)后繼續(xù)使用的影響外，電流信息采集及保護部分還能對用電器工作狀態(tài)進(jìn)行評估，即通過對用電器電流的檢測來評估用電器的“健康狀況”。比如，隨著使用時間的增長電燈燈絲會在不斷升華后變細(xì)，燈絲電阻變大，電流變小，可使用的時間減小，這里我們依據(jù)當(dāng)下電燈電流與一個基準(zhǔn)值的對比來評估其工作狀態(tài)。這里選取最初使用時用電器的電流為基準(zhǔn)值，此時相對后期，用電器的工作性能更趨于正常值，具體方法為：在用電器第一次通電后避開其啟動電流，在之后一段時間內(nèi)采集多個電流樣本并其取平均值作為基準(zhǔn)值，再取±5%為允許的變化范圍。采樣結(jié)束后一直以一個周期為單位不斷檢測電流，在一個周期內(nèi)，將電流超出范圍的次數(shù)除以總的采集次數(shù)作為用電器的健康數(shù)值經(jīng)過單片機及通信模塊可以傳送給用戶，為用戶提供家庭用電器實時的工作情況。每次重新通電后線路電流的采集都必須避開啟動電流即在通電一會兒后再開始采集信息。下面具體探討基準(zhǔn)值的算法。

由于電機類用電器的電流隨負(fù)載的波動情況比較大，在此先排除在外，只考慮純阻性負(fù)載。實際情況下，大多數(shù)用電器在啟動時會有很大的啟動電流且停留時間很短，例如，電視機剛剛開機啟動時，消磁電路工作電流很大會達(dá)到3 A，不過，經(jīng)過一段極短時間，消磁電路會自動停止工作，這時電視機的工作電流遠(yuǎn)小于3 A，只有0.3 A～0.5 A，而這對于確定穩(wěn)定工作時的電流毫無意義，所以要避開啟動電流。參考到大多數(shù)用電器的工作電流的曲線（如圖九），啟動電流的影響時間一般為1S左右，為了提高準(zhǔn)確度，采用5S的間隔時間，在5S后開始采樣。考慮到電路電氣參數(shù)變化的快速性，取1min為一個采樣周期，取600個數(shù)據(jù)，每隔0.1S取一個，求得的平均值為該用電器的基準(zhǔn)值。為了在更換插座的所連用電器后重置基準(zhǔn)值，所以必須設(shè)置一個復(fù)位開關(guān)供手動清零。

3、結(jié)束語

本文介紹了一種以電流電壓監(jiān)測裝置，溫度傳感器，單片機為主體，由GPRS通信控制線路通斷的智能插座。該智能插座具有過溫保護，遠(yuǎn)距離遙控，測量線路電壓，支路電流功能。性能安全可靠，成本較低，功耗低，使用方便，應(yīng)用前景十分廣闊。

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