基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座的設計

符長友 雷志勇 李行

摘 要： 針對傳統(tǒng)電源插座的缺陷與功能不足，利用電能參數(shù)自動檢測、RFID射頻識別、WiFi無線通信、嵌入式MCU，以及Android智能控制、管理等多種技術，設計出一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座。當插座未接入電器設備時，其自行斷電；當插座上接入電器設備時，通過RFID射頻識別技術，插座能自動、實時檢測當前電器設備所需要的電壓、電流、功率等電能參數(shù)是否超過插座所能提供的最大電壓、電流、功率等參數(shù)，并決定是否給電器設備供電。這樣，不僅有效地避免電氣火災發(fā)生，而且還能有效防止插座傷害孩子事故的發(fā)生。結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 智能插座； 物聯(lián)網(wǎng)； 電氣參數(shù)； RFID； WiFi； 電氣火災

中圖分類號： TN926?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）08?0122?04

Design of smart socket based on IOT

FU Changyou， LEI Zhiyong， LI Xing

（School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China）

Abstract： For the defects and functional insufficiency of the traditional power socket， the power parameters automatic detection， RFID， WiFi wireless communication， embedded MCU， Android intelligent control and management， and other technologies are used to design a smart socket based on the Internet of Things （IOT）. The smart socket will disconnect the power itself when no electrical devices are plugged into the socket. The socket can automatically detect whether the electrical parameters of voltage， current and power needed by the current electrical equipment exceed the parameters of voltage， current and power provided by the socket， and determine whether supplies power to the electrical equipment. This smart socket can effectively avoid electrical fires， and effectively prevent the occurrence of children electric shock accident from socket.

Keywords： smart socket； Internet of Things； electrical parameter； RFID； WiFi； electrical fire

0 引 言

自20世紀80年代以來，我國電氣火災隱患及其發(fā)生率一直居高不下，每年約占火災總起數(shù)的25%，年均損失約占總損失的36%，給國民經(jīng)濟和人民生活造成巨大的損失[1?2]。有關數(shù)據(jù)表明，超過70%的電氣火災是由于高于電源插座內(nèi)的斷電器所要求的安全電壓或電流造成[3]。而傳統(tǒng)的電源插座不具備電能參數(shù)自動檢測功能，不會因為電源插座所能提供的額定電壓、電流不足以滿足當前電器設備的要求，而自行斷電；更不會因為當前電器設備的工作電壓、電流等電能參數(shù)超越電源插座所能提供的最大電壓、電流值而作預警處理，并及時報告給電力用戶，以防止電氣火災事故的發(fā)生。與此同時，我國每年大約有超過數(shù)千人因為觸摸電源插座而發(fā)生觸電或燒傷事故[4]。究其原因，主要是因為傳統(tǒng)的電源插座無論其上是否已接入電器設備，電源插座的插孔已被供電。針對傳統(tǒng)電源插座的缺陷與功能上存在的不足，廣大電力用戶迫切需要一種功能更全并具有保護功能的智能電源插座。為此，利用電能參數(shù)實時自動檢測、RFID射頻識別、WiFi無線通信、嵌入式MCU，以及Android智能控制、管理等多種技術，設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座。

1 系統(tǒng)構成與工作原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座由智能電源插座與智能管理系統(tǒng)（軟件）構成，二者之間通過WiFi無線通信方式進行數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。智能電源插座由電能參數(shù)實時監(jiān)測、RFID射頻自動識別、WiFi無線通信、嵌入式MCU、LCD顯示、USB接口、斷電保護操作、實時時鐘等功能模塊構成，如圖2所示。

在電器設備的電源插頭內(nèi)嵌入一個RFID（Radio Frequency Identification）電子標簽（該標簽內(nèi)記錄有當前電器設備工作時所需的額定電壓、電流、功率等額定電能參數(shù)），智能電源插座內(nèi)嵌入一個RFID電子標簽識別器，通過RFID方式，就可以實時感知當前電源插座上是否接有電器設備。當感知到?jīng)]有電器設備接入，智能電源插座內(nèi)的MCU控制繼電器的控制端，使電源線斷開，不再給插座上的插孔供電。這樣，確保了插孔上的電壓為零，從而有效地避免了觸電或被燒傷事故的發(fā)生。當感知到有電器設備接入，智能電源插座內(nèi)的電能參數(shù)計量模塊，實時感知出當前電氣設備的電壓、電流、功率等電能參數(shù)。然后智能電源插座內(nèi)的MCU通過RFID方式，讀取電子標簽內(nèi)的電器設備的額定電壓、額定電流、額定功率等電能參數(shù)，與電源插座所感知的電能參數(shù)作對比、分析、判定，即可知曉智能電源插座所能提供的電能參數(shù)是否滿足電器設備所需的電能參數(shù)。如果當前電器設備工作時的電能參數(shù)超出智能電源插座所能提供的電能參數(shù)，智能電源插座會及時告知電器設備，同時也不給插孔供電。如果當前電器設備所需的電能參數(shù)未超出智能電源插座所能提供的電能參數(shù)，智能電源插座也會及時告知電器設備，并給其供電，同時通過LCD液晶屏實時顯示當前電器設備工作時的電能參數(shù)。這樣，將有效地避免電氣火災發(fā)生，再由于便攜式電子設備常用USB接口充電。為了方便此類電子設備，智能電源插座特地設計了USB接口。

智能管理系統(tǒng)是一款嵌入在智能手機上的軟件，廣大用戶可通過該智能管理系統(tǒng)，以WiFi無線通信方式對智能電源插座的管理、控制：

（1） 實時查詢智能電源插座上是否接有電器設備；

（2） 如果接有電器設備，可立即讀取當前的工作電壓、電流、功率等電能參數(shù)；

（3） 可遠程控制對某個電器設備是否供電：如發(fā)指令“1”對其供電，如發(fā)指令“0”對其斷電。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 嵌入式MCU

微處理器是整個系統(tǒng)的核心部分，負責數(shù)據(jù)的采集、處理以及相關控制，采用MSP430F149。該芯片是美國TI公司推出的一款低功耗、高集成、高性能單片機，特別適合于電池應用場合或手持設備。MSP430F149包含了1個硬件乘法器，48個I/O口，1個模擬比較器，2個具有捕捉/比較寄存器的定時器，8路12位AC/DC轉換器，2個硬件串行通信接口，60 KB的FLASH ROM，特別適合于設計片上系統(tǒng)[5]，其電路設計如圖3所示。

2.2 電能參數(shù)計量

電能參數(shù)計量采用ATT7053。ATT7053是一顆帶SPI和UART接口的單相多功能計量芯片，其工作電壓為4.5～5.5 V。該芯片的特點有：3路22 b ∑?Δ ADC，采樣率28 kHz/14 kHz/7 kHz可調(diào)；支持5 000∶1的動態(tài)范圍；支持有功、無功、視在功率和電能脈沖輸出；可同時得到兩路計量通道的電壓、電流通道的有效值，以及電壓頻率，電壓電流相位[6]。其電路設計如圖4所示。

2.3 RFID射頻識別

RFID射頻自動識別采用TRF7960A芯片，該芯片是一款高性能13.56 MHz高頻（HF）RFID讀取器IC，它包含一個用于ISO15693，ISO14443A/B和FeliCa的集成型模擬前端（AFE）和一個內(nèi)置的數(shù)據(jù)組幀引擎。對于具有所有組幀和板上同步任務（ISO模式，默認）的ISO14443，它支持的數(shù)據(jù)速率高達848 Kb/s。它還支持NFC論壇標簽類型1，2，3和4操作（只作為讀取器/寫入器） [7]?？赏ㄟ^使用器件提供的兩個直接模式來執(zhí)行其他標準，甚至執(zhí)行定制協(xié)議。這些直接模式（0和1）使得用戶能夠完全控制模擬前端（AFE）并獲得原始副載波數(shù)據(jù)或者非成幀數(shù)據(jù)（但已經(jīng)是ISO格式數(shù)據(jù)）和相關（被提取的）時鐘信號的存取權限，其電路設計如圖5所示。

2.4 WiFi通信模塊

WiFi801D是一個超低功耗嵌入式WiFi模塊，該模塊硬件上集成了MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器；嵌入式的固件則支持WiFi協(xié)議及配置，以及組網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧。特點：支持IEEE 802.11b/g無線標準，最高速率54 Mb/s；支持SoftAP和STA模式；支持TCP，UDP，DNS，SNMP，ICMP等多種網(wǎng)絡協(xié)議，支持標準的AT指令操作[8]。其電路設計如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件程序設計

3.1 程序設計流程圖

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座程序設計流程圖如圖7所示。

3.2 RFID識別程序

RFID射頻識別、通信程序部分代碼如下：

void RFID_GO（）

{

if（P1IN&BIT0==BIT0）

{ flag3=1； }

else flag3=0；

}

void Get_time（）

{

Get_DS1302（dtime）；

tmp[0] = （（dtime[2]&0xf0）>>4）；

tmp[1] = （dtime[2]&0x0f）；

tmp[3] = （（dtime[1]&0xf0）>>4）；

tmp[4] = （dtime[1]&0x0f）；

…

}

3.3 電能參數(shù)采集程序

電能參數(shù)采集程序部分代碼如下：

Unsigned long ReadSpi（unsigned char Com）

{

unsigned char n；

unsigned long data；

data=0；

CS=1；

SCLK=0；

CS=0；

for（n=7；n>=0；n--）

{

SCLK=1；

DIN=Com.n；

SCLK=0；

}

… }

3.4 WiFi通信程序

WiFi通信程序部分代碼如下：

while（ newSockID < 0 ）

{

newSockID = sl_Accept（SockID， （ struct SlSockAddr_

t*） &Addr， （SlSocklen_t*） &AddrSize）；

if（ newSockID == SL_EAGAIN）

{ /* Wait for 1 ms */

Delay（1）；}

else if（ newSockID < 0 ）

{ return -1； }

}

…

4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4.1 WiFi通信距離測試

WiFi通信距離測試分為空曠無障礙物條件下的通信距離測試與隔墻體條件下的通信距離測試，其測試數(shù)據(jù)結果如表1和表2所示。

4.2 電能參數(shù)準確度測試結果

用型號為FSL?40B的格力落地電風扇作為智能插座的負載，測試其電能參數(shù)。然后用專業(yè)的電能參數(shù)計量儀器，即PQ3000測量，再將二者所測試的數(shù)據(jù)進行對比，所比對的電能參數(shù)結果如表3所示。

表2 隔1堵墻的條件下的通信距離測試數(shù)據(jù)

表3 測試值與儀器測量值的對比

4.3 實物圖片

實物圖片如圖8所示。

5 結 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座不僅能實時監(jiān)測并顯示插座上所接入的電器設備工作時的電壓、電流、功率等電能參數(shù)，而且如果電能參數(shù)超出插座所能提供的額定電能參數(shù)時，插座會自動給電器設備斷電并預警，以防止發(fā)生電氣火災。同時，如果插座上沒接入電器設備，插座口一直處于斷電狀態(tài)，從而有效避免觸電或被燒傷事故的發(fā)生。

此外，用戶可通過WiFi遠程控制智能插座的開關。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座可廣泛運用普通家庭、辦公室、工廠等眾多領域。因此，物聯(lián)網(wǎng)智能插座，有著廣泛的市場應用前景和社會需求

參考文獻

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[3] 邸曼，厲劍，張明，等.電氣火災分析與防治策略的研究[J].消防科學與技術，2008，27（1）：5?9.

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[6] 鉅泉光電科技（上海）股份有限公司.ATT7053用戶手冊V1.6[M].上海：鉅泉光電科技（上海）股份有限公司，2014.

[7] Texas Instruments. Datasheet of TRF7960A [EB/OL]. [2013?06?21].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/trf7960a.pdf.

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[9] 陳海旺，張振娟，黃明.智能家居中無線智能插座系統(tǒng)設計[J].電視技術，2013，37（21）：80?83.