物聯(lián)網(wǎng)智能安全插排設(shè)計(jì)

尹肸 徐虎誠 朗濟(jì)林 朱一正 陳智超

【摘 要】本文針對傳統(tǒng)的插排功能單一、安全性能不高的問題，提出了一種成本較低的物接入和智能控制的物聯(lián)網(wǎng)智能安全插排。通過實(shí)時(shí)測量監(jiān)控用電數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)通信和MUC與用戶共同控制，做到安全智能、使用方便。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);物接入;智能插排;功率計(jì)量

1引言

物聯(lián)網(wǎng)智能安全插排設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制芯片，無線通信模塊為聯(lián)網(wǎng)方案，使用ADC采樣分析電壓、電流、有功功率等參數(shù)，并通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)用戶對插排的智能控制。以遠(yuǎn)程控制、定時(shí)控制的方式控制電源通斷，以減少用電器的功耗，并對電量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過手機(jī)APP將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，使用戶更準(zhǔn)確的了解用電情況，做到合理有效的用電、節(jié)電。智能插座自帶USB充電插口，方便手機(jī)等USB設(shè)備充電。系統(tǒng)可自動識別過壓、過載等危險(xiǎn)情況，及時(shí)控制電源開關(guān)保證用電安全。

2物聯(lián)網(wǎng)插排系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由三個(gè)單元，MUC主控電路單元、物接入單元和功率計(jì)量單元，MCU主控部分主要進(jìn)行系統(tǒng)控制、連接各個(gè)單元和數(shù)據(jù)處理，包含了主控開關(guān)、繼電器開關(guān)、狀態(tài)指示燈等外設(shè)，可以進(jìn)行狀態(tài)指示、人機(jī)交互和系統(tǒng)控制，其中MCU采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6單片機(jī)，基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位的微控制器，具有72MHz主頻和豐富的IO口，在高效運(yùn)行的同時(shí)可以接入大量外設(shè)。

功率計(jì)量單元采用IM1253B單相交直流電能計(jì)量模塊，有著體積小、價(jià)格低、性能高的特點(diǎn)。該模塊可以測量 45～65Hz 的交流電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數(shù)據(jù)，通信規(guī)約采用電力行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn) DL/T 645-2007 以及標(biāo)準(zhǔn) Modbus-RTU 規(guī)約，兼容性好，更方便通訊及開發(fā)，通過相應(yīng)接口方便和其他單片機(jī)、ARM 連接實(shí)現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。

物接入單元采用了ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模組，超低功耗的UART-WiFi芯片的模組，可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，接入云端服務(wù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)3/4G全球隨時(shí)隨地的控制，支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11 b/g/n 協(xié)議，完整的 TCP/IP 協(xié)議棧。在具有強(qiáng)大通信功能的同時(shí)，還擁有極低的功耗，最低睡眠保持電流為 10 uA，關(guān)斷電流小于 5 uA，待機(jī)狀態(tài)消耗功率小于1.0 mW。

在結(jié)構(gòu)方面主要是插排外殼設(shè)計(jì)和插座模塊，將插座以模塊的定時(shí)嵌入插排當(dāng)中，可以方便的進(jìn)行安裝和更換，同時(shí)也可以根據(jù)需求進(jìn)行修改，可以同時(shí)安裝交流插座和USB直流插座。內(nèi)部結(jié)構(gòu)選用了適用于大功率的金屬鈕子開關(guān)，在安全可靠的同時(shí)，其本身自帶的環(huán)形燈可以作為狀態(tài)指示燈使用，節(jié)約了內(nèi)部空間，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3 物接入的實(shí)現(xiàn)

物接入主要使用ESP8266模塊和機(jī)智云物接入平臺實(shí)現(xiàn)，物接入要實(shí)現(xiàn)的功能有兩點(diǎn)：用戶手機(jī) APP 軟件與智能插排設(shè)備進(jìn)行通信、用戶可以控制插排輸出口開通和關(guān)斷;在APP 上隨時(shí)都可以查看智能插排運(yùn)行狀態(tài)和電流、電壓、功耗等信息。

采用的ESP8266物接入模塊主要是基于 IEEE 802.11協(xié)議的WiFi低功耗SoC廣域網(wǎng)，工作在2.4GHz/5GHz頻段，可以借助于互聯(lián)網(wǎng)、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進(jìn)行連接。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、操作層。物聯(lián)網(wǎng)對所連接的設(shè)備的通信協(xié)議要求有以下三點(diǎn)：聯(lián)網(wǎng)的每一物件均可尋址;聯(lián)網(wǎng)的每一物件可通信;聯(lián)網(wǎng)的每一物件可控制。為滿足以上要求，該系統(tǒng)采用 WiFi 聯(lián)網(wǎng)的方式，使硬件系統(tǒng)成為可通信可控制的網(wǎng)絡(luò)體。

在創(chuàng)建機(jī)智云服務(wù)之前需要先下載安卓APP開源框架，并準(zhǔn)備好Eclipse開源框架編譯環(huán)境。導(dǎo)入項(xiàng)目到 Eclipse 工程后，根據(jù)開源框架包結(jié)構(gòu)的說明，修改UIConfig.json文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機(jī)智云的ProductKey，APP ID，APP Secret后，工程就可以部署運(yùn)行。云端會自動生成一個(gè)仿真設(shè)備，可模擬真實(shí)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)的行為。在實(shí)體設(shè)備還未開發(fā)完成的情況下，開發(fā)者可以利用機(jī)智云提供的虛擬設(shè)備工具進(jìn)行APP調(diào)試，測試遠(yuǎn)程控制設(shè)備的功能。其中，在WiFi鏈接模式時(shí)，當(dāng)WiFi通信在無優(yōu)先級或者BT/ZB優(yōu)先級較高的情況下，可以人為中斷WiFi工作，只需通過GPIO口來區(qū)分各個(gè)通信的優(yōu)先級。利用聯(lián)網(wǎng)的IP地址與安卓APP連接，通過該端口發(fā)送參數(shù)信息，并通過APP界面顯示。要實(shí)現(xiàn)機(jī)智云APP與硬件設(shè)備聯(lián)調(diào)，首先要使手機(jī)和硬件設(shè)備連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)出請求，并且獲得相應(yīng)的信息。

在操作層主控MCU調(diào)用機(jī)智云相關(guān)函數(shù)，將WiFi模塊配置為AP模式，配置正確的ProductKey，APP ID，APP Secret后，在APP配置完成接入網(wǎng)絡(luò)上即可完成物接入。

4 結(jié)語

本文所述物聯(lián)網(wǎng)安全插排系統(tǒng)可以通過安卓手機(jī) APP 遠(yuǎn)程檢測插排用電活動，隨時(shí)隨地通過手機(jī)進(jìn)行用電器用電控制。該系統(tǒng)具有操作簡單、易懂、方便等優(yōu)點(diǎn)，且安全性、穩(wěn)定性、智能性較高。

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（作者單位：哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院）