基于STM32和4G技術(shù)的紅外智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王燦田，陳育中

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始追求高科技和高品質(zhì)的生活。智能化電子設(shè)備逐漸走進(jìn)人們的日常生活，極大地方便了人們對(duì)家用電器設(shè)備的管理和使用。電器已經(jīng)成為每個(gè)家庭必備的家居設(shè)備，插座作為電器設(shè)備連接電源必須使用的設(shè)備，若能夠?qū)ζ溥M(jìn)行智能化控制管理，那么將在很大程度上借助對(duì)插座的管理實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制，使生活更加便利。但與此同時(shí)，身邊的安全隱患也越來越多。為了更好地保障用電安全并排除用電隱患，近年來，國內(nèi)外的科研技術(shù)人員對(duì)智能插座的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多的研究[1-2]。

目前市面上大多數(shù)產(chǎn)品都是基于WiFi模塊實(shí)現(xiàn)智能插座與手機(jī)端的通信[3-4]，弊端是該類型的產(chǎn)品僅具有無線控制智能插座通斷的功能，無法控制帶紅外遙控的主流家電設(shè)備。同時(shí)，由于受墻壁等障礙物的影響，部分區(qū)域的智能插座由于無法正常接收信號(hào)，導(dǎo)致時(shí)常出現(xiàn)無法控制的情況。

因此，設(shè)計(jì)一種基于STM32和4G傳輸?shù)募t外智能插座系統(tǒng)，可有效解決聯(lián)網(wǎng)異常問題。系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)上的大功率紅外發(fā)射模塊可以有效輻射各個(gè)角落，且紅外發(fā)射模塊價(jià)格低廉，可以大幅降低智能插座的成本，因此具有很大的實(shí)際使用意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要包括手機(jī)端、云平臺(tái)、主節(jié)點(diǎn)和智能插座子節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103單片機(jī)，該芯片具有體積小、處理速度快、造價(jià)成本低等優(yōu)勢。用戶使用時(shí)，將手機(jī)端的控制信號(hào)發(fā)送給云平臺(tái)，云平臺(tái)通過4G模塊轉(zhuǎn)發(fā)給綁定的主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)接收到指令并解析，通過紅外發(fā)射管向智能插座發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[5-6]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的消息流轉(zhuǎn)功能，實(shí)現(xiàn)消息的快速流轉(zhuǎn)，一般不會(huì)出現(xiàn)消息卡頓或者丟包的情況。

手機(jī)和主節(jié)點(diǎn)均通過阿里云的三元組信息連接阿里云虛擬設(shè)備，然后借助阿里云消息流轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)消息的流轉(zhuǎn)與發(fā)送[7]。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能插座系統(tǒng)硬件由主節(jié)點(diǎn)和智能插座從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

2.1 主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

插座節(jié)點(diǎn)的硬件原理如圖2所示?？梢钥闯?，智能插座硬件由STM32F103單片機(jī)、紅外模塊、EC200S、AC-DC電源構(gòu)成。

圖2 主節(jié)點(diǎn)原理

（1）主控芯片

本系統(tǒng)的主控芯片采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微處理器 STM32F103RCT6。Cortex-M3內(nèi)核的設(shè)計(jì)集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)于一體，滿足嵌入式領(lǐng)域的要求。STM32F103RCT6最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口，4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器。還包含先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C，3個(gè)SPI，2個(gè)I2S，1個(gè)SDIO，5個(gè)USART，1個(gè)USB和1個(gè)CAN，其豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，降低了設(shè)計(jì)成本。

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要以STM32F103RCT6作為主控芯片，通過串口接收并處理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

（2）紅外發(fā)射模塊

紅外發(fā)射與接收電路采用三極管、紅外發(fā)射與接收對(duì)管實(shí)現(xiàn)，其原理如圖3所示。Q2三極管產(chǎn)生基波信號(hào)，對(duì)其門極提供38 kHz的方波基波信號(hào)。Q1三極管為發(fā)送控制三極管，將其接在串口發(fā)送引腳上，可將發(fā)送的消息加載在基波信號(hào)上。

圖3 紅外模塊電路

需要注意的是，由于該電路由發(fā)射管和接收管構(gòu)成，且串口通信為異步通信，因此接收和發(fā)送相互獨(dú)立。在發(fā)送時(shí)，需要注意關(guān)閉接收中斷，或者使用隔檔將發(fā)射管和接收管隔離開，以避免發(fā)送端自接收的情況出現(xiàn)。

（3）EC200S模塊

“你還想怎么復(fù)雜？”蘇秋琴笑道，“爛眼阿根的死跟我有啥關(guān)系？我家的玉米地不遮不攔的，誰都可以死在那兒。”

EC200S-CN是移遠(yuǎn)通信推出的LTE Cat 1無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mb/s和最大上行速率5 Mb/s，具有超高的性價(jià)比。如圖4所示，主節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的通信采用4G模塊EC200S實(shí)現(xiàn)。由于4G模塊在使用時(shí)，啟動(dòng)天線需要約1 A的啟動(dòng)電流，會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)造成瞬間沖擊響應(yīng)，容易使線性電源電壓拉低，導(dǎo)致單片機(jī)和4G模塊重啟的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此在使用時(shí)需要為4G模塊配備一個(gè)47 μF的鉭電容進(jìn)行儲(chǔ)能，為芯片啟動(dòng)瞬間提供足夠的電流支持，以保障嵌入式系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，并增強(qiáng)其抗干擾能力。SIM模塊的信號(hào)腳使用PVS二極管進(jìn)行保護(hù)，防止擊穿，選擇濾波電容為信號(hào)提供保障。

圖4 EC200S模塊電路

（4）AC-DC模塊

電源部分采用金升陽出品的AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V交流電改為5 V直流電，再使用線性電源芯片AMS1117和LM1085將5 V電壓降為3.3 V，為單片機(jī)和EC200S模塊供電。AC-DC電源模塊電路如圖5所示。

圖5 AC-DC電源模塊電路

2.2 智能插座從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

智能插座從節(jié)點(diǎn)原理如圖6所示，主要包括STM32F103單片機(jī)、繼電器模塊、紅外模塊、AC-DC電源模塊。智能插座接收主節(jié)點(diǎn)下發(fā)的控制指令，接收后解析消息指令，判斷地址位的地址是否與其地址相同，若相同則執(zhí)行該指令，反之則不執(zhí)行指令[8-9]。

圖6 智能插座從節(jié)點(diǎn)原理框圖

智能插座從節(jié)點(diǎn)繼電器電路如圖7所示。由于使用場景為控制家用電器的繼電器開關(guān)，因此可直接插在插座上使用，使用市電為控制器供電。利用轉(zhuǎn)換芯片將220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電給單片機(jī)供電，并驅(qū)動(dòng)繼電器吸合和關(guān)斷。系統(tǒng)使用聯(lián)動(dòng)繼電器，一個(gè)繼電器聯(lián)動(dòng)兩路信號(hào)，觸電可承受閾值為AC 10 A。為防止吸合瞬間浪涌破壞單片機(jī)，加裝續(xù)流二極管保護(hù)電源。

圖7 智能插座從節(jié)點(diǎn)繼電器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體上可分為主節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)、紅外傳輸消息編碼、上位機(jī)綁定主節(jié)點(diǎn)、智能插座從節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)。

3.1 主節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)

圖8所示為4G模塊連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)流程。單片機(jī)通過串口對(duì)4G模塊串口發(fā)送AT指令控制4G模塊打開MQTT協(xié)議，并輸入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)備賬號(hào)、密碼和IP地址。連接成功后，命令模塊設(shè)置為發(fā)布模式，返回成功后，嘗試推送消息，若推送成功，則表示已成功連入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

圖8 連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)流程

3.2 紅外傳輸消息編碼

圖9所示為紅外編碼的消息指令格式。包頭表示數(shù)據(jù)開始傳輸。中間夾著6個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)包。接收設(shè)備接收到后解析數(shù)據(jù)包和校驗(yàn)位，如果錯(cuò)誤則解析下一個(gè)數(shù)據(jù)包，直到解析到正確的數(shù)據(jù)包為止。這樣可以有效降低環(huán)境光的干擾，還能提高容錯(cuò)率，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖9 紅外消息指令格式

3.3 上位機(jī)綁定主節(jié)點(diǎn)

圖10所示為用戶通過手機(jī)端綁定主節(jié)點(diǎn)UML圖。用戶在使用手機(jī)軟件時(shí)，第一次登錄需要綁定主節(jié)點(diǎn)MAC地址，建立手機(jī)端與主節(jié)點(diǎn)的通信線路。搭建好手機(jī)端與主節(jié)點(diǎn)的通信線路后，主節(jié)點(diǎn)會(huì)將其下所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)送到手機(jī)端并顯示在列表中，用戶可以對(duì)其命名或進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單一控制或者場景控制等聯(lián)控效果。

圖10 綁定主節(jié)點(diǎn)UML圖

3.4 智能插座從節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)

圖11所示為新設(shè)備連接進(jìn)入主節(jié)點(diǎn)的UML圖。當(dāng)用戶將新購買的智能插座加入家中節(jié)點(diǎn)時(shí)，只需將智能插座插在插座上即可供電。此時(shí)，智能插座發(fā)送紅外信號(hào)，向主節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求地址碼，主節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求消息后，會(huì)為智能插座分配本網(wǎng)絡(luò)下唯一的地址碼，以實(shí)現(xiàn)不同智能插座之間的單獨(dú)控制。

圖11 智能插座綁定主節(jié)點(diǎn)UML圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在主節(jié)點(diǎn)中，由于受用戶使用環(huán)境的影響，如信號(hào)不佳或網(wǎng)絡(luò)卡頓等原因?qū)е略O(shè)備掉線，從而產(chǎn)生手機(jī)端無法控制設(shè)備的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此在主節(jié)點(diǎn)中專門采用獨(dú)立的線程用來處理異常情況，例如，設(shè)備連接失敗或者設(shè)備掉線等，考慮采取相應(yīng)的代碼重連接。

經(jīng)過測試，設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長十天未出現(xiàn)掉線重連情況。

在紅外通信過程中，由于該方式容易出現(xiàn)錯(cuò)碼，考慮采用連發(fā)5次的方式實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，準(zhǔn)確率可以達(dá)到99.99%。在光線環(huán)境較為惡劣的情況下，依舊可以實(shí)現(xiàn)95%以上的準(zhǔn)確率。表1為5次發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的結(jié)果。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文介紹了一種基于STM32和4G技術(shù)的紅外智能插座系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)可以依托現(xiàn)有家中電氣，無需更換為智能物聯(lián)網(wǎng)家電，即可實(shí)現(xiàn)簡單的開關(guān)斷電控制，從而有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備重啟或者關(guān)閉耗電設(shè)備，通過遠(yuǎn)程操控，為工作繁忙的年輕人或者差旅人士提供了方便、快捷的家用電氣遠(yuǎn)程控制解決方案。

由于紅外模塊價(jià)格低廉，使用方便，因此可以大幅降低無線控制設(shè)備的成本，受到市場歡迎。隨著智能家居系統(tǒng)的快速發(fā)展，該智能插座系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越廣泛，推廣前景和應(yīng)用價(jià)值良好。