云連接的智能電源插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：針對(duì)目前傳統(tǒng)插座安全隱患大且功能單一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于云端技術(shù)的智能電源插座。該設(shè)計(jì)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，融合了單片機(jī)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、繼電器控制和環(huán)境監(jiān)測(cè)等技術(shù)，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)控制。通過(guò)該插座節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的工作環(huán)境監(jiān)控、工作狀態(tài)檢測(cè)、異常報(bào)警等功能。這一設(shè)計(jì)使得電器使用變得更加智能和透明，還能有效預(yù)防用電事故的發(fā)生。此外，由于該智能插座使用通用網(wǎng)絡(luò)接口，因此具有廣泛的適用性和較高的靈活性，擁有較大的推廣潛力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；WiFi；單片機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；繼電器控制；智能家居

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-0-05

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，智能家居領(lǐng)域的科技發(fā)展熱度持續(xù)上升，人們樂(lè)于將科技融入生活中，享受智能化所帶來(lái)的便捷和科技感。然而，由于市場(chǎng)上的智能產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、用戶用電安全意識(shí)相對(duì)不足等原因，火災(zāi)[1-2]、用戶觸電[3]等事故時(shí)有發(fā)生。如今居民住宅呈現(xiàn)高層化、入住密度高的特點(diǎn)，用電安全性和可監(jiān)控性已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[4]。

目前市場(chǎng)上的傳統(tǒng)電源插座一般無(wú)法實(shí)時(shí)顯示電器的使用狀態(tài)，用戶難以監(jiān)控其安全性。在某些情境下這種插座存在極大的安全隱患，特別是對(duì)于一些獨(dú)居老人而言，因?yàn)樗麄兛赡軙?huì)忽視用電器的使用狀態(tài)而引發(fā)火災(zāi)等重大事故。又由于老年人行動(dòng)不便，無(wú)法及時(shí)救火或逃離，最終釀成悲劇。因此實(shí)現(xiàn)用電器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程預(yù)警及遠(yuǎn)程控制就變得尤為重要[5]。

本設(shè)計(jì)融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。用電設(shè)備只要接入該節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)便能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，包括功耗、電壓、電流等各項(xiàng)參數(shù)[6]。該設(shè)計(jì)能提供多重用電保護(hù)功能，包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、用電狀態(tài)異常報(bào)警（現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器報(bào)警和遠(yuǎn)程手機(jī)端報(bào)警），并在必要時(shí)自動(dòng)切斷電源。除此以外，用戶還可以通過(guò)手機(jī)端設(shè)置用電設(shè)備的智能啟停，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

智能插座的控制芯片為STM32F103C8T6，嵌入單片機(jī)最小系統(tǒng)電路及物聯(lián)網(wǎng)芯片作為核心電路。引入繼電器控制及穩(wěn)壓濾波等電路技術(shù)作為支持，以增強(qiáng)系統(tǒng)的完整性。正常工作時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)芯片向云端發(fā)送數(shù)據(jù)，與手機(jī)終端進(jìn)行匹配并建立連接，從而實(shí)現(xiàn)控制電路與終端的無(wú)線連接及數(shù)據(jù)雙向傳輸。終端向下位機(jī)發(fā)送信息，下位機(jī)通過(guò)讀取和解析數(shù)據(jù)信息，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制操作，實(shí)現(xiàn)精確有效的遠(yuǎn)程控制。

1.2 設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，可分為手機(jī)移動(dòng)端、云服務(wù)和各智能插座子節(jié)點(diǎn)3大部分。云服務(wù)通過(guò)ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)連接，通過(guò)授權(quán)可接入其他通用平臺(tái)，通過(guò)設(shè)置可接受多節(jié)點(diǎn)即多個(gè)插座的連接，通用性及靈活性高；主控芯片選擇STM32F103C8T6，該芯片體積小、造價(jià)低，最重要的是其處理速度快。智能插座通過(guò)STM32實(shí)時(shí)監(jiān)控用電器的工作電流、電壓等數(shù)據(jù)并上傳至云端，再返回手機(jī)端；若是用電器工作異常，用戶可及時(shí)通過(guò)手機(jī)操作將用電器斷電，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能插座硬件主要包括AW22-24W2405V交流轉(zhuǎn)直流降壓模塊、AMS1117降壓模塊、繼電器控制器、ACS712電流檢測(cè)模塊、STM32F103C8T6主控制器、ESP8266 WiFi模塊[7-8]。各模塊功能見(jiàn)表1。

2.1 STM32主控板電路設(shè)計(jì)

主控模塊使用STM32F103C8T6，它是由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，主頻可達(dá)到72 MHz，程序存儲(chǔ)器容量高達(dá)64 KB，工作溫度范圍為-40～85 ℃，工作電壓范圍為2～3.6 V，適用于各種低功耗及低成本的應(yīng)用場(chǎng)景，被人們廣泛地應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中[9-10]。STM32F103C8T6帶有多個(gè)定時(shí)器，支持多路ADC采集功能，擁有靈活的中斷優(yōu)先級(jí)響應(yīng)機(jī)制。

STM32F103C8T6主控電路如圖2所示。

2.2 AW22-24W2405V AC-DC降壓模塊

AW22-24W2405V是一款24 W小功率交流轉(zhuǎn)直流降壓模塊，提供雙路輸出（24 V和5 V），支持寬電壓范圍輸入（85～264 V），即最高可承受264 V的輸入電壓，且雙路輸出的最大總功率為24 W。

該模塊具有體積小、超低紋波噪聲、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、短路保護(hù)、隔離耐壓等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于本文的智能電源插座應(yīng)用場(chǎng)景。

2.3 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊是一款高性能的UART-WiFi（串口-無(wú)線）模塊，其核心是基于單核32位MCU的WiFi芯片。該模塊的特點(diǎn)是擁有高性能無(wú)線SoC、成本低，是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)方案，既能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從設(shè)備（slave）搭載在其他主機(jī)（host）上運(yùn)行。通過(guò)集成ESP8266 WiFi模塊，系統(tǒng)能夠接入云端，從而實(shí)現(xiàn)與手機(jī)移動(dòng)端之間的間接通信。ESP8266原理圖如圖3所示。

2.4 ACS712電流檢測(cè)傳感器

ACS712是一款基于霍爾效應(yīng)原理的電流檢測(cè)傳感器，具有低漂移和高精度的特性，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電流的大小，實(shí)現(xiàn)精確的電流測(cè)量和能耗監(jiān)控功能。該傳感器能將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供微控制器處理的電壓信號(hào)，便于MPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。因ACS712具有靈敏度高、使用方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，非常適用于本設(shè)計(jì)中的電流電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)。

2.5 AMS1117降壓模塊

AMS1117降壓模塊是一個(gè)線性穩(wěn)壓器，具有低輸入輸出電壓差和高電流輸出能力，能夠提供穩(wěn)定的輸出電壓，適應(yīng)各種負(fù)載環(huán)境。AMS1117還具有短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等功能，能夠確保設(shè)備在異常條件下仍能正常運(yùn)行。因其優(yōu)異的性能和緊湊的封裝，被廣泛應(yīng)用于各種低電壓、低功耗的電子設(shè)備中。本設(shè)計(jì)利用AMS1117芯片生成穩(wěn)定的3.3 V直流電源，為STM32主控芯片供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 云端軟件設(shè)計(jì)

用戶移動(dòng)手機(jī)端和云端服務(wù)器的主要職責(zé)是持續(xù)監(jiān)測(cè)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)端口。一旦捕捉到請(qǐng)求，它們會(huì)立即將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的服務(wù)。針對(duì)請(qǐng)求的內(nèi)容，如果涉及的是靜態(tài)文件，系統(tǒng)會(huì)直接在指定位置查找并讀取數(shù)據(jù)。然而，如果請(qǐng)求采用MQTT協(xié)議，那么在處理過(guò)程中，首先需要驗(yàn)證賬號(hào)和密碼的正確性。驗(yàn)證通過(guò)后，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，最后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至訂閱該主題的客戶端。該操作流程可確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和高效性。

本項(xiàng)目的云端采用的是巴法云平臺(tái)。在平臺(tái)上創(chuàng)建專屬的主題，通過(guò)訂閱這些主題實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間的信息交互。手機(jī)可以通過(guò)已獲取的數(shù)據(jù)信息來(lái)控制單片機(jī)，同時(shí)單片機(jī)也能將相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)。

首先，在巴法云上的賬號(hào)和私鑰UID如圖4所示。在該平臺(tái)創(chuàng)建主題，單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)并訂閱這個(gè)主題后就可以向這個(gè)主題發(fā)送信息，同時(shí)接收這個(gè)主題推送的消息，如圖5所示。

系統(tǒng)通過(guò)ESP-01S模塊實(shí)現(xiàn)WiFi通信。在模塊接入系統(tǒng)之前，首先需要通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL接口將其連接到電腦上，這樣可以通過(guò)串口調(diào)試工具將模塊的波特率設(shè)置為9 600。完成這些設(shè)置后，就可以順利地進(jìn)行系統(tǒng)與WiFi之間的通信了。圖6展示了ESP-01S的程序流程。

3.2 智能插座終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。智能插座上電之后，首先會(huì)檢查網(wǎng)絡(luò)配置并通過(guò)ESP8266 WiFi模塊與云端服務(wù)器進(jìn)行連接，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。待連接MQTT服務(wù)器成功且各個(gè)模塊初始化成功后，智能插座終端會(huì)關(guān)注相應(yīng)主題，接著進(jìn)入一個(gè)持續(xù)執(zhí)行的while（）主函數(shù)，以執(zhí)行相關(guān)指令。在此循環(huán)中，智能插座需持續(xù)檢查服務(wù)器是否有消息傳來(lái)。一旦有消息，智能插座會(huì)解析信息內(nèi)容，然后根據(jù)解析結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)操作，優(yōu)先執(zhí)行來(lái)自服務(wù)器的指令，如控制繼電器切斷用電器的電源等；如果沒(méi)有，則實(shí)時(shí)獲取更新用電器的各項(xiàng)指數(shù)，并顯示在OLED上，同時(shí)上傳到云端，最后通過(guò)云端發(fā)送到手機(jī)。在這個(gè)過(guò)程中，智能插座能夠及時(shí)接收并處理來(lái)自服務(wù)器的指令，確保系統(tǒng)運(yùn)行高效穩(wěn)定。

本設(shè)計(jì)使用了巴法云平臺(tái)的微信小程序框架，以巴法云模板工程為基礎(chǔ)，參考模板相關(guān)代碼，對(duì)微信小程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。所使用的軟件為微信開(kāi)發(fā)者工具，并使用WXML、WXSS和JavaScript語(yǔ)言進(jìn)行編程。

小程序界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，用戶打開(kāi)小程序即可看到插座的電壓、電流、功率和溫度。通過(guò)小程序界面上的按鈕也可以實(shí)現(xiàn)插座的遠(yuǎn)程通斷操作。應(yīng)用界面如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)各個(gè)部分工作正常后，開(kāi)始對(duì)插座正常供電，智能插座開(kāi)機(jī)后正常運(yùn)行，等待服務(wù)器的連接及各模塊初始化成功。各個(gè)模塊不斷地監(jiān)測(cè)用電器狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控板，數(shù)據(jù)通過(guò)OLED顯示后被發(fā)送到云端，最終可以在手機(jī)移動(dòng)端觀察到相應(yīng)數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令，使智能插座啟動(dòng)繼電器、警報(bào)器等相應(yīng)功能。產(chǎn)品實(shí)物如圖9所示。

經(jīng)過(guò)檢測(cè)，設(shè)備在空載狀態(tài)下運(yùn)行正常，且各項(xiàng)指標(biāo)均在誤差范圍內(nèi)。隨后為設(shè)備施加不同功率的負(fù)載，檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行情況及各項(xiàng)參數(shù)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在設(shè)備正常工作的情況下進(jìn)行高低溫、靜電、浪涌沖擊、泄露電流、絕緣電阻等硬件測(cè)試，觀察設(shè)備在這些極端條件下是否能夠正常運(yùn)行以及出現(xiàn)的問(wèn)題，分析并解決問(wèn)題。測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

綜合對(duì)比分析測(cè)試數(shù)據(jù)后可知，系統(tǒng)能準(zhǔn)確地展示控制界面的用電數(shù)據(jù)，充分反映插座的實(shí)時(shí)使用狀況。這意味著用戶通過(guò)智能插座可以精確地了解電氣設(shè)備的使用情況，從而實(shí)現(xiàn)更為有效的節(jié)能和管理。插座的抗干擾性、耐用性都較高，十分有利于設(shè)備的保護(hù)和維修。高安全指數(shù)和管理系統(tǒng)的精確性，使得智能插座成為一款實(shí)用且可靠的智能家居設(shè)備。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于云端的智能電源插座在確保安全的同時(shí)，也注重實(shí)用性，力求在保障安全的前提下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的極致耐用性。該插座以巴法云服務(wù)器為中轉(zhuǎn)站，通過(guò)ESP8266實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制及數(shù)據(jù)傳輸，能夠遠(yuǎn)程控制用電器的通斷，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化、自動(dòng)化。對(duì)比傳統(tǒng)的電源插座，本產(chǎn)品在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了革命性的創(chuàng)新，不僅功能多樣化，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也更加全面和準(zhǔn)確，同時(shí)支持反饋性傳輸?shù)瓤萍夹詣?chuàng)新。

未來(lái)隨著科技的不斷發(fā)展、人們需求的不斷提高，本產(chǎn)品所使用的芯片等組件都具有二次開(kāi)發(fā)潛力，可以根據(jù)人們的需求不斷升級(jí)優(yōu)化。本產(chǎn)品還能結(jié)合大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，將用電數(shù)據(jù)建成數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而分析用電器的老化時(shí)間閾值、使用環(huán)境影響等規(guī)律，幫助人們更好地使用產(chǎn)品，幫助相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)更好地完善升級(jí)產(chǎn)品。

注：本文通訊作者為方展青。

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作者簡(jiǎn)介：王 暢（1980—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理與通信系統(tǒng)、人工智能等。

方展青（2002—），男，研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

收稿日期：2023-11-21 修回日期：2023-12-19

基金項(xiàng)目：韓山師范學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目（0006/520053，HSKC-SZ22708，HSJYS-KC22719）；韓山師范學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目（HSJG-YB231016，HSSYLKC-HH231222）；廣東省普通高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2023KCXTD022）；韓山師范學(xué)院科研平臺(tái)項(xiàng)目（PNB2104）