基于RFID的智能型安全插座

洪達馳，陳家興，張 榆，王衛星

（1.華南農業大學 廣東 廣州 510642；2.華南理工大學 廣東 廣州 510641）

近年來，因家用電器引起的火災事故造成了巨大的經濟損失。根據公安消防局的統計數據看，每年我國因為電器火災發生的事故都超過30 000起，其中由家用電器故障引起的火災占到火災事故總數的20%以上[1-3]。然而，國內插座自動斷電效果并不明顯，例如，傳統插座的自動斷線是依靠插座內部自帶的保險絲，在用電器超過其額定電流而沒有超過保險絲的熔斷電流值時，用電器因短路而自燃；定時插座依靠設定自動斷電的時間，讓插座在設定的時間內實現自動斷電的功能，但沒有實現實時檢測用電器的電流值；功率測量插座可以對用電器實時的功率進行測量并且可以設定自動斷電的電流值，但不能夠實現檢測用電器實時電流值。所述的插座不能夠根據各種用電器的額定電流進行實時的監測與自動斷電。

針對上述問題，文中設計一種基于RFID的智能型安全插座，采用電子標簽嵌入在各用電器插頭中，通過RFID無線射頻技術讀取電子標簽額定電流值，采用電流互感器模塊實時測量交流電流值，進而實現自動斷電功能。

1 系統概述與結構

當各用電器的電子標簽進入插座RFID閱讀器的讀寫區域，RFID閱讀器將信號反饋到微控器STC12C5A60S2[4]，微控制器通過LCD1602顯示模塊顯示電子標簽各用電器的額定電流值，并且實時通過A/D轉換[5]與電流互感器模塊讀取當前各用電器實時的電流值。當用電器實時的電流值超過電子標簽上的額定電流值時，實現自動斷電功能，從而實現對家庭電路的保護功能并且有效的避免火災的發生。圖1是系統整體結構圖。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System block diagram

微控制電路：由STC12C5A60S2微控制器、RFID閱讀器、電流互感器模塊、LCD1602顯示模塊與繼電器構成。

用電器插頭結構：各種用電器插頭依附標志著各種用電器額定電流的電子標簽。

2 微控制硬件電路設計

2.1 微控制器

微控制器是微控制電路的核心，微控制電路要求低功耗且抗干擾能力強，同時要能夠通過A/D轉換實時讀取電流互感器模塊。本文采用宏晶公司的STC12C5A60S2，工作正常電壓在3.5～5.5 V范圍內[6]，滿足低功耗要求。

2.2 RFID閱讀器模塊

本文采用NXP公司MFRC522高度集成的非接觸式IC讀寫卡芯片，工作正常電壓在2.5～3.3 V范圍內，無需外部電路并且支持SPI接口，滿足電路工作要求[7－8]。

2.3 電流互感器模塊

文中采用思修電子工作室SX－AC－A05交流電流互感器模塊，測量額定電流在0～5 A范圍內，測量時只需將被測信號導線穿過互感器圓孔，并且具有體積小與精度高的特點，適用于電力測量與保護。

2.4 電源管理模塊

系統采用24 V電源適配器對電流互感器模塊進行供電，經過低壓差線性穩壓器LM7812與LM7805降壓為5 V為微控制器STC12C5A60S2供電，再經過AMS1117降壓為3.3 V為RFID閱讀器進行供電。

3 插頭結構設計

電子標簽選用非接觸式IC卡并且存儲各用電器額定電流值，將電子標簽嵌入各種用電器插頭，圖2為用電器插頭示意圖。

圖2 用電器插頭示意圖Fig.2 Electrical plug diagram

4 軟件設計

初始化微控制器端口、RFID閱讀器、LCD1602顯示模塊、A/D轉換以及定時器，當附有電子標簽插頭進入RFID閱讀器讀寫區域時，RFID閱讀器將信號反饋到微控制器，微控制器讀取電子標簽存儲的額定電流值，通過LCD1602顯示模塊顯示用電器的額定電流值并且開啟繼電器。當用電器開啟工作后，微控制器通過電流互感器實時檢測用電器的工作電流值。當用電器工作電流值超過額定電流值時，微控制器立即關閉繼電器停止供電。圖3為主程序流程圖。

5 實驗結果與分析

實驗電壓為交流電220 V，智能型安全插座與福祿克型號17B的數字萬用表對各用電器的工作電流進行測量，共實驗5次，記錄各測量電流值，計算智能型安全插座與實測電流值的誤差結果，實驗結果如表1所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow

表1 基于RFID的智能安全插座測試Tab.1 Security socket RFID-based intelligent

通過上述測試，可知基于RFID的智能安全插座的測量電流的平均相對誤差為3.412%。從上述實驗可得基于RFID的智能安全插座的電流測量效果好，從而實現對家庭線路的保護。

6 結 論

文中針對傳統插座不能夠實現超過額定電流斷電功能，從RFID無線射頻技術以及用電器插頭結構出發，將電子標簽嵌入各用電器插頭結構中，能夠實現對不同的用電器進行智能斷電功能，從而保護用電器與家庭用電線路。本文分別從微控制硬件電路設計、插頭結構設計、軟件設計等方面闡述基于RFID智能型安全插座的設計方案與實現過程。本設計解決傳統插座不能夠智能斷電的問題，解決用電器的短路問題，從而避免了因家用電器短路而引起的火災。

[1]殷小東.家用電器火災原因和調查方法的研究[J].中國西部科技，2013（9）:91，96.YIN Xiao-dong.Study of fire cause and investigationmethod for home appliance[J].West China Technology，2013（9）:91，96.

[2]劉肖巖.電器產品火災危險性統計數據分析[J].消防技術與產品信息，2011（10）:83-85.LIUXiao-yan.Analysisofappliances fire risk statisticaldata[J].Fire Technique and Products Information，2011（10）:83-85.

[3]王俊輝.家用電器火災原因及預防技術 [J].中國科技財富，2010（12）:121.WANG Jun-hui.Fire cause and prevention technology of household appliances[J].China Technology Fortune，2010（12）:121.

[4]王衛星.單片機原理與開發技術[M].2版.北京:中國水利水電出版社，2012.

[5]楊峰，胡彬，羅青青.STC單片機AD轉換及EEPROM使用[J].數字技術與應用，2011（9）:169-171.YANG Feng，HU Biao，LUO Qing-qing.Conversion of STC microcontroller AD and use of EEPROM[J].Digital Technology and Application，2011（9）:169-171.

[6]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機手冊[EB/OL].（2012）.http://www.stcmcu.com/.2012.

[7]周立功單片機發展有限公司.MFRC522非接觸式讀卡器手冊[EB/OL].（2007）http://www.zlgmcu.com.

[8]恩智浦.MFRC522數據手冊[EB/OL].（2013）.http://www.www.nxp.com.