基于物聯網的智能插座的設計

符長友 雷志勇 李行

摘 要： 針對傳統電源插座的缺陷與功能不足，利用電能參數自動檢測、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網的智能插座。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、功率等電能參數是否超過插座所能提供的最大電壓、電流、功率等參數，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生，而且還能有效防止插座傷害孩子事故的發生。結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 智能插座； 物聯網； 電氣參數； 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生率一直居高不下，每年約占火災總起數的25%，年均損失約占總損失的36%，給國民經濟和人民生活造成巨大的損失[1?2]。有關數據表明，超過70%的電氣火災是由于高于電源插座內的斷電器所要求的安全電壓或電流造成[3]。而傳統的電源插座不具備電能參數自動檢測功能，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生。與此同時，我國每年大約有超過數千人因為觸摸電源插座而發生觸電或燒傷事故[4]。究其原因，主要是因為傳統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網的智能插座。

1 系統構成與工作原理

基于物聯網的智能插座由智能電源插座與智能管理系統（軟件）構成，二者之間通過WiFi無線通信方式進行數據交換，如圖1所示。智能電源插座由電能參數實時監測、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嵌入一個RFID（Radio Frequency Identification）電子標簽（該標簽內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），智能電源插座內嵌入一個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。當感知到沒有電器設備接入，智能電源插座內的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生。當感知到有電器設備接入，智能電源插座內的電能參數計量模塊，實時感知出當前電氣設備的電壓、電流、功率等電能參數。然后智能電源插座內的MCU通過RFID方式，讀取電子標簽內的電器設備的額定電壓、額定電流、額定功率等電能參數，與電源插座所感知的電能參數作對比、分析、判定，即可知曉智能電源插座所能提供的電能參數是否滿足電器設備所需的電能參數。如果當前電器設備工作時的電能參數超出智能電源插座所能提供的電能參數，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未超出智能電源插座所能提供的電能參數，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。這樣，將有效地避免電氣火災發生，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，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；

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

2 系統硬件設計

2.1 嵌入式MCU

微處理器是整個系統的核心部分，負責數據的采集、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[5]，其電路設計如圖3所示。

2.2 電能參數計量

電能參數計量采用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；支持5 000∶1的動態范圍；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）和一個內置的數據組幀引擎。對于具有所有組幀和板上同步任務（ISO模式，默認）的ISO14443，它支持的數據速率高達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]。可通過使用器件提供的兩個直接模式來執行其他標準，甚至執行定制協議。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據或者非成幀數據（但已經是ISO格式數據）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、射頻收發單元以及功率放大器；嵌入式的固件則支持WiFi協議及配置，以及組網的TCP/IP協議棧。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等多種網絡協議，支持標準的AT指令操作[8]。其電路設計如圖6所示。

3 系統軟件程序設計

3.1 程序設計流程圖

基于物聯網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 電能參數采集程序

電能參數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 系統測試數據

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，其測試數據結果如表1和表2所示。

4.2 電能參數準確度測試結果

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。然后用專業的電能參數計量儀器，即PQ3000測量，再將二者所測試的數據進行對比，所比對的電能參數結果如表3所示。

表2 隔1堵墻的條件下的通信距離測試數據

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

基于物聯網的智能插座不僅能實時監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，而且如果電能參數超出插座所能提供的額定電能參數時，插座會自動給電器設備斷電并預警，以防止發生電氣火災。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，從而有效避免觸電或被燒傷事故的發生。

此外，用戶可通過WiFi遠程控制智能插座的開關。基于物聯網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，物聯網智能插座，有著廣泛的市場應用前景和社會需求

參考文獻

[1] 張寶虎.電氣防火安全檢測工作的實踐與思考[J].中國新技術新產品，2010（24）：254.

[2] 張海明.電氣火災的預防與滅火[J].卷宗，2014（9）：230.

[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.

[4] 包福元.防范人身觸電事故[J].中國電力企業管理，2008（20）：18.

[5] Texas Instruments. Datasheet of MSP430F4260 [EB/OL]. [2013?03?11].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdf.

[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.

[8] 深圳市點創科技有限公司.WiFi801D數據手冊V1.3[M].深圳：深圳市點創科技有限公司，2013.

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