多功能智能插座設計

李元吉　林德麗

摘 要：智能家居在物聯網中占有很重要的，文章以智能插座為例來闡述智能家居的整體功能。智能插座使用arduino單片機，ESP8266串口WIFI模塊，可以使用微信平臺和家用電器上實現交互式控制、遠程控制、微平臺還可以實現社會網絡物聯網與智能家居系統推廣，產品將會有良好的市場前景。

關鍵詞：智能插座；arduino；esp8266串口wifi

1 智能插座發展現狀

傳統的電源插座僅僅是電路的拓展，而智能插座一般都有著相應的智能化的功能，智能插座和傳統的插座在外觀和功能上有著明顯的差異。當前的市場上已經出現了多種不同功能的智能插座，他們內部嵌有智能集成芯片或微處理器，能夠完成初步的智能處理，但目前的都存在功能較為單一的缺點，難以與物聯網進行相應的契合，不能滿足智能家居系統的需求。

2 系統設計方案

2.1 主要技術

ESP8266是一款高度集成的芯片，該芯片專門針對無線連接的需求而開發，是一個完整且自成系統的Wi-Fi網絡解決方案。它能夠搭載軟件應用，也能通過另一個應用處理器卸載所有的Wi-Fi網絡功能。

ESP8266芯片是專門為無線連接而設計的，是一個擁有獨立的Wi-Fi網絡的完整系統解決方案。它可以攜帶的應用軟件，也能通過應用卸載Wi-Fi網絡功能。ESP8266具有良好的處理能力和存儲功能，使傳感器可通過GPIO端口來進行控制相關的設備，既縮短前期開發時間，也最大限度減少運行中系統資源的占用。達到縮短開發時間和減少早期資源使用的目的。ESP8266高度集成在芯片中，只有很少的外部電路，包括它的前端模塊，包括整個解決方案，使設計的空間占用達到最小。

HC05藍牙模塊與屬于HC民用級串口藍牙模塊。可用于各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA等智能終端配對，兼容單片機系統。當主從模式兩個藍牙模塊配對成功后。

2.2 設計模塊

主控制器：主控制器主要由一片arduino單片機構成，是整個智能插座的核心，負責整個系統的測量、控制、通信、管理。

通信模塊：智能插座通過無線通信模塊與主控制器進行數據交互，我們設計的智能插座利用esp8266串口WIFI模塊以及藍牙模塊作為通信模塊，實現遠程控制插座的通斷電以及將主控器采集的功率等數值傳上互聯網實現，在遠程可查看相關數據以及完成家電設備的控制。

按鍵電路：采用單按鍵的輸入方式觸發外部中斷，用于開啟定時模式，以及完成定時時間的設定。

信號檢測模塊：通過分壓電阻和錳銅片將電壓電流功率信號，經過信號轉換輸入到測量芯片ATT7022B，此芯片內有A/D轉換和數字運算電路，可以計算電壓電流等有效值和功率的計算，生成數據流。

傳感器模塊：由于本系統中很多模塊都會耗電，在無人使用時可關掉總電源，因此可用主動式紅外模塊監測智能插座是否有人使用，若無人使用，則關掉電源，已達到節電的目的。

繼電器模塊：繼電器是利用單片機高低電平控制插座通斷電的橋梁，可實現小電壓控制大電壓。

3 軟件設計方案

軟件設計主要實現插座上沒有連接電器時自動斷電、用戶可遠程控制插座的通斷電、用戶可手動設置讓插座定時通斷電這三個功能。

首先進行初始化，設置好端口并初始值，紅外傳感器用于檢測插座上是否有遮擋物（即是否有插頭在使用），若有插頭使用，用戶可以通過手機終端控制繼電器的開與關進而控制插座的通斷電；若無插頭使用，則繼電器無法打開，插座不能通電。另外使用循環程序設置定時時間。而藍牙模塊的功能則是用與終端設備的通信，如本實驗使用的手機終端，當手機發送“開”或“關”的指令后，藍牙模塊接收到并進行響應。初始化的設定包括個引腳的定義，初始電平，按鍵一次的延時時間和波特率。

延時部分，為避免按鍵擾動設置有20ms的延時，檢查引腳3（該引腳連接按鍵，按下對應為“0”）是否為“0”，若為“0”則延時加1000ms，若沒有延時指令則引腳3寫入高電平。因此可以通過多次按鍵實現延時時間的累計。當然這里為了便于觀察現象設置time為1000ms，也可以增大按鍵一次所延時的時間，以滿足用戶的需求。

按鍵部分，使用MsTimer2庫函數，它是一個定時器中斷函數，當time溢出時就跳轉至timing_switch，結束中斷。使用這個函數時需要事先在Arduino的函數庫中導入該函數文件或自己編寫。

按鍵掃描部分，為了解決并不是要進行定時設置卻碰到了按鍵，會出現錯誤的響應，加入按鍵掃描的檢查。首先做一次按鍵檢查，判斷按鍵是否按下，若按下，延時20ms后再次檢查，若仍為按下則進行確認。這樣就需要我們在按鍵時停頓一會，避免了擾動產生的問題。

繼電器的開關控制，首先接收藍牙終端發過來的ASCII碼并判斷，若設置“ON！”和“OFF！”接收到為“ON！”則打開繼電器，接收到為“OFF！”則關閉繼電器，從而實現對插座的通斷電控制。

紅外傳感器障礙物檢測，紅外傳感器通過紅外線的反射來檢測障礙物，如果有障礙物則可以控制插座開關，如果無障礙物返回高電平，無法打開繼電器。

4 結束語

該多功能智能插座從智能家居標準的角度考慮，除具有電源分配功能外，還應該擁有過載漏電的保護功能；定時，利用定時器，使智能插座中在指定的時間節點進行斷電操作，便于自動控制，為電氣和電子設備進行預約延時功能；遠程控制，使用Wi-Fi連接，通過板載通信模塊實現對家用電器的遠程控制，實現自動開啟、關閉；電量檢測，計算并查看在一定的時間內消耗的電能和設備的電流功率。

參考文獻

[1][美]MassimoBanzi.愛上Arduino[M].于欣龍，郭號 譯.人民郵電出版社，2011.

[2]楊欣，萊洛克斯，王玉鳳，等.電子設計從零開始[M].清華大學出版社，2010.

[3]陳海旺，張振娟，黃明.智能家居中無線智能插座的涉及[J].電視技術，2013.

作者簡介：李元吉（1994，04-），男，山東煙臺，本科在讀，研究方向：計算機科學與技術。

指導教師：林德麗（1983，09-），女，山東日照，講師，碩士，計算機科學與技術。