基于WiFi的智能插座系統(tǒng)設計

李文彬

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

經(jīng)濟水平的提升促使家用電器的種類和數(shù)量不斷增多，同時從安全性和便捷性角度考慮，對插座的整體性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的手工按鈕無法實現(xiàn)遠程操作，除此之外，傳統(tǒng)插座按鈕開關頻繁閉合對插座各個接點在性能和安全性上提出了更高要求。因此，結(jié)合STC89C51單片機在數(shù)據(jù)處理方面的能力，依托WiFi無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)容易、覆蓋范圍適中的優(yōu)勢，運用現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)出一套基于WiFi的可遠程操作且具有較好安全保護性能的智能插座十分必要。

1 系統(tǒng)總體設計

本文智能插座系統(tǒng)根據(jù)家用電器實際使用情況，結(jié)合具體實現(xiàn)功能，借助WiFi數(shù)據(jù)傳輸，通過人機操作界面實現(xiàn)插座上特定插孔通/斷電，進而實現(xiàn)對家用電器的控制。硬件系統(tǒng)主要由以STC89C51單片機為核心的中央控制系統(tǒng)、智能插座遠程數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、漏電保護電路、通/斷電控制電路以及低壓直流變換裝置組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

基于WiFi的智能插座系統(tǒng)主要包括用戶控制系統(tǒng)和智能插座主控兩部分。用戶操作界面通過WiFi將用戶自定義指令以無線信號的形式發(fā)送至智能插座系統(tǒng)。由圖1可知，借助無線WiFi模塊可接收來自用戶操作界面發(fā)送的用戶指令，并將其傳送至中央處理器STC89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理[1]。智能插座接收系統(tǒng)由低壓直流變換裝置提供5 V直流電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出至通/斷電控制電路，控制插線板上單一插孔開關的斷開與閉合，實現(xiàn)指定插孔的通電和斷電，進而控制整個插座的通電和斷電[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 智能插座接收系統(tǒng)

用戶操作界面通過Socket協(xié)議實現(xiàn)特定用戶控制系統(tǒng)和智能插座數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通信。借助WiFi通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)“透傳”，通過智能插座系統(tǒng)電路上的UART串口將數(shù)據(jù)傳送給以STC89C51單片機為核心的中央處理器[3]。

2.2 低壓直流變換裝置

智能插座系統(tǒng)中的低壓直流變換裝置如圖2所示。該裝置主要為智能插座接收系統(tǒng)即WiFi模塊、 STC89C51單片機核心系統(tǒng)提供5 V直流驅(qū)動電壓，為通/斷電控制電路提供12 V直流驅(qū)動電壓。

圖2 低壓直流變換裝置

2.3 通/斷電控制電路

通/斷電控制電路如圖3所示。從系統(tǒng)整體性能和電路本身功能出發(fā)，該電路在電阻部分主要考慮防止誤觸發(fā)的觸發(fā)限流和增強電路抗干擾能力的門極電阻，同時為了建立對雙向可控硅的過壓保護機制，將電容器和特定電阻組成阻容吸收電路。

因此，本控制電路主要由4個電阻、1個電容器、1個二極管、1個雙向可控硅和1個光電耦合器構(gòu)成，共同完成通/斷電控制電路功能。

圖3 通/斷電控制電路

2.4 漏電保護電路

智能插座系統(tǒng)中的漏電保護電路如圖4所示。為了實現(xiàn)家用電器漏電聲光提醒，切實保護家用電器使用者的安全，本插座系統(tǒng)從具體功能、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有成熟技術(shù)，設計了通過底線漏電整流電路、光電耦合器和可控振蕩器組成的漏電保護電路。

圖4 漏電保護電路

當檢測到插在該智能插座上的家用電器有漏電情況時，該電路的相應回路閉合，漏電電流便會由插座CZ的地線孔經(jīng)二極管D1，電阻R9與零線構(gòu)成相應的漏電保護閉合回路，使發(fā)光二極管發(fā)出漏電光信號，同時同步響應報警信號，保護家用電器使用者的安全[4]。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 用戶操作界面設計

用戶操作界面主要由用戶登錄界面和功能操作界面兩部分組成，如圖5、圖6所示。為了有效檢驗操作用戶的合法性，在系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用操作設備所具有的唯一性標識來記錄用戶身份。

圖5 用戶操作登錄界面

圖6 功能操作界面

功能操作界面主要包括插孔通電狀態(tài)描述、插孔通電狀態(tài)燈指示和通/斷電按鈕三部分。插孔通電狀態(tài)描述主要描述插線板上各插孔的通/斷電狀態(tài)。當插孔通電時，指示燈為紅色，如圖6插孔3所示；斷電時指示燈為灰色，如圖6插孔1，2，4所示）。通/斷電按鈕分別控制對應插孔的通/斷電，當對應插孔通電時，通電按鈕為灰色，不可操作，斷電按鈕正常，可操作；反之則通電按鈕可操作，斷電按鈕不可操作。

3.2 STC89C51中央處理模塊

從系統(tǒng)功能、實用性、成本考慮，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)成熟性以及電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面，本系統(tǒng)中央核心處理器選用STC89C51單片機。該單片機作為中央處理模塊，主要完成對智能插座數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所接收的用戶指令數(shù)據(jù)的處理工作，并將處理器處理后的數(shù)據(jù)輸出至通/斷電控制電路的輸入端，控制對應插孔通/斷電狀態(tài)[5]，整體流程如圖7所示。

圖7 中央處理模塊流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

正確連接各設計模塊后，進行基于WiFi的智能插座系統(tǒng)的測試和驗證。接通電源，同時在操作設備上正確登錄智能插座系統(tǒng)用戶操作界面，正確登錄后進入功能操作界面。針對插孔3，單擊通電按鈕，通過WiFi向智能插座數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)發(fā)送插孔3通電指令，插孔3指示燈由灰變紅，同時插孔狀態(tài)描述為“插孔3正處于通電狀態(tài)”，通電按鈕不可編輯，且斷電按鈕可編輯。同理，其他插孔通斷電的操作與上述步驟一致。通過上述測試，最終實現(xiàn)了基于WiFi的智能插座系統(tǒng)對插線板的控制。

5 結(jié) 語

本文設計的基于WiFi的智能插座系統(tǒng)集遠程控制、漏電保護及智能提醒機制于一體，與傳統(tǒng)現(xiàn)有插座相比，具有設計合理、使用方便等優(yōu)點。此外，通過對特定插孔上家用電器通/斷電的有效控制，不僅節(jié)約了能源，而且有助于提高用電安全性，延長家用電器設備的使用壽命。

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