具有無線數據通信功能的智能插座及其實現方法

郭春育 蔣雪花

（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

電子技術的應用發展，市場上最常見的是WIFI插座以及紅外無線控制插座等，能夠實現插座的智能作用，這些設計將插座與手機連接形成遠程控制，但是各自相對應的客戶端在控制過程中比較麻煩。在不斷應用過程中對原有的功能進行優化實現了簡單方便的智能控制，可以讓操作更加簡單快捷，并且保證用電安全。為了對智能插座具有更為深刻的認識，特此展開本次研究。

1 智能插座

物聯網中主要應用的是智能家居，智能家居在家庭生活環境中占據重要地位，將先進的技術應用到家具中，能夠將人們的生活方式變的更加方便快捷，智能家居采用計算機遠離，將通信技術以及感應器等技術綜合使用，能夠使人們在舒適、安全、環保的環境中生活。普通的插座僅僅起傳輸電流的作用，沒有保護插座的功能，并且普通插座的控制方法簡單而且單一。智能插座能夠在使用過程中檢查電流大小以及監控功率，對于插座起保護作用，通過定時可以自動斷電以及具有通信功能，智能插座還可以使用紅外遙控器控制，利用個人信息使其可以實現一對一控制，進而具有更為強大的功能，同時還可以使用觸摸技術對多個節點進行控制，如果用戶不在住宅區，可以利用手機對插座節點遠程控制[1]。在實現控制作業中，可以采取多種不同的方法，讓用戶可以在不同環境中對插座進行控制，進而最大程度實現安全用電。插座節點是利用可控硅控制插座斷電，電流檢測板將信號傳輸，在傳輸過程中實現信號調整，再從單片機內部中進行轉換并計算功率。插座節點中設置紅外接線與無線頻率接受信號，用戶通過遙控器或者上位機系統對插座節點進行控制，上位機系統可以通過利用MCGS平臺使用戶看到畫面，能夠實現元和才能控制與近距離操作。其整體框架如下圖所示。

圖1 系統整體框圖

2 結構體系

插座節點的結構圖比較簡單，將LCD以及紅外接收、按鍵輸入、無線通信等等應用安裝在控制裝置中，將此控制器作為控制核心，此核心設計功能強大，性能高、耗能少并且價格低廉。在此裝置中處理信息，當信息出現異常時可以實現自動報警，如果信息異常是小頻率，可以使用隔離裝置將異常信號通過晶閘管處理，處理過后再通過傳感器利用濾波功能傳回到控制器中，通過應用該過程實現操作，可以使系統硬件得到一定程度的簡化，同時可以有效降低投資成本。

系統在進行運用過程中，使用的是觸摸裝置并安置定時功能，在傳感器接受信號時隨機采樣，控制器中增加時鐘模式，在軟件系統的作用中提供時間功能，所以用戶只需要在軟件中設置定好的時間就能夠實現定時控制[2]。插座節點可以實現對溫度的采集，能夠實現溫度掌控并對插座進行保護，所以對精準度的要求并不高，所以只需要完成單片機內部掌控溫度就能完成測量溫度，溫度測量范圍是在零下40度到零上126度，如果監測中發現溫度超出既定范圍，應該立即切斷電源并且實施報警裝置。

3 軟硬件設計實現

3.1 硬件設計實現

利用無線網絡的電量進行智能設計，將數據通過網絡傳輸到服務器中，利用主機實行控制，實現遠程操控，將各種模塊組合實現智能插座設計。智能插座中有五個模塊構成，分別是微控制單元、電量檢測、智能調控、電源轉換以及WiFi通信，利用這五大模塊將能夠對生活環境中的智能插座實現控制，保證安全用電[3]。

微控制單元模塊是對所有的模塊進行控制，實現調控功能，此單元模塊利用美國研發的芯片作為基礎，芯片性能高并且處理靈活，在使用過程中零耗損，能夠實現超低耗能作用并且環保。此芯片有多種模式和信號，能夠在選擇信號源的過程中實現靈活作用，最大程度上降低能耗以及滿足使用功能，時鐘信號有五種分別是晶體振蕩器、低耗晶體振蕩器、數控振蕩器、高速晶體振蕩器以及模塊晶振，模型有四種用作外設模塊以及CPU系統需求等功能中。

運用此芯片能夠在不同環境中滿足各種需求，在SR中能夠實現低耗功能LPM0以及LPM4之間的切換。如果中斷服務但是SR值并沒有發生變化則會將程序轉換到之前的模式，SR值改變將會影響工作模式，低功率運行過程中將會關閉CPU，如果外設時鐘只有一個能用時將會根據實際情況轉換成LPM2或者LPM3模式，如果所有的時鐘停止工作，會轉變成LPM4模式。

電量檢測中應該注意對家電的電壓以及功率進行檢測，檢測模塊將采用美國研發的芯片CS5490，此芯片將收集到的電流信號轉變后才能單比特數據，將數據進行過濾最后輸送到校準電路中最后發送到傳輸器中，實現與外部設備的通信。

WiFi模塊主要完成的是對信號的的處理，此模塊采用無線網絡處理技術，能在使用中減少開發時間以及降低投資成本，能夠節省空間并且能夠降低對專業知識的使用，將作為數據的收發工作。電源轉換模塊需要安全可靠的電源作為支撐，將智能插座的引流設定為220VAC電壓，接入變壓器之后實現降壓，將信號轉換到整流器中再經過濾波處理實現穩定電壓。

智能調控模塊主要是對定時裝置進行智能控制，能夠提供準確的時間，在此過程中需要繼電器作為輔助，繼電器是一種電子控制裝置，能夠控制與被控制系統，根據實際的電流量選擇。

3.2 軟件設計實現

在軟件設計過程中有四個設計過程，分別是制定通信協議、設計單片機程序和服務器軟件、手機app，設計通信協議需要有一套統一規劃以及內容協議，可以使用手機與服務器、插座之間系統協議，將此智能系統的設計分成三個種類[4]。第一種是插座與服務器之間的通信協議，在插座內部設定服務器地址，在通電過程中就會自動發送信息，服務器接收到信息之后將會得到插座的端口以及IP地址，在進行修改過程中實現插座的登入，時間控制在2s左右。

第二個種類是插座和手機之間的數據，手機能夠控制插座的開關模式，通過手機向插座輸送命令，控制一個位置即可，如果一個WiFi模式能夠使多個插口共用就要根據實際情況換控制插口，能夠保證控制狀態穩定以及及時實現控制，手機定時發送狀態信息，在協議格式中前四位是查詢命令，后邊位數是顯示插座名稱，在最后位數中顯示結束命令。顯示插座名稱過程中會添加定時動作、定時之后的狀態、定時的時間限制以及定時的階段等，一個階段完成之后才能進入下一階段，但是此系統過程中可以完成多個階段的定時，但必須遵循一階段完成之后才能進入下一階段的操作流程。

第三階段是手機與服務器之間的數據傳遞，在服務器中注冊手機信息，完成注冊之后要保留手機的各種信息，并反饋消息證明注冊成功。手機端發送命令之后會立即收到相關的IP信息以及插座的信息，并向服務器發送請求。

4 結束語

在社會經濟的不斷發展中，我國科技能力也在不斷提升，智能化逐漸成為人們生活中的常態，傳統的插座設計已經很難滿足人們生活需求，在系統設計中使用單片機以及無線收發等模塊制成的智能插座，可以優化軟硬件的設計完成制作，更好的實現人們生活中的科技型以及舒適度，在實現過程中根據實際環境進行操作，進一步優化家居系統，實現人們生活質量很大程度的提升。