物聯網智能安全插排設計

尹肸 徐虎誠 朗濟林 朱一正 陳智超

【摘 要】本文針對傳統的插排功能單一、安全性能不高的問題，提出了一種成本較低的物接入和智能控制的物聯網智能安全插排。通過實時測量監控用電數據，通過物聯網通信和MUC與用戶共同控制，做到安全智能、使用方便。

【關鍵詞】物聯網;物接入;智能插排;功率計量

1引言

物聯網智能安全插排設計以STM32單片機為控制芯片，無線通信模塊為聯網方案，使用ADC采樣分析電壓、電流、有功功率等參數，并通過手機APP實現用戶對插排的智能控制。以遠程控制、定時控制的方式控制電源通斷，以減少用電器的功耗，并對電量等數據進行分析，通過手機APP將數據呈現給用戶，使用戶更準確的了解用電情況，做到合理有效的用電、節電。智能插座自帶USB充電插口，方便手機等USB設備充電。系統可自動識別過壓、過載等危險情況，及時控制電源開關保證用電安全。

2物聯網插排系統與機械結構設計

本設計主要由三個單元，MUC主控電路單元、物接入單元和功率計量單元，MCU主控部分主要進行系統控制、連接各個單元和數據處理，包含了主控開關、繼電器開關、狀態指示燈等外設，可以進行狀態指示、人機交互和系統控制，其中MCU采用意法半導體公司的STM32F103C8T6單片機，基于ARM Cortex-M 內核的32位的微控制器，具有72MHz主頻和豐富的IO口，在高效運行的同時可以接入大量外設。

功率計量單元采用IM1253B單相交直流電能計量模塊，有著體積小、價格低、性能高的特點。該模塊可以測量 45～65Hz 的交流電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電氣數據，通信規約采用電力行業通用標準 DL/T 645-2007 以及標準 Modbus-RTU 規約，兼容性好，更方便通訊及開發，通過相應接口方便和其他單片機、ARM 連接實現自動化數據采集及監控功能。

物接入單元采用了ESP8266物聯網模組，超低功耗的UART-WiFi芯片的模組，可以方便地進行二次開發，接入云端服務，實現手機3/4G全球隨時隨地的控制，支持標準的 IEEE802.11 b/g/n 協議，完整的 TCP/IP 協議棧。在具有強大通信功能的同時，還擁有極低的功耗，最低睡眠保持電流為 10 uA，關斷電流小于 5 uA，待機狀態消耗功率小于1.0 mW。

在結構方面主要是插排外殼設計和插座模塊，將插座以模塊的定時嵌入插排當中，可以方便的進行安裝和更換，同時也可以根據需求進行修改，可以同時安裝交流插座和USB直流插座。內部結構選用了適用于大功率的金屬鈕子開關，在安全可靠的同時，其本身自帶的環形燈可以作為狀態指示燈使用，節約了內部空間，簡化了設計結構。

3 物接入的實現

物接入主要使用ESP8266模塊和機智云物接入平臺實現，物接入要實現的功能有兩點：用戶手機 APP 軟件與智能插排設備進行通信、用戶可以控制插排輸出口開通和關斷;在APP 上隨時都可以查看智能插排運行狀態和電流、電壓、功耗等信息。

采用的ESP8266物接入模塊主要是基于 IEEE 802.11協議的WiFi低功耗SoC廣域網，工作在2.4GHz/5GHz頻段，可以借助于互聯網、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進行連接。物聯網網絡架構分為應用層、網絡層、操作層。物聯網對所連接的設備的通信協議要求有以下三點：聯網的每一物件均可尋址;聯網的每一物件可通信;聯網的每一物件可控制。為滿足以上要求，該系統采用 WiFi 聯網的方式，使硬件系統成為可通信可控制的網絡體。

在創建機智云服務之前需要先下載安卓APP開源框架，并準備好Eclipse開源框架編譯環境。導入項目到 Eclipse 工程后，根據開源框架包結構的說明，修改UIConfig.json文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機智云的ProductKey，APP ID，APP Secret后，工程就可以部署運行。云端會自動生成一個仿真設備，可模擬真實設備上報數據的行為。在實體設備還未開發完成的情況下，開發者可以利用機智云提供的虛擬設備工具進行APP調試，測試遠程控制設備的功能。其中，在WiFi鏈接模式時，當WiFi通信在無優先級或者BT/ZB優先級較高的情況下，可以人為中斷WiFi工作，只需通過GPIO口來區分各個通信的優先級。利用聯網的IP地址與安卓APP連接，通過該端口發送參數信息，并通過APP界面顯示。要實現機智云APP與硬件設備聯調，首先要使手機和硬件設備連接到同一個網絡上，通過網絡向服務器發出請求，并且獲得相應的信息。

在操作層主控MCU調用機智云相關函數，將WiFi模塊配置為AP模式，配置正確的ProductKey，APP ID，APP Secret后，在APP配置完成接入網絡上即可完成物接入。

4 結語

本文所述物聯網安全插排系統可以通過安卓手機 APP 遠程檢測插排用電活動，隨時隨地通過手機進行用電器用電控制。該系統具有操作簡單、易懂、方便等優點，且安全性、穩定性、智能性較高。

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（作者單位：哈爾濱理工大學榮成學院）