基于STM32及GSM技術的智能插座設計

劉子洋，劉忠富，趙宏宇，吳 怡

（大連民族大學 信息與通信工程學院，大連116600）

在現如今社會發展的大環境中，電子電氣智能化設備已經走進了人們的日常生活，人工智能時代也給我們的生活帶來了極大的便利，與此同時身邊的安全隱患也越來越多。智能化家用電器、隨身電子產品都需要使用電能進行能量供給。因此用電安全也需要在日常生活中更加重視，更好地控制用電安全并排除用電隱患。近些年來國內外的科研技術人員對智能插座的設計進行了較多的研究[1-2]。

針對傳統家用插座功能單一、不能遠程進行控制、遠程監控定時等問題，本文設計了一種能夠通過手機短信進行遠程控制、關斷、定時及對功率進行實時監控的智能插座。通過物聯網技術和通信技術消除日常生活中的用電隱患，具有一定的意義和研究價值。

1 系統方案設計

本系統的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機，此種芯片具有體積小、處理速度快、造價成本低等優勢。在電流采集及實時功率計算[3]環節使用了ZMCT103C 交流互感器進行獲取插座的實時電流，在獲取完成后通過單片機串口對所獲取的數據進行傳送，單片機對數據進行處理后通過OLED 顯示屏對實時功率和電流進行顯示，并且也可以將實時功率和實時電流通過GSM 模塊發送到用戶的手機上。用戶也可以通過發送短信對插座進行控制。對于系統中GSM 模塊收到短信時，GSM 會將短信內容通過串口傳送給核心處理器，處理器對所收到的內容進行判斷是否為程序中所定義好的命令。例如收到JDOF 命令時， 系統會將插座電源切斷； 收到TIME：00：30 命令時系統會通過判斷后面定義的時間對插座通電時間進行定時為30 s。插座電源的關斷主要通過繼電器進行控制。

2 系統硬件電路設計

本系統主要由STM32 單片機最小系統電路、GSM 無線收發電路、電量信息采集電路、開關控制電路及顯示電路模塊組成，如圖1所示。整個系統主要以STM32 單片機最小系統為主要處理器，電量采集通過ZMCT103C 互感傳感器進行電量采集，將采集信息傳遞給核心處理器，通過數據處理后對使用狀態進行顯示。

圖1 硬件電路系統設計圖Fig.1 Hardware circuit system design

2.1 單片機最小系統電路

本系統的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機，選用這種芯片組成單片機最小系統主要由于其構成的電路設計較為簡單，并且反應速度快，程序存儲量相對于51 單片機來說較大。本文中所設計的系統主要以其作為主控芯片通過串口接收并處理數據，從而對整個系統功能進行實現。電路圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統電路Fig.2 MCU minimum system circuit

2.2 電量采集電路設計

電量采集模塊主要使用ZMCT103C 電流互感傳感器進行采集， 該模塊可以測量5 A 以內的交流電流，對應模擬量輸出為5 A/5 mA，即1000 ∶1。電流互感器輸出的模擬電流經過半波整流電路，A0 為單片機的ADC 引腳，通過此引腳電量采集電路將采集到的信息傳遞給系統中的核心處理器，并且由核心處理器進行數據處理，從而實現對插座的電量使用實時監控的功能。電流采集模塊電路如圖3所示。

圖3 電流采集模塊Fig.3 Current acquisition module

2.3 人機交互系統設計

顯示電路模塊使用了OLED 屏幕對插座的實時用量進行顯示。對比LCD 顯示屏幕，OLED 顯示模塊具有如下優點：具備自發光，不需要背光，因此功耗低，且對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、有多種接口方式。

在整個插座設計中也延續了傳統插座的按鍵控制功能，所以當用戶在使用本款插座時既可以通過手機短信進行遠程控制，也可以像使用傳統插座一樣，使用實體按鍵對插座的開關進行控制。在設計實體按鍵功能時，也為實體按鍵增加了智能控制的功能，用戶可以通過按鍵對插座的電量監控功能進行控制，也可以通過按鍵控制將插座的使用狀態發送到手機，從而實現用戶的遠程監控功能。

2.4 GSM 無線通信電路設計

插座與手機的通信通過GSM 短信技術[4]實現。所用模塊為SIM868，該模塊提供2 組TTL 接口，其中一組兼容各種電壓的TTL 電平，可以與5 V、3.3 V等單片機直接連接，并且提供短信、語音和GPRS 數據傳輸功能等。GSM 擁有AT 指令集接口，控制它只需發送AT 指令即可。GSM 與單片機之間通信方式為串口， 因此將單片機串口的RX、TX 分別接到SIM868 的TXD、RXD 端， 再將二者的GND 連到一起，上電后便可用單片機給GSM 發送AT 指令，設置其工作模式、數據通信等。

圖4 GSM 模塊原理圖Fig.4 GSM module schematic

2.5 電源電路

電源電路包括兩部分， 一部分是將家用220 V交流電轉換為5 V 直流電，供交流互感器模塊、GSM和繼電器使用。另一部分是將5 V 轉換為3.3 V，供STM32 使用。

2.5.1 20 V 轉5 V 電路

該電路采用LM7805 作為穩壓器件，220 V 交流經過整流濾波后送入LM7805， 在輸出端接一個470 μF 電解電容和105 電容， 進一步濾除紋波，得到5 V 穩壓電源。圖中發光二極管起指示作用。該電路原理如圖5所示。

圖5 220 V 轉5 V 電路Fig.5 220 V to 5 V circuit

2.5.2 5 V 轉3.3 V 電路設計

STM32 單片機穩定工作需要穩定的電壓，因此將5 V 轉換為穩定的3.3 V 電壓供單片機使用。本設計采用線性穩壓芯片AMS1117-3.3 V， 該芯片可以將輸入的5 V 電壓轉換為3.3 V 輸出， 此部分電路原理如圖5所示。VCC5 為5 V 電壓，IN 為穩壓芯片的輸入引腳，OUT 是3.3 V 輸出引腳，左側104電容、220 μF 電容起濾波作用， 發光二極管起指示作用。

圖6 5 V 轉3.3 V 電路Fig.6 5 V to 3.3 V circuit

3 系統軟件設計

本文中所描述的系統軟件設計部分主要以C語言進行設計。軟件的編寫依托于C 語言模塊化編程的優勢，各個模塊的程序運行較為獨立，使整個系統運行更加穩定。

整個軟件系統程序的編寫著重于電流互感模塊采集得到的信息以及GSM 模塊接收到的信息的處理，核心處理模塊的數據傳送均采用單片串口通信[5]進行。首先對核心處理芯片I/O 口進行初始化，當GSM 模塊收到用戶所發送的信息后，通過串口傳遞給單片機從而實現對系統的控制。使插座進行正常的工作，從而實現用戶對插座的控制。

3.1 采集程序設計

由圖7所示，在電量采集部分程序中，首先對串口進行初始化，串口初始化完成后，對互感模塊傳進來的電量信息進行A/D 轉換，在程序編寫中通過標志位來記錄信息轉換情況，若轉換未完成則返回循環繼續進行轉換，若轉換完成，則通過程序對電量進行計算從而得到插座的實時電流和實時功率，計算完成后則通過串口傳送給單片機顯示模塊進行顯示。

圖7 底層信息采集軟件設計流程Fig.7 Bottom-level information acquisition software design flow chart

3.2 GSM 通信模塊程序設計

GSM 模塊程序設計在程序中對模塊進行初始化， 而后對模塊串口以及單片機串口進行檢測，查看模塊與單片機之間是否可以進行通信。檢測方式可以通過單片機串口向GSM 模塊發送AT 指令。如若串口檢測正常系統就會等待接收信息，當收到用戶所發送的指令時，會與預先設定好的特定字符串進行對比，對用戶指令進行判斷從而實現對系統的進一步控制。與此同時，單片機也會同時檢測按鍵的接口狀態，當控制GSM 按鍵按下，系統則會自動發送當前的插座使用狀態以及實時電量給用戶。如果初始時未完成串口的檢測，系統則會一直循環串口監測及初始化語句直到初始化成功。系統流程如圖8所示。

圖8 GSM 通信模塊程序流程Fig.8 GSM communication module program flow chart

4 系統調試

用功率可調的風扇調試該插座：系統上電后，等待GSM 模塊注冊網絡成功，之后打開風扇，1 到3擋依次對應20 W、30 W、40 W。觀察OLED 上顯示的電流和功率信息，如表1所示，誤差均在可接受范圍內。按下發送短信的按鍵，可在手機收到用電信息的短信。用手機給GSM 上的手機卡號發特定指令的短信，可以控制繼電器。比如發送JDON，可看到指示燈亮，繼電器關閉，插座導電；發送JDOF，指示燈滅，繼電器打開，插座停止供電。發送time00：10，OLED 屏幕會顯示10 s 倒計時，插座也會在10 s后切斷電源。系統運行圖片如圖9所示。

表1 調試測量數據Tab.1 Debugging measured data

圖9 系統運行圖片Fig.9 System operation picture

5 結語

本文中所設計的遠程控制智能插座系統，將STM32 單片機、GSM 無線收發模塊、ZMCT103C 電流互感模塊整合在一起。在傳統插座的基礎上，加入了遠程開關控制，遠程狀態監控，實時電量顯示等功能。基本可以滿足大多數用戶的要求， 同時也可以也方便用戶對家居用電情況能夠更好地進行控制。也減小了因為家居用電而產生意外情況的幾率。所以本系統也具有一定的市場價值和應用價值。