智能插座的設計與實現

夏 力，朱旭東

（無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214221）

0 引 言

隨著社會與科技的發展，如何對高校的實驗實訓室和宿舍用電進行優化管理正成為當前高校管理的痛點。學生有實訓室機房24小時全天開放的需求，需要隨時隨地可以進行上機訓練技能；而在宿舍管理方面如何有效地管控大功率電器的使用防止火災的發生也是高校管理者迫切需要解決的問題[1]。傳統的實訓室解決模式和宿舍管理方法都不能有效的解決問題，因此，本文提出了一種智能插座設計方案，該方案基于NB-IoT模塊與藍牙技術，軟件采用安卓平臺來設計。融合后的插座檢測器可以簡單、準確、有效地檢測、統計插座使用量以及控制電路的斷電，續電燈功能[2]。通過智能插座的使用，可以有效解決實訓室24小時開放問題，并通過后臺系統對用電的實時統計監控宿舍是否有大功率電器使用情況，及時制止大功率電器使用。

1 基本思路

本文介紹的方案主要解決高校實驗實訓室不能全天開放的問題[3]。因為大多數高校的實驗實訓室或機房考慮安全用電方面的隱患，在不能安排管理員全天管理的情況并不能做到24小時全天候開放，而大部分學生需要24小時全天候開放來進行相關的實驗和練習操作。本文設計的智能插座能較好的解決該問題。基于NB-IoT模塊可以實現遠程的插座檢測和控制[4]；另一方面學生可以通過手機的藍牙模塊可以智能插座的上電和斷掉，后臺可以精確統計到插座是哪個學生在使用，監測用電量和用電安全。通過智能插座系統的遠程操作，便可以達到對實訓室插座電路的實時控制與管理[5]。本文主要分為4部分：一是把握研究現狀，分析智能插座系統的研究背景、意義、現狀及趨勢；二是系統的硬件選型和設計，提出智能插座系統的硬件模型；三是進行系統軟件設計，軟件設計包括軟件的后臺系統設計和手機應用端的APP設計[5]；四是系統的測試與實現。

2 智能插座檢測的實現

系統硬件組成主要由電源轉換模塊、計量模塊、NB-IoT通信模塊和藍牙模塊等組成。單片機主要負責檢測數據的處理，檢測的相關數據通過NB-IoT模塊與遠程后臺系統進行數據交互，藍牙模塊與手機APP進行控制交互[6]，相關數據通過單片機處理后傳入繼電器模塊，繼電器再傳入插座中，達到控制智能插座的目的。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

2.1 藍牙通信模塊與單片機連接

本方案使用STC89C52型號的單片機作為智能插座的中央控制器。藍牙通信模塊與單片機連接原理圖如圖2所示。藍牙模塊是系統和手機進行通信的重要載體，通過串口形式也可以和單片機進行數據通信。在此選用的是HC-06藍牙串口模塊[7]，模塊上引出了VCC，GND，TXD和RXD四根管腳。

圖2 藍牙通信模塊與單片機連接原理圖

2.2 系統軟件設計流程

手機APP通過藍牙模塊發送數據給單片機微控制器，藍牙模塊通過串口接收數據[8]。手機APP通過藍牙模塊的控制信號控制智能插座斷電和續電。APP打開藍牙后，可以搜索附近的智能插座設備，經過認證的用戶搜索到智能插座設備后可以自動接入APP，控制設備的上電與斷電等。系統整體設計流程如圖3所示。

圖3 系統整體設計流程

智能插座通電，智能插座系統終端進行初始化后進行手機與智能插座的藍牙連接。若未連接成功，繼續識別連接。當系統檢測到用電量偏高時，智能插座能自動做出判斷，發送斷開插座電源命令給單片機，并自動報警發送短信給用戶，提示用戶。如果用電量在正常范圍內，則讀取電量等相關信息[9]。智能插座應用程序流程如圖4所示。

圖4 智能插座應用程序流程

2.3 軟件系統的實現

本產品中Android手機經過藍牙模塊發送數據，微控制器通過藍牙模塊接收數據。手機端設計3個功能，分別為附近功能、掃一掃功能和刷新功能。附近功能主要為尋找周邊的智能插座設備，可以加入APP一同控制；掃一掃功能主要是通過掃描智能插座的二維碼來找到該設備，加入APP系統；刷新功能對界面進行刷新。該系統的實現界面如圖5所示。

圖5 APP端界面

智能插座的最終成品如圖6所示。

圖6 產品展示

3 結 語

本設計較好地解決了高校實驗實訓室全天開放和對宿舍大功率電器使用的監測問題。文中設計主要有以下優點：

（1）安全。實現了用電過載分級報警、大功率電器實時監控、用電線路負載智能算法。

（2）可控。采用身份認證許可用電，云平臺集中管理，杜絕非許可用電行為。

（3）計量。身份認證用電計量，節能用電與計時雙計費，用電使用可追溯。

（4）方便。即裝即用；無需安裝中繼通信設備；免通信網絡維護；后期可拓展到檢測煙霧、水浸、PM2.5等。