基于STM32和4G技術的紅外智能插座系統設計

王燦田，陳育中

（江蘇聯合職業技術學院南京分院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著物聯網技術的快速發展，人們開始追求高科技和高品質的生活。智能化電子設備逐漸走進人們的日常生活，極大地方便了人們對家用電器設備的管理和使用。電器已經成為每個家庭必備的家居設備，插座作為電器設備連接電源必須使用的設備，若能夠對其進行智能化控制管理，那么將在很大程度上借助對插座的管理實現對家電的智能控制，使生活更加便利。但與此同時，身邊的安全隱患也越來越多。為了更好地保障用電安全并排除用電隱患，近年來，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]。

目前市面上大多數產品都是基于WiFi模塊實現智能插座與手機端的通信[3-4]，弊端是該類型的產品僅具有無線控制智能插座通斷的功能，無法控制帶紅外遙控的主流家電設備。同時，由于受墻壁等障礙物的影響，部分區域的智能插座由于無法正常接收信號，導致時常出現無法控制的情況。

因此，設計一種基于STM32和4G傳輸的紅外智能插座系統，可有效解決聯網異常問題。系統主節點上的大功率紅外發射模塊可以有效輻射各個角落，且紅外發射模塊價格低廉，可以大幅降低智能插座的成本，因此具有很大的實際使用意義。

1 系統方案設計

系統整體設計方案如圖1所示。系統主要包括手機端、云平臺、主節點和智能插座子節點。本系統的主控芯片采用STM32F103單片機，該芯片具有體積小、處理速度快、造價成本低等優勢。用戶使用時，將手機端的控制信號發送給云平臺，云平臺通過4G模塊轉發給綁定的主節點，主節點接收到指令并解析，通過紅外發射管向智能插座發送控制信號，從而實現遠程控制[5-6]。

圖1 系統整體設計框架

本系統采用阿里云物聯網平臺。通過阿里云物聯網平臺的消息流轉功能，實現消息的快速流轉，一般不會出現消息卡頓或者丟包的情況。

手機和主節點均通過阿里云的三元組信息連接阿里云虛擬設備，然后借助阿里云消息流轉功能實現消息的流轉與發送[7]。

2 硬件設計

智能插座系統硬件由主節點和智能插座從節點構成。

2.1 主節點設計

插座節點的硬件原理如圖2所示。可以看出，智能插座硬件由STM32F103單片機、紅外模塊、EC200S、AC-DC電源構成。

圖2 主節點原理

（1）主控芯片

本系統的主控芯片采用基于Cortex-M3內核的32位增強型閃存微處理器 STM32F103RCT6。Cortex-M3內核的設計集高性能、低功耗、實時應用等優點于一體，滿足嵌入式領域的要求。STM32F103RCT6最高工作頻率可達72 MHz，內置高速存儲器（高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口，4個通用16位定時器和2個PWM定時器。還包含先進的通信接口：2個I2C，3個SPI，2個I2S，1個SDIO，5個USART，1個USB和1個CAN，其豐富的片上資源大大簡化了系統硬件，降低了設計成本。

本文所設計的系統主要以STM32F103RCT6作為主控芯片，通過串口接收并處理數據，從而實現系統功能。

（2）紅外發射模塊

紅外發射與接收電路采用三極管、紅外發射與接收對管實現，其原理如圖3所示。Q2三極管產生基波信號，對其門極提供38 kHz的方波基波信號。Q1三極管為發送控制三極管，將其接在串口發送引腳上，可將發送的消息加載在基波信號上。

圖3 紅外模塊電路

需要注意的是，由于該電路由發射管和接收管構成，且串口通信為異步通信，因此接收和發送相互獨立。在發送時，需要注意關閉接收中斷，或者使用隔檔將發射管和接收管隔離開，以避免發送端自接收的情況出現。

（3）EC200S模塊

“你還想怎么復雜？”蘇秋琴笑道，“爛眼阿根的死跟我有啥關系？我家的玉米地不遮不攔的，誰都可以死在那兒。”

EC200S-CN是移遠通信推出的LTE Cat 1無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mb/s和最大上行速率5 Mb/s，具有超高的性價比。如圖4所示，主節點與子節點的通信采用4G模塊EC200S實現。由于4G模塊在使用時，啟動天線需要約1 A的啟動電流，會對嵌入式系統造成瞬間沖擊響應，容易使線性電源電壓拉低，導致單片機和4G模塊重啟的現象出現，因此在使用時需要為4G模塊配備一個47 μF的鉭電容進行儲能，為芯片啟動瞬間提供足夠的電流支持，以保障嵌入式系統能夠穩定工作，并增強其抗干擾能力。SIM模塊的信號腳使用PVS二極管進行保護，防止擊穿，選擇濾波電容為信號提供保障。

圖4 EC200S模塊電路

（4）AC-DC模塊

電源部分采用金升陽出品的AC-DC電源轉換模塊，將220 V交流電改為5 V直流電，再使用線性電源芯片AMS1117和LM1085將5 V電壓降為3.3 V，為單片機和EC200S模塊供電。AC-DC電源模塊電路如圖5所示。

圖5 AC-DC電源模塊電路

2.2 智能插座從節點設計

智能插座從節點原理如圖6所示，主要包括STM32F103單片機、繼電器模塊、紅外模塊、AC-DC電源模塊。智能插座接收主節點下發的控制指令，接收后解析消息指令，判斷地址位的地址是否與其地址相同，若相同則執行該指令，反之則不執行指令[8-9]。

圖6 智能插座從節點原理框圖

智能插座從節點繼電器電路如圖7所示。由于使用場景為控制家用電器的繼電器開關，因此可直接插在插座上使用，使用市電為控制器供電。利用轉換芯片將220 V交流電轉換為5 V直流電給單片機供電，并驅動繼電器吸合和關斷。系統使用聯動繼電器，一個繼電器聯動兩路信號，觸電可承受閾值為AC 10 A。為防止吸合瞬間浪涌破壞單片機，加裝續流二極管保護電源。

圖7 智能插座從節點繼電器電路

3 軟件設計

系統軟件設計整體上可分為主節點聯網、紅外傳輸消息編碼、上位機綁定主節點、智能插座從節點自動組網。

3.1 主節點聯網

圖8所示為4G模塊連接阿里云物聯網平臺流程。單片機通過串口對4G模塊串口發送AT指令控制4G模塊打開MQTT協議，并輸入阿里云物聯網平臺的設備賬號、密碼和IP地址。連接成功后，命令模塊設置為發布模式，返回成功后，嘗試推送消息，若推送成功，則表示已成功連入阿里云物聯網平臺。

圖8 連接阿里云物聯網平臺流程

3.2 紅外傳輸消息編碼

圖9所示為紅外編碼的消息指令格式。包頭表示數據開始傳輸。中間夾著6個重復數據包。接收設備接收到后解析數據包和校驗位，如果錯誤則解析下一個數據包，直到解析到正確的數據包為止。這樣可以有效降低環境光的干擾，還能提高容錯率，使系統更加穩定。

圖9 紅外消息指令格式

3.3 上位機綁定主節點

圖10所示為用戶通過手機端綁定主節點UML圖。用戶在使用手機軟件時，第一次登錄需要綁定主節點MAC地址，建立手機端與主節點的通信線路。搭建好手機端與主節點的通信線路后，主節點會將其下所有子節點發送到手機端并顯示在列表中，用戶可以對其命名或進行控制，實現遠程單一控制或者場景控制等聯控效果。

圖10 綁定主節點UML圖

3.4 智能插座從節點自動組網

圖11所示為新設備連接進入主節點的UML圖。當用戶將新購買的智能插座加入家中節點時，只需將智能插座插在插座上即可供電。此時，智能插座發送紅外信號，向主節點請求地址碼，主節點收到請求消息后，會為智能插座分配本網絡下唯一的地址碼，以實現不同智能插座之間的單獨控制。

圖11 智能插座綁定主節點UML圖

4 實驗結果

在主節點中，由于受用戶使用環境的影響，如信號不佳或網絡卡頓等原因導致設備掉線，從而產生手機端無法控制設備的現象出現，因此在主節點中專門采用獨立的線程用來處理異常情況，例如，設備連接失敗或者設備掉線等，考慮采取相應的代碼重連接。

經過測試，設備穩定運行時長十天未出現掉線重連情況。

在紅外通信過程中，由于該方式容易出現錯碼，考慮采用連發5次的方式實現容錯，準確率可以達到99.99%。在光線環境較為惡劣的情況下，依舊可以實現95%以上的準確率。表1為5次發送和接收數據的結果。

表1 測試結果

5 結 語

本文介紹了一種基于STM32和4G技術的紅外智能插座系統。該設計可以依托現有家中電氣，無需更換為智能物聯網家電，即可實現簡單的開關斷電控制，從而有效實現設備重啟或者關閉耗電設備，通過遠程操控，為工作繁忙的年輕人或者差旅人士提供了方便、快捷的家用電氣遠程控制解決方案。

由于紅外模塊價格低廉，使用方便，因此可以大幅降低無線控制設備的成本，受到市場歡迎。隨著智能家居系統的快速發展，該智能插座系統的應用將越來越廣泛，推廣前景和應用價值良好。