基于PWM脈沖寬度調試的智能插座

叢義正 王立堯 孫吉祥 張洪旭 莊林桐

摘要：在當今社會節奏逐漸加快的階段，可以想象在回家之前打開熱水器或者空調等所帶來的身心的愉悅。同時，家庭安防方面也是家具的重中之重。而智能插座在智能家電系統中起到關鍵作用，是不可缺少的一部分。所以本文基于PWM脈沖寬度調制設計一款高性能、低價位智能插座。本款智能插座是為了實現控制家用電氣的開關和記錄用戶耗電量。照明監控智能插座增加了光強采集和PWM調控燈光功能。智能監控插座在監控電氣的同時還可以對家庭安全進行監控。本文基于這種插座給出了硬件設計和軟件設計方案。在本系統中，借用云平臺進行手機APP的遠程通信。通過手機APP監聽云平臺的服務器地址進行遠程控制方便簡單而不需要自己再另外搭建服務器。

關鍵詞：PWM調控;智能插座;智能家電系統

1、引言

隨著經濟和科技的快速發展， 現在的家居不太具有智能化，操作起來也比較不方便。家庭燈光設計不合理，太強或者太暗都會傷害人的眼睛，是當今社會眼睛近視率增長的一個重要原因。隨著經濟社會的快速發展，社會電氣化程度不斷提高，人們對于電的依賴越來越強，使用電器的范圍日益擴大，導致電氣火災事故頻繁發生。其中，線路短路、插座接觸不良是最常見的引發火災的原因。針對于家用插座引起火災的隱患，特設計一款智能插座。可通過手機APP或小程序對插座進行燈光亮度檢測和插座狀態監控。

2、智能插座發展背景

傳統電源插座只有分配多只電路功能，而目前市場上出現的成型智能插座的一共可以分為大致以下幾類：

流行的計量插座、定時插座、遙控插座等節能型插座的產品，能夠解決部分實際問題，但都存在各種缺陷。

計量插座能夠直觀反映出插座上的電器運行功率，電流，電壓等信息，僅僅能夠讓用戶知道電器的耗電情況，需要具備一定專業知識的用戶才能根據測量結果分析電器是否耗電正常，才能及時發現電器異常，避免不正常耗電。定時插座能夠控制用電器在特定時段工作，在一定程度上減少了空閑時段的能源浪費，但實際用電時段并非固定，情況一旦變化，需要重新進行設定，使用不方便。遙控插座需要配備專用遙控器，成本較高而且使用麻煩，難以得到用戶接受。另外，這些插座不能同時具備全面的電網參數測量和負載控制功能，無法對用電器實現安全保護，更無法避免長期超負荷用電引發的安全事故。

3、硬件

3.1 單片機選用與最小系統

單片機系統一般來說是由以下部分組成的，分別是程序存儲器、單片機、復位電路和時鐘電路。如圖1所示。

3.2 時鐘電路的選取

使用一個6兆赫的晶振和兩個電容組裝成一個簡易時鐘電路，另外使用一個單片機內部反向放大器構成時鐘振蕩器[1]。自激振蕩器由輸入端和輸出端并聯接上一個晶振和兩個貼片拼接而成。兩個電容器對振蕩頻率起到調節作用，本設計中對兩個電容取30PF。

3.3復位電路選取

復位端子，復位時只需在復位端置1即可。一般在RST端和電源之間串接一個按鍵，按鍵一端接高電平，一端接復位端，當按鍵接通時， +5V電壓就會立即輸入復位端子[2]。手動按鈕復位的電路如圖2所示。

3.4 照明檢測插座

單片機以及各個輔助電路組成的電路原理圖如圖3所示。

3.5 PWM脈沖寬度調制

在我們生活中的LED在電燈中占據很大的市場，所以在設計過程中，對于傳統的電燈使用單一開關，對于智能插座中的開關使用脈沖寬度調制調節燈的亮度。不僅能夠便于人們生活中使用，同時也能夠很大程度上減小用電量。PWM電路輸出高低電平控制電路的導通與閉合，引起的平均導通時間來控制燈的亮暗。由這個原理可知由N溝管去控制燈的亮度[3]。

4、軟件部分

隨著單片機的發展，人們逐漸應用代碼控制取代了以往的數模轉換控制，本次研究我們計劃以單片機為核心，通過各種輔助電路實現預期的智能插座功能，為了解決智能插座痛點之一的燈光亮度調節問題，經過查閱資料，我們決定通過PWM脈沖寬度調制來使智能插座控制燈光至人眼舒適的范圍。

PWM脈沖寬度調制是利用定時器控制產生占空比可變的PWM波[4]，我們可以通過設置程序中的占空比來進行PWM調制，當PWM值增加時，占空比減小而燈光強度變暗;當PWM值減小時，占空比增加而燈光強度變亮。我們在開始時設置人眼適合的燈光強度的占空比，當檢測低于此占空比時，PWM值減小，占空比增加，調整直至達到人眼合適燈光強度的占空比，此時燈光強度逐漸變高到人眼適合的程度;如果檢測高于初始設定的占空比，則PWM值增大，占空比減小，燈光強度逐漸變暗直至人眼舒適的程度。

5、實驗結果

對于本次研究的系統，需要遠程監控智能插座的運行環境為光照強度，用電量等信息并可通過手機遠程智能控制插座的斷開與連接，現在我們首先可通過網絡調試助手如下圖4來模擬基于PWM脈沖寬度的智能插座控制系統的運行情況和對智能插座的控制[5]。本測試過程的思想在于通過網絡調試助手來測試PWM脈沖寬度調制智能插座的通信功能包括接受和發送命令。而在本測試系統中關鍵就在于通過網絡調試助手來監聽安信可云平臺的IP的地址，這樣就能完成對串口數據的接收和發送[6]。

手機APP作為智能插座的上位機，既可以遠程監視現場的環境參數，還可以進行遠程控制。首先打開APP，選擇工作模式為TCP client工作模式，然后配置所要監控ESP8266串口WiFi模塊所自帶的云平臺的IP地址如下圖5所示。

由于在本次研究中所涉及的到的傳感器模塊等元器件較多，故現在采取對一只LED小燈的控制來模擬所搭建的智能插座控制系統。當通過手機APP發送“0x01”指令時候，單片機控制LED小燈打開;當發送非“0x01”指令時，單片機關閉小燈。

6、總結

本論文通過總結分析現有的單一功能的智能插座，智能性和互動性不足、價格較高等特點，設計了適合家庭使用的照明智能插座，使用單片機作為主控芯片，主要采用PWM脈沖調制通信技術構建可遠程監控的智能插座系統。本次研究采用了單片機和PWM脈沖調制連接以此模型構建的智能插座系統具有簡單、方便還比較容易上手等優點。

基于PWM脈沖調制的智能插座檢測系統將單片機、通訊技術、家用電器相結合，通過有線、無線等手段將家居中設備“智能化”，實現了物與物、人與物之間的通信，將家電設備集中控制和管理。

本次研究所做的主要工作如下：

調查研究智能插座的研究背景和重要意義以及在智能插座的快速發展過程中智能插座的研究意義，提出了智能插座的概念，深刻分析了智能插座的研究現狀，并提出了基于PWM脈沖調制的智能插座系統的優越性和發展的必要性。

綜合比較了各種通訊方式，包括有線、無線各個方面，充分比較各個方面的優缺點，采用PWM脈沖調制的方式，通過單片機構建的三種智能插座：照明智能插座、家庭環境智能監控插座、安防監控智能插座，提出了以智能插座、智能網關、手機組建的智能插座監控系統的整體構架方案。

本次論文研究構想為以STC15F2K60S2單片機為核心，各種輔助電路為媒介，組成能實現預期目的的三款智能插座。

詳細論述了PWM脈沖調制的優缺點以及如何用其實現預期功能的方法。

實現手機APP端的測試工作。

隨著時代發展我們迎來了物聯網的時代，互聯網、智能家居、物聯網越來越被人們所熟識，同時也激勵著人們對于美好未來的展望和期盼。在當今時代下，本次論文研究了基于PWM脈沖寬度調制的智能插座系統來響應當今時代的需要。面對市場上存在的智能插座的智能化不足和性價比不高的特點，在本次研究系統中按照引用的電氣的不同種類進行歸納和總結設計了照明智能插座。但因為時間不足等原因，本論文還有很多在為未來可以去完善，主要包括：在本系統中并沒有自己去開發配套的手機APP，而是通過指令式的手機APP去進行監控和控制，不管從控制方面和監控效果都不如去開發一套界面式樣的手機APP。這樣不僅可以操作簡單另外對室內環境的現場環境也比較清晰。

在室內監控智能插座中，對于溫、濕度通知我們只能通過控制傻瓜式的加熱器或者加濕器，而對于現代家用電器都需要紅外開關電器，我們可以設計一款可以智能學習紅外命令并發送紅外命令的智能插座，那樣既可以對現代智能家電比如電視機、空調等進行控制，另外還可以實現簡化遙控器的美好愿景。

智能家居的時代已然到來，愿我們的生活更加具有智能化和健康。

參考文獻：

[1]董思喬，趙榮建，孫通.基于WiFi構建的智能家居控制系統的設計.《電視技術》，2015，39（4）：89—91

[2]張新星.基于Android手機的智能插座設計[D].浙江大學.2014.

[3]吳銀琴，陳錕.《51單片機實踐教程》.北京：科學出版社，2011

[4]皮大能，南光群，劉金華.《單片機課程設計指導書》.北京：北京理工大學出版社，2010，7

[5]胡啟明，葛祥磊.《proteus從入門到精通100例》.北京：電子工業出版社，2012

[6]張力平.智能插座開啟未來智能家居生活.《電信快報》，2015，（3）：34—34

作者簡介：

叢義正（1998-），男，漢族，吉林四平人，吉林建筑大學本科在讀，自動化方向。

基金項目：

2021年吉林省大學生實踐創新訓練項目“基于物聯網的智能插座的研究”（S202110191069）。