云連接的智能電源插座的設計與實現

摘 要：針對目前傳統插座安全隱患大且功能單一的問題，設計了一種基于云端技術的智能電源插座。該設計以物聯網技術為核心，融合了單片機、WiFi網絡、繼電器控制和環境監測等技術，通過云平臺實現對電器設備的遠程監控和自動控制。通過該插座節點，可實現用電設備的工作環境監控、工作狀態檢測、異常報警等功能。這一設計使得電器使用變得更加智能和透明，還能有效預防用電事故的發生。此外，由于該智能插座使用通用網絡接口，因此具有廣泛的適用性和較高的靈活性，擁有較大的推廣潛力。

關鍵詞：物聯網技術；WiFi；單片機；遠程監控；繼電器控制；智能家居

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-05

0 引 言

當今社會，智能家居領域的科技發展熱度持續上升，人們樂于將科技融入生活中，享受智能化所帶來的便捷和科技感。然而，由于市場上的智能產品質量參差不齊、用戶用電安全意識相對不足等原因，火災[1-2]、用戶觸電[3]等事故時有發生。如今居民住宅呈現高層化、入住密度高的特點，用電安全性和可監控性已成為人們關注的焦點問題[4]。

目前市場上的傳統電源插座一般無法實時顯示電器的使用狀態，用戶難以監控其安全性。在某些情境下這種插座存在極大的安全隱患，特別是對于一些獨居老人而言，因為他們可能會忽視用電器的使用狀態而引發火災等重大事故。又由于老年人行動不便，無法及時救火或逃離，最終釀成悲劇。因此實現用電器工作狀態的實時監控、遠程預警及遠程控制就變得尤為重要[5]。

本設計融入了物聯網技術，借助云平臺實現對用電設備的遠程監控。用電設備只要接入該節點，系統便能實時監測其工作狀態，包括功耗、電壓、電流等各項參數[6]。該設計能提供多重用電保護功能，包括過流保護、過壓保護、用電狀態異常報警（現場蜂鳴器報警和遠程手機端報警），并在必要時自動切斷電源。除此以外，用戶還可以通過手機端設置用電設備的智能啟停，實現節能減排。

1 總體方案設計

1.1 設計思路

智能插座的控制芯片為STM32F103C8T6，嵌入單片機最小系統電路及物聯網芯片作為核心電路。引入繼電器控制及穩壓濾波等電路技術作為支持，以增強系統的完整性。正常工作時，物聯網芯片向云端發送數據，與手機終端進行匹配并建立連接，從而實現控制電路與終端的無線連接及數據雙向傳輸。終端向下位機發送信息，下位機通過讀取和解析數據信息，執行對應的控制操作，實現精確有效的遠程控制。

1.2 設計框架

系統方案的設計框圖如圖1所示，可分為手機移動端、云服務和各智能插座子節點3大部分。云服務通過ESP8266 WiFi模塊實現連接，通過授權可接入其他通用平臺，通過設置可接受多節點即多個插座的連接，通用性及靈活性高；主控芯片選擇STM32F103C8T6，該芯片體積小、造價低，最重要的是其處理速度快。智能插座通過STM32實時監控用電器的工作電流、電壓等數據并上傳至云端，再返回手機端；若是用電器工作異常，用戶可及時通過手機操作將用電器斷電，實現遠程控制。

2 硬件設計

智能插座硬件主要包括AW22-24W2405V交流轉直流降壓模塊、AMS1117降壓模塊、繼電器控制器、ACS712電流檢測模塊、STM32F103C8T6主控制器、ESP8266 WiFi模塊[7-8]。各模塊功能見表1。

2.1 STM32主控板電路設計

主控模塊使用STM32F103C8T6，它是由意法半導體公司（ST）推出的基于Cortex-M3內核的32位微控制器，主頻可達到72 MHz，程序存儲器容量高達64 KB，工作溫度范圍為-40～85 ℃，工作電壓范圍為2～3.6 V，適用于各種低功耗及低成本的應用場景，被人們廣泛地應用在各類電子產品中[9-10]。STM32F103C8T6帶有多個定時器，支持多路ADC采集功能，擁有靈活的中斷優先級響應機制。

STM32F103C8T6主控電路如圖2所示。

2.2 AW22-24W2405V AC-DC降壓模塊

AW22-24W2405V是一款24 W小功率交流轉直流降壓模塊，提供雙路輸出（24 V和5 V），支持寬電壓范圍輸入（85～264 V），即最高可承受264 V的輸入電壓，且雙路輸出的最大總功率為24 W。

該模塊具有體積小、超低紋波噪聲、過流保護、過溫保護、短路保護、隔離耐壓等優點，非常適用于本文的智能電源插座應用場景。

2.3 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊是一款高性能的UART-WiFi（串口-無線）模塊，其核心是基于單核32位MCU的WiFi芯片。該模塊的特點是擁有高性能無線SoC、成本低，是一個完整且自成體系的WiFi網絡方案，既能夠獨立運行，也可以作為從設備（slave）搭載在其他主機（host）上運行。通過集成ESP8266 WiFi模塊，系統能夠接入云端，從而實現與手機移動端之間的間接通信。ESP8266原理圖如圖3所示。

2.4 ACS712電流檢測傳感器

ACS712是一款基于霍爾效應原理的電流檢測傳感器，具有低漂移和高精度的特性，能夠實時檢測電流的大小，實現精確的電流測量和能耗監控功能。該傳感器能將電流信號轉換為可供微控制器處理的電壓信號，便于MPU進行數據采集和數據處理。因ACS712具有靈敏度高、使用方便、性價比高等特點，非常適用于本設計中的電流電壓檢測環節。

2.5 AMS1117降壓模塊

AMS1117降壓模塊是一個線性穩壓器，具有低輸入輸出電壓差和高電流輸出能力，能夠提供穩定的輸出電壓，適應各種負載環境。AMS1117還具有短路保護和過溫保護等功能，能夠確保設備在異常條件下仍能正常運行。因其優異的性能和緊湊的封裝，被廣泛應用于各種低電壓、低功耗的電子設備中。本設計利用AMS1117芯片生成穩定的3.3 V直流電源，為STM32主控芯片供電。

3 系統軟件設計

3.1 云端軟件設計

用戶移動手機端和云端服務器的主要職責是持續監測相關網絡端口。一旦捕捉到請求，它們會立即將請求轉發至相應的服務。針對請求的內容，如果涉及的是靜態文件，系統會直接在指定位置查找并讀取數據。然而，如果請求采用MQTT協議，那么在處理過程中，首先需要驗證賬號和密碼的正確性。驗證通過后，系統會將數據存儲至數據庫，最后將數據轉發至訂閱該主題的客戶端。該操作流程可確保數據處理的準確性和高效性。

本項目的云端采用的是巴法云平臺。在平臺上創建專屬的主題，通過訂閱這些主題實現單片機與手機之間的信息交互。手機可以通過已獲取的數據信息來控制單片機，同時單片機也能將相關數據反饋給手機。

首先，在巴法云上的賬號和私鑰UID如圖4所示。在該平臺創建主題，單片機聯網并訂閱這個主題后就可以向這個主題發送信息，同時接收這個主題推送的消息，如圖5所示。

系統通過ESP-01S模塊實現WiFi通信。在模塊接入系統之前，首先需要通過USB轉TTL接口將其連接到電腦上，這樣可以通過串口調試工具將模塊的波特率設置為9 600。完成這些設置后，就可以順利地進行系統與WiFi之間的通信了。圖6展示了ESP-01S的程序流程。

3.2 智能插座終端軟件設計

系統程序流程如圖7所示。智能插座上電之后，首先會檢查網絡配置并通過ESP8266 WiFi模塊與云端服務器進行連接，對各個模塊進行初始化。待連接MQTT服務器成功且各個模塊初始化成功后，智能插座終端會關注相應主題，接著進入一個持續執行的while（）主函數，以執行相關指令。在此循環中，智能插座需持續檢查服務器是否有消息傳來。一旦有消息，智能插座會解析信息內容，然后根據解析結果執行相應操作，優先執行來自服務器的指令，如控制繼電器切斷用電器的電源等；如果沒有，則實時獲取更新用電器的各項指數，并顯示在OLED上，同時上傳到云端，最后通過云端發送到手機。在這個過程中，智能插座能夠及時接收并處理來自服務器的指令，確保系統運行高效穩定。

本設計使用了巴法云平臺的微信小程序框架，以巴法云模板工程為基礎，參考模板相關代碼，對微信小程序進行二次開發。所使用的軟件為微信開發者工具，并使用WXML、WXSS和JavaScript語言進行編程。

小程序界面設計簡潔，用戶打開小程序即可看到插座的電壓、電流、功率和溫度。通過小程序界面上的按鈕也可以實現插座的遠程通斷操作。應用界面如圖8所示。

4 系統測試

系統各個部分工作正常后，開始對插座正常供電，智能插座開機后正常運行，等待服務器的連接及各模塊初始化成功。各個模塊不斷地監測用電器狀態，并將數據發送到主控板，數據通過OLED顯示后被發送到云端，最終可以在手機移動端觀察到相應數據。用戶可以通過手機發送指令，使智能插座啟動繼電器、警報器等相應功能。產品實物如圖9所示。

經過檢測，設備在空載狀態下運行正常，且各項指標均在誤差范圍內。隨后為設備施加不同功率的負載，檢測設備的運行情況及各項參數，測試數據見表2。在設備正常工作的情況下進行高低溫、靜電、浪涌沖擊、泄露電流、絕緣電阻等硬件測試，觀察設備在這些極端條件下是否能夠正常運行以及出現的問題，分析并解決問題。測試數據見表3。

綜合對比分析測試數據后可知，系統能準確地展示控制界面的用電數據，充分反映插座的實時使用狀況。這意味著用戶通過智能插座可以精確地了解電氣設備的使用情況，從而實現更為有效的節能和管理。插座的抗干擾性、耐用性都較高，十分有利于設備的保護和維修。高安全指數和管理系統的精確性，使得智能插座成為一款實用且可靠的智能家居設備。

5 結 語

基于云端的智能電源插座在確保安全的同時，也注重實用性，力求在保障安全的前提下實現產品的極致耐用性。該插座以巴法云服務器為中轉站，通過ESP8266實現無線控制及數據傳輸，能夠遠程控制用電器的通斷，實現產品的智能化、自動化。對比傳統的電源插座，本產品在其基礎上實現了革命性的創新，不僅功能多樣化，傳輸的數據也更加全面和準確，同時支持反饋性傳輸等科技性創新。

未來隨著科技的不斷發展、人們需求的不斷提高，本產品所使用的芯片等組件都具有二次開發潛力，可以根據人們的需求不斷升級優化。本產品還能結合大數據、機器學習等相關技術領域，將用電數據建成數據庫，進而分析用電器的老化時間閾值、使用環境影響等規律，幫助人們更好地使用產品，幫助相關生產企業更好地完善升級產品。

注：本文通訊作者為方展青。

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作者簡介：王 暢（1980—），男，博士，高級工程師，研究方向為信號處理與通信系統、人工智能等。

方展青（2002—），男，研究方向為電子信息工程。

收稿日期：2023-11-21 修回日期：2023-12-19

基金項目：韓山師范學院質量工程項目（0006/520053，HSKC-SZ22708，HSJYS-KC22719）；韓山師范學院教育教學改革項目（HSJG-YB231016，HSSYLKC-HH231222）；廣東省普通高校創新團隊項目（2023KCXTD022）；韓山師范學院科研平臺項目（PNB2104）