基于物联网的智能插座设计

基于物联网的智能插座设计随着技术的发展和人类生活水平的提高，越来越多的人开始追求高科技和高质量的生活。智能电子设备的发展给人类生活提供了很大的便利。近年来，智能移动设备，智能家居设备，智能可穿戴设备发展迅速。智能家居作为其中一个重要的方面，极大方便了人们对家庭电子设备和电气设备的管理和使用。物联网是一个基于互联网、传统电信网等讯息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网通过互联网，将物体与物体之间建立通信连接。智能家居建立在物联网基础之上，将家用电器和智能网关、个人电脑、手机等电子设备连接，以实现统一的和自动化的管理，为居民的生活提供便利。家用电器作为普遍存在的家居设备，缺乏统一的智能化方案和接口，因此要实现家电总体的智能化绝非朝夕之功。但插座作为家用电器连接电源必须使用的设备，若能实现智能化管理，则会在很大程度上借助对插座的管理实现对家电的智能化管理。本文提出一种智能插座设计方案，实现了简单的功能设计，并进行了样机设计和测试。在本文提出的硬件方案的基础上可以进行更加专用和更加复杂的功能设计和实现。模块设计控制器控制器使用AVRATmega16，它具有16K字节的系统内可编程闪存，512字节EEPROM，1K字节片上内存，32个通用输入输出接口和寄存器，通用同步/异步串行接收/发送器（USART），10位精度的模数转换器，可通过编程配置外接晶体振荡器提供时钟信号。通信模块无线通信使用WIFI实现。WIFI对比蓝牙、ZigBee等其他无线通信方式，有较多的优点。1.WIFI已经有着极其广泛的应用。WIFI形成一种工业化的标准，目前市面上的智能手机、平板电脑和笔记本电脑、无线路由器等都支持WIFI通信。很多家庭都有WIFI设备。可以说，WIFI设备更容易被广大用户接受。图1ATmega16引脚示意图2.通信距离长，一个遵循IEEE802.11b或IEEE802.11g标准的无线路由器在使用外置天线时可能有一个长达32m的室内传输距离，这比蓝牙等技术有明显的优势。3.传输速度快，WIFI的传输速度相对蓝牙和ZigBee要快很多——遵从IEEE802.11b标准的可高达11Mbps，遵从IEEE802.11a和IEEE802.11g标准的可高达54Mbps。4.WIFI芯片的价格便宜，有完善的标准、电器特性说明，和技术文档。WIFI模块是实现了TCP/IP协议栈的WIFI解决方案。在具体选择WIFI设备时，我们使用USR－WIFI232模块。USR－WIFI232是一款USART接口的WIFI模块（以下简称WIFI模块），一端可以通过USART与单片机连接，接收单片机的指令，另一端可以通过WIFI与其他无线终端或路由器直接连接。通过简单的操作，可以在第一次连接的时候配置并保存网络信息。此模块内置轻型TCP/IP协议栈（LWIP），它的运用实现了数据的透明传输和安全传输，使得系统其它功能的设计可以更加灵活。USR－WIFI232模块支持通过串口和通过无线连接，进行参数配置。1.通过串口配置参数：WIFI232模块的USART与ATmega16的USART接口直接连接，可以通过WIFI模块设置的接口函数，由单片机发送AT命令直接修改WIFI模块的各种参数。2.通过无线连接配置参数：用户第一次与智能插座连接时，插座端以AP方式启动，用户可以通过带无线网卡的电脑或智能手机连接智能插座，并修改智能插座的串口配置和网络配置等配置参数。电器工作状态检测模块由于本插座设计时的直接需求是机房的安全监测和远程控制家电设备的电源通断，因此暂时没有进行详细的功率检测方面的设计。我们将电器的工作状态划分为运行和关闭两种状态。在监测用电器工作状态功能的实现方案上，可选择较简单的光电原件传感的方式。但我们设计用电流互感—电流采样—AD转换的方案，因为这种方案使我们的设备可以直接升级成为功能更强的、可以进行功率检测的智能插座，即可扩展性强。当电器不在运行时，负载电流为接近零的微小值。当电器运转时，负载电流为较大值。我们设定最小工作电流阈值，当连续测得的电流，转换为有效值后小于此阈值时，可认为电流为零，电器处于关闭状态。当测得电流大于此阈值时，可认为电流不为零，电器处于运行状态。ATmega16单片机自带具有10位精度的AD转换器（ADC），输入电压可测量的范围在0－Vcc内。因此ATmega16单片机的片上ADC完全可以满足负载电流检测的需要。此10位的ADC可将GND与参考电压Vref之间的输入电压转换为2^10个不同的数字量。转换后得到的数字量范围在0与2^10－1之间。当使用十位转换精度时，单片机片上ADC分辨率可计算如下：其中Vref为ADC参考电压取值。例如，取参考电压为片内的2.56V基准电压时，根据公式（1）计算：设转换结果为Valueadc，则输入电压inV与adcValue之间的转换关系由下式给出：至此，我们有以下结论：理想情况下，若电流互感器变比为1：n，则电流变比（初级线圈与次级线圈流过的电流之比）::1psIIn=，当次级采样电阻取值sR时，设备可检测到的最小阻性用电器功率阈值可估算为：具体应用之时，sR的取值要满足电流互感器的额定二次负载要求，并且二次端不允许开路，否则会存在很大的安全隐患。在实际情况下，由于电磁环境的干扰、ADC基准源的扰动、输入杂波的存在等原因，最小灵敏功率实际值必定比计算得到的minP大。在需要优化最小灵敏度的应用场合，可有以下改进思路：1.使用更高精度ADC2.对输入高频干扰进行滤波处理3.改变互感器的变比考虑到本系统设计时的应用环境为机房电器和普通家电的监控，不会存在功率非常小的情况，因此为了最简化系统硬件规模，暂时不考虑这个问题，只做最简单的滤波和抗电磁干扰处理。模块硬件设计如下：取合适变比的电流互感器，初级端直接接用电器电流回路，次级端接检测装置，通过电流互感器将前端用电器与后端检测装置隔离，起到安全耦合的作用。将流过用电器的电流耦合到电流互感器次级线圈后取样和简单滤波，将取样电压连接到单片机的ADC。在收到检测用电器工作状态的指令时，由ADC连续进行数次转换，以检测电流峰值；待数次转换全部完成之后，将ADC转换结果计算得到用电器工作状态，并将结果发送到WIFI模块。遥控开关模块遥控开关模块由连接在单片机上的电磁继电器实现。电磁继电器控制信号来自单片机IO接口。控制信号为高电平时，电磁继电器内部的三极管饱和导通，继电器通电，磁接触点吸合，负载开路。当控制信号为低电平时，内部的三极管截止，继电器磁力消失进而磁接触点断开，负载接入电源回路中。根据继电器的型号不同，它的触电负载能力也不同。试验中我们使用交流承载能力为250V，5A的电磁继电器进行遥控开关功能的功能验证。电源系统需要稳定的直流电供电：WIFI模块、电磁继电器和ATmega16单片机需要低电压（5V左右）直流电源供电。因为整个插座的耗电量较小，因此我们设计以下交流——直流电源转换电路。此电路可将电源从交流220V市电转换成直流电，有着体积小、电压稳定的特点。电路原理图如下图3所示。程序逻辑总体逻辑智能插座设备通过WIFI模块与家用智能终端连接：一方面，通过WIFI模块将传感数据送出到家用智能终端；另一方面，通过WIFI模块接收家用智能终端的控制信息。AD转换AD转换通过指令触发。当单片机收到查询指令时，触发连续的AD转换，然后计算结果，并将得到的结果通过与单片机串口连接的WIFI模块送出。ATmega16单片机的ADC输入接口与通用IO接口PA0－PA7复用。试验时我们选取（PA7）接口作为单通道AD输入接口。AD初始化和运行程序流程如下：1.将选定的AD输入接口（PA7）设置为高阻态输入状态，并写ADMUX寄存器，指定输入接口2.设置基准电压3.设置数据对齐方式4.设置AD转换频率5.设置转换方式6.开始AD转换7.得到AD转换数据8.处理得到的数据，并根据公式计算得到用电器工作状态USARTWIFI模块与单片机通过USART连接并实现数据双向传输。USART串口通信需要给主从原件设置相同的波特率。其他细节在此不再赘述。扩展接口ATmega16的多通道ADC和较多IO接口（包括SPI和TWI串行接口）使得我们在有其他需求时，可以继续添加其他传感设备。对于输出量为模拟信号的传感器，可根据其输出电压幅度，将其输出电压处理和采样之后接到某空闲ADC通道输入接口，并进行AD转换；对于输出量为数字信号的传感器，可直接读取传感器输出的数字信号值。功能测试本文主要考虑智能插座的功能设计与实现，但智能插座在部署使用时，一般需要作为智能家居网关的上位机同时协作，实现用户与智能插座的双向连接和数据交换。因此，功能测试包括两方面内容：1.控制命令（如开启、关闭电源的命令）从用户处发出，经过智能家居网关送达到智能插座，并触发智能插座的响应；2.在收到查询命令（如用电器工作状态查询命令）时，ADC开启并完成转换，转换数据从智能插座出发，送达智能家居网关，智能家居网关对数据进行处理后，将结果返回给用户端的程序。本文以AVR开发板，配置必要的外设，进行功能验证。为调试方便，以安装Windows操作系统的笔记本电脑作为智能家居网关（上位机），直接连接智能插座WIFI，并通过上位机的测试程序，向智能插座发送控制命令，同时接收智能插座传来的数据。经实验验证，通信、控制电源通断、检测用电器工作状态的功能都可正常实现。功能测试的结果证明本文方案具有可行性。总结本文在物联网背景下，从现有不同厂家、不同标准智能家居终端无法统一管理，且传统家电难以实现智能化升级等几个问题入手，根据机房设备和家电工作状态监控需求，从硬件选型、关键模块设计、软件程序设计等几个方面入手，提出了一种智能插座的设计方案。经过对原型设备的功能试验，验证了文中方案的可行性。原型机的设计满足了基本的功能需求，并且具有良好的可扩展性：在本文提出的设计的基础上，可以扩展实现其他个性化、复杂化的功能，比如在此基础上添加一些传感器使之成为传感器网络节点，实现智能插座通过WIFI的互联与自组网，通过外接高精度ADC实现精确的用电器功率检测等。本文主要讨论了智能插座的总体设计方案，未就某些细节进行讨论，如未讨论系统的节能控制方案，未考虑单片机模块通信失效情况的处理等，这是本方案的不足之处。但是当要大规模推广、应用智能插座时，这些都将是必须考虑的问题，我们将其作为下一步的研究方向。