基于STM32的無線紅外智能插座系統(tǒng)設計梁

李柳元

摘 要： 目前市面上的智能插座僅具有無線控制其通斷的功能，無法實現(xiàn)通信組網，更不能控制帶紅外遙控的主流家電設備等。介紹了一種以STM32單片機為控制核心，集成紅外收發(fā)模塊和無線通信模塊的多功能智能插座系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對帶紅外遙控的主流家電設備的控制，具有定時控制、通信組網、紅外信號自學習等功能，具有性能穩(wěn)定、擴展性強等優(yōu)點，隨著智能家居的普及和發(fā)展，該設計具有廣闊的市場應用前景。

關鍵詞： 智能插座； 無線通信； 紅外收發(fā)； STM32

中圖分類號： TN915?34； TP334 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0156?04

Abstract： The smart sockets available in market only has on?off function achieved by wireless remote control， which can realize neither communication networking nor control of the mainstream household appliances with infrared remote control. A multifunction smart socket system which uses MCU STM32 as the control core， and integrates infrared transceiver module and wireless communication module is introduced in this paper. It has the functions of timed control， communication networking and infrared signal self?learning， and can realize the control for mainstream household appliances with infrared remote control， what is more， it has the advantages of stable performance and strong expansibility. With the development and popularization of the smart home system， the design has a wide prospect.

Keywords： smart socket； wireless communication； infrared transceiver； STM32

0 引 言

目前國內主流家用電器如電視、空調等大都是由紅外遙控控制，即其通電后僅處在待機狀態(tài)，并不能夠立即工作。而目前市面上的多數(shù)智能插座并沒有集成紅外模塊，只能通過無線通信實現(xiàn)對接入插座口的設備進行遠程通斷電控制，并不能控制設備的開關機狀態(tài)，也就算不上真正的智能化，并且不能對多個插座進行統(tǒng)一控制，不利于擴展應用。因此本文提出了一種基于STM32的紅外無線智能插座系統(tǒng)的設計方案，該插座系統(tǒng)具有遠程控制，通信組網，學習紅外碼，定時控制等多種功能，可以實現(xiàn)對帶紅外遙控的主流家電設備的智能控制。該系統(tǒng)使用簡單，能極大的便利日常生活，促進智能家居推廣和普及。

1 系統(tǒng)工作流程及功能介紹

1.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)整體設計方案如圖1所示，主要包括插座節(jié)點[1]、串口轉無線模塊和紅外收發(fā)模塊三個部分。結合圖1系統(tǒng)整體設計方案來看，該智能插座系統(tǒng)的工作流程如下：

（1） 學習過程。紅外收發(fā)模塊基于STM32內置的I2C通信接口與E2PROM芯片通信，并配合紅外接收器和自學習按鍵實現(xiàn)遙控按鍵學習功能。當初次使用該插座時，按住紅外收發(fā)模塊上的自學習按鍵，同時對準紅外收發(fā)模塊上的紅外接收器按下設備遙控器的待機/開機按鍵[2]，此時該設備遙控器的待機/開機鍵的紅外碼值就會寫入E2PROM中，完成自學習[2]功能。

（2） 控制過程。經過自學習后的插座，用戶可以在PC上位機控制終端的操作界面上設置插座節(jié)點的工作狀態(tài)，比如插座編號、插座通斷、定時信息等，并通過串口轉無線模塊將用戶指令無線傳輸給指定的插座節(jié)點和紅外收發(fā)模塊；插座節(jié)點完成相應的通斷動作，紅外收發(fā)模塊向相關設備發(fā)送紅外信號，將相關設備切入待機狀態(tài)后延遲5 s自動切斷電源[2]，或是接通電源延時5 s后由紅外收發(fā)模塊向相關設備發(fā)送紅外信號，將設備從待機狀態(tài)切入開機狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)功能介紹

為滿足智能家居系統(tǒng)的需求，該新型智能插座系統(tǒng)除具有電源分配功能外，還應該具有以下功能：

（1） 控制功能。該智能插座系統(tǒng)能通過插座節(jié)點的電源通斷控制插座節(jié)點上設備的供電，并能對接入設備發(fā)送相應的紅外信號，從而實現(xiàn)對帶紅外遙控的主流家電設備，如空調、電視等的遠程控制。

（2） 組網功能。在該智能插座系統(tǒng)中，通過對插座節(jié)點進行編號，可以實現(xiàn)多個插座節(jié)點與PC上位機終端進行無線通信，響應終端的命令，即多通道無線傳輸。

（3） 定時功能。在PC上位機操作界面中設定時間，即可完成插座節(jié)點的定時通斷功能。

（4） 學習功能。利用STM32內部自帶的I2C通信接口與E2PROM芯片的通信連接，該智能插座系統(tǒng)可以學習帶紅外遙控的主流家電設備的遙控器上的任意按鍵，以實現(xiàn)其自學習功能。

2 硬件電路設計

智能插座系統(tǒng)硬件由插座節(jié)點、串口轉無線模塊、紅外收發(fā)模塊三個部分組成。

2.1 微處理器endprint

微處理器選用基于Cortex?M3內核的32位增強型閃存微處理器STM32F103RCT6作為控制核心，Cortex?M3內核的設計集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體，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，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C，3個SPI，2個I2S，1個SDIO，5個USART，1個USB和1個CAN[3]。其豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，降低了設計成本。

2.2 插座節(jié)點設計

插座節(jié)點的硬件原理框圖如圖2所示，可以看出整個電路以STM32單片機作為控制核心，包含電源轉換模塊、繼電器控制電路、2.4 GHz無線傳輸電路和DS1302時鐘電路。

（1）電源轉換模塊。電源分為三個部分：市電電源220 V；繼電器控制電路的5 V電源；單片機等模塊的3.3 V電源。

對于市電部分，考慮安全與功率限制，導線較寬，有較好的過流過載能力，插座節(jié)點采用三孔式，兩相插座供電，標準銅片接觸，保證安全性；并通過繼電器控制實現(xiàn)插座一端的220 V火線供電，插座的另一端全部連接到220 V的零線上，各個插座的接地端子連接到電源插頭的地線上[1]。

對于5 V電源部分，因為開關電源的尺寸遠小于降壓穩(wěn)壓模塊電路[1]，具有很好的輸出效果，輸出功率滿足系統(tǒng)工作要求，因此插座節(jié)點采用的供電方式為開關電源模塊供電，如圖3所示，采用220 V交流供電輸入，輸出500 mA電流值的5 V電源。

對于3.3 V電源部分，采用AMS1117模塊進行電源轉換，加入濾波電路，使電源轉換更平穩(wěn)。AMS1117的特點包括：固定輸出電壓，低漏失電壓（1 A輸出電流時僅為1.2 V），限流功能，過熱切斷，工作溫度范圍寬[1]（-40～125 ℃）。

（2） 繼電器控制電路。設計電路如圖4所示，考慮插座安全，采用光耦隔離將強電弱電進行分離控制；繼電器工作電壓為5 V，采用三極管驅動，驅動能力強；IN1為繼電器控制接口，接單片機I/O口，低電平吸合，高電平釋放。

（3） DS1302時鐘電路。插座節(jié)點采用DS1302時鐘芯片實現(xiàn)基本定時通斷功能，時鐘電路的時鐘晶振是32.768 kHz。DS1302內含有一個實時時鐘和31 B的靜態(tài)RAM，實時時鐘提供秒、分、時、日、周、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可以自動調整，并通過同步串行方式與單片機進行通信。

2.3 串口轉無線模塊設計

串口轉無線模塊的整個電路以STM32單片機作為控制核心，包含USB接口電路和2.4 GHz無線傳輸電路。

（1） USB接口電路。USB接口電路如圖5所示，該電路基于PL2303設計，PL2303是一種高度集成的RS 232/USB雙向接口轉換器，可完成RS 232與USB接口之間的協(xié)議轉換，并為外部串行接口提供電源，從而實現(xiàn)PC機的USB接口與單片機之間的通信問題，通信波特率高達6 Mb/s。STM32F103RCT6提供5個內置的串口通信模塊，可方便地與PL2303連接，采用兩線連接串口方式，分別將STM32F103RCT6的PA.9（U1_TX），PA.10（U1_RX）與PL2303的P1（TXD），P5（RXD）連接，3.3 V輸出為STM32F103RCT6提供電源。

（2） 2.4 GHz無線傳輸電路。對于實現(xiàn)數(shù)據通信的無線模塊采用的是2.4 GHz的24L01模塊，nRF24L01是NORDIC公司產的一款無線通信芯片，可以實現(xiàn)點對點之間的無線數(shù)據通信或是一對六的無線數(shù)據通信，其無線通信傳輸速率為0～10 Mb/s，有125個可選工作頻道，且為單片機系統(tǒng)預留5個GPIO和1個中斷輸入引腳，適用于單片機系統(tǒng)構建無線通信功能。對于單片機控制，所需控制引腳有8個，分別為VDD，VSS，CE（芯片的模式控制線），IRQ（中斷信號），SCK（芯片控制的時鐘線），MOSI（芯片控制數(shù)據線），MISO（芯片控制數(shù)據線），CSN（芯片的片選線）[1]。

2.4 紅外收發(fā)模塊設計

紅外收發(fā)模塊的整個電路以STM32單片機作為控制核心，包含紅外收發(fā)電路、E2PROM接口電路和2.4 GHz無線傳輸電路。

（1） 紅外收發(fā)電路。紅外收發(fā)電路包括紅外接收電路、紅外發(fā)射電路兩部分。紅外接收電路如圖6所示，采用HX1838紅外接收器，其載波頻率為38 kHz。紅外發(fā)射電路如圖7所示，采用一個與非門和紅外發(fā)射二極管實現(xiàn)，單片機通過兩路信號進行與非運算后，控制二極管下端電平。

（2） E2PROM接口電路。E2PROM（帶電可擦可編程只讀存儲器）是一種掉電后數(shù)據不丟失的存儲芯片，通過與單片機的I2C接口進行通信，實現(xiàn)數(shù)據存儲。電路如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計整體上可分為：插座節(jié)點軟件設計；串口轉無線模塊軟件設計；紅外收發(fā)模塊軟件設計；上位機控制終端軟件設計。本文主要介紹插座節(jié)點的程序設計和紅外收發(fā)模塊的程序設計。

3.1 插座節(jié)點軟件設計

插座節(jié)點的整體控制程序主要包括主程序、外部中斷。其中主程序主要負責節(jié)點數(shù)據讀取傳輸功能，程序流程圖如圖9所示。外部中斷用于響應上位機控制終端通過串口轉無線模塊發(fā)送的操作指令；采用中斷的方式使節(jié)點能夠準確響應外部操作命令，避免因查詢法丟失用戶命令的情況[4]。

3.2 紅外收發(fā)模塊軟件設計

整個紅外收發(fā)模塊程序主要包括兩部分：紅外接收程序和紅外發(fā)射程序。其中紅外接收程序主要負責紅外遙控的解碼和自學習功能的實現(xiàn)，程序流程圖如圖10所示；紅外發(fā)射程序負責響應上位機發(fā)送的無線控制信號，將存儲在E2PROM中的相應紅外碼值提取并發(fā)射出去，程序流程圖如圖11所示。

4 結 語

本文介紹了新一代智能插座系統(tǒng)的功能和設計方案，其具有智能控制、定時設置、通信組網、學習存儲等多種功能，且具有費用低廉，安裝簡單，使用方便，可隨意擴充插座的數(shù)量，控制靈活，可以用PC上位機進行遠程控制等優(yōu)點，這將滿足智能家居系統(tǒng)和物聯(lián)網的發(fā)展需求。因此，隨著智能家居系統(tǒng)的快速發(fā)展，該智能插座系統(tǒng)的應用將越來越廣泛，具有十分良好的推廣前景和應用價值。

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