多功能智能插座設計

李元吉　林德麗

摘 要：智能家居在物聯(lián)網(wǎng)中占有很重要的，文章以智能插座為例來闡述智能家居的整體功能。智能插座使用arduino單片機，ESP8266串口WIFI模塊，可以使用微信平臺和家用電器上實現(xiàn)交互式控制、遠程控制、微平臺還可以實現(xiàn)社會網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)與智能家居系統(tǒng)推廣，產(chǎn)品將會有良好的市場前景。

關(guān)鍵詞：智能插座；arduino；esp8266串口wifi

1 智能插座發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的電源插座僅僅是電路的拓展，而智能插座一般都有著相應的智能化的功能，智能插座和傳統(tǒng)的插座在外觀和功能上有著明顯的差異。當前的市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同功能的智能插座，他們內(nèi)部嵌有智能集成芯片或微處理器，能夠完成初步的智能處理，但目前的都存在功能較為單一的缺點，難以與物聯(lián)網(wǎng)進行相應的契合，不能滿足智能家居系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 主要技術(shù)

ESP8266是一款高度集成的芯片，該芯片專門針對無線連接的需求而開發(fā)，是一個完整且自成系統(tǒng)的Wi-Fi網(wǎng)絡解決方案。它能夠搭載軟件應用，也能通過另一個應用處理器卸載所有的Wi-Fi網(wǎng)絡功能。

ESP8266芯片是專門為無線連接而設計的，是一個擁有獨立的Wi-Fi網(wǎng)絡的完整系統(tǒng)解決方案。它可以攜帶的應用軟件，也能通過應用卸載Wi-Fi網(wǎng)絡功能。ESP8266具有良好的處理能力和存儲功能，使傳感器可通過GPIO端口來進行控制相關(guān)的設備，既縮短前期開發(fā)時間，也最大限度減少運行中系統(tǒng)資源的占用。達到縮短開發(fā)時間和減少早期資源使用的目的。ESP8266高度集成在芯片中，只有很少的外部電路，包括它的前端模塊，包括整個解決方案，使設計的空間占用達到最小。

HC05藍牙模塊與屬于HC民用級串口藍牙模塊。可用于各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA等智能終端配對，兼容單片機系統(tǒng)。當主從模式兩個藍牙模塊配對成功后。

2.2 設計模塊

主控制器：主控制器主要由一片arduino單片機構(gòu)成，是整個智能插座的核心，負責整個系統(tǒng)的測量、控制、通信、管理。

通信模塊：智能插座通過無線通信模塊與主控制器進行數(shù)據(jù)交互，我們設計的智能插座利用esp8266串口WIFI模塊以及藍牙模塊作為通信模塊，實現(xiàn)遠程控制插座的通斷電以及將主控器采集的功率等數(shù)值傳上互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，在遠程可查看相關(guān)數(shù)據(jù)以及完成家電設備的控制。

按鍵電路：采用單按鍵的輸入方式觸發(fā)外部中斷，用于開啟定時模式，以及完成定時時間的設定。

信號檢測模塊：通過分壓電阻和錳銅片將電壓電流功率信號，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換輸入到測量芯片ATT7022B，此芯片內(nèi)有A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字運算電路，可以計算電壓電流等有效值和功率的計算，生成數(shù)據(jù)流。

傳感器模塊：由于本系統(tǒng)中很多模塊都會耗電，在無人使用時可關(guān)掉總電源，因此可用主動式紅外模塊監(jiān)測智能插座是否有人使用，若無人使用，則關(guān)掉電源，已達到節(jié)電的目的。

繼電器模塊：繼電器是利用單片機高低電平控制插座通斷電的橋梁，可實現(xiàn)小電壓控制大電壓。

3 軟件設計方案

軟件設計主要實現(xiàn)插座上沒有連接電器時自動斷電、用戶可遠程控制插座的通斷電、用戶可手動設置讓插座定時通斷電這三個功能。

首先進行初始化，設置好端口并初始值，紅外傳感器用于檢測插座上是否有遮擋物（即是否有插頭在使用），若有插頭使用，用戶可以通過手機終端控制繼電器的開與關(guān)進而控制插座的通斷電；若無插頭使用，則繼電器無法打開，插座不能通電。另外使用循環(huán)程序設置定時時間。而藍牙模塊的功能則是用與終端設備的通信，如本實驗使用的手機終端，當手機發(fā)送“開”或“關(guān)”的指令后，藍牙模塊接收到并進行響應。初始化的設定包括個引腳的定義，初始電平，按鍵一次的延時時間和波特率。

延時部分，為避免按鍵擾動設置有20ms的延時，檢查引腳3（該引腳連接按鍵，按下對應為“0”）是否為“0”，若為“0”則延時加1000ms，若沒有延時指令則引腳3寫入高電平。因此可以通過多次按鍵實現(xiàn)延時時間的累計。當然這里為了便于觀察現(xiàn)象設置time為1000ms，也可以增大按鍵一次所延時的時間，以滿足用戶的需求。

按鍵部分，使用MsTimer2庫函數(shù)，它是一個定時器中斷函數(shù)，當time溢出時就跳轉(zhuǎn)至timing_switch，結(jié)束中斷。使用這個函數(shù)時需要事先在Arduino的函數(shù)庫中導入該函數(shù)文件或自己編寫。

按鍵掃描部分，為了解決并不是要進行定時設置卻碰到了按鍵，會出現(xiàn)錯誤的響應，加入按鍵掃描的檢查。首先做一次按鍵檢查，判斷按鍵是否按下，若按下，延時20ms后再次檢查，若仍為按下則進行確認。這樣就需要我們在按鍵時停頓一會，避免了擾動產(chǎn)生的問題。

繼電器的開關(guān)控制，首先接收藍牙終端發(fā)過來的ASCII碼并判斷，若設置“ON！”和“OFF！”接收到為“ON！”則打開繼電器，接收到為“OFF！”則關(guān)閉繼電器，從而實現(xiàn)對插座的通斷電控制。

紅外傳感器障礙物檢測，紅外傳感器通過紅外線的反射來檢測障礙物，如果有障礙物則可以控制插座開關(guān)，如果無障礙物返回高電平，無法打開繼電器。

4 結(jié)束語

該多功能智能插座從智能家居標準的角度考慮，除具有電源分配功能外，還應該擁有過載漏電的保護功能；定時，利用定時器，使智能插座中在指定的時間節(jié)點進行斷電操作，便于自動控制，為電氣和電子設備進行預約延時功能；遠程控制，使用Wi-Fi連接，通過板載通信模塊實現(xiàn)對家用電器的遠程控制，實現(xiàn)自動開啟、關(guān)閉；電量檢測，計算并查看在一定的時間內(nèi)消耗的電能和設備的電流功率。

參考文獻

[1][美]MassimoBanzi.愛上Arduino[M].于欣龍，郭號 譯.人民郵電出版社，2011.

[2]楊欣，萊洛克斯，王玉鳳，等.電子設計從零開始[M].清華大學出版社，2010.

[3]陳海旺，張振娟，黃明.智能家居中無線智能插座的涉及[J].電視技術(shù)，2013.

作者簡介：李元吉（1994，04-），男，山東煙臺，本科在讀，研究方向：計算機科學與技術(shù)。

指導教師：林德麗（1983，09-），女，山東日照，講師，碩士，計算機科學與技術(shù)。