基于STM32F107的能耗管控型物聯網WiFi插座的設計

于樹科，瞿國慶，陳 煒

（江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226011）

0 引 言

由于人們生活水平的不斷提高，越來越多的普通民眾購買了各式各樣的家用電器，但隨著家用電器的過度涌現，致使生活矛盾凸顯。比如由于電視機和空調遙控器的紅外編碼不同，導致遙控器之間無法通用[1-2]；由于通信組件較為單一，一旦發生故障，就會令整個通信部分出現故障，遙控器無法使用。因此，終端通信協議標準的統一已成為人們的迫切愿望，但在諸多廠商利益沖突和節約成本的前提下，很難在現有技術水平下實現傳統家電的智能化和統一控制。

近幾年，由于智能家居的大力推廣，市場上涌現出了大量智能設備，新技術的出現未考慮舊家電的接口，導致新舊家電通信協議不匹配。因此人們迫切需要一種智能設備來實現對所有或絕大多數家用電器的智能化和統一控制。

本文設計的智能插座安裝便捷、使用方便、配置靈活，可快速通過互聯網接入云服務平臺，為用戶推送各項能耗數據，提供用能控制策略，分享和交流節能經驗。同時，為政府和管理部門提供數據接口，從而改善諸多行業的節能管理水平。“小插座，大能量”，物聯網WiFi插座將為“全民節能”事業添磚加瓦。

1 硬件設計

能耗管控型物聯網WiFi插座的硬件架構如圖1所示。物聯網WiFi插座設備的硬件結構由傳感器系統、控制系統、電源系統、主控芯片、服務器、個人手機和PC端組成。其工作原理是將傳感器系統所采集的能耗數據和用戶操作數據通過無線通信模塊將信息傳輸至主控芯片STM32F107，然后將接收到的數據與原數據庫做對比[3]，分析能源消耗是否正常，之后再將比對結果上傳至云平臺或服務器中。用戶可通過個人手機或PC端登錄服務器和云平臺進行實時查詢。還可通過服務器對控制系統發送命令，實現開關插座、電源保護等功能。主控芯片由控制模塊、通信模塊和傳感器組成，控制模塊主要實現對數據存儲、信息處理和用戶操作的管理，通過數據平臺為用戶提供能耗管理的方案和處理建議，用戶可利用現有的互聯網基礎設施，在任何時間、地點通過手機或PC實現實時查詢和控制。

圖1 硬件系統架構圖

1.1 傳感系統

無線通信模塊（WiFi模塊，藍牙模塊）和無線模塊（RF無線模塊）是指由DSP技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸無線電模塊。無線模塊可擴展到諸多系統，工業控制開關容量I/O設備，模擬數量獲取和控制設備。從最早使用的關鍵代碼、電報、模擬無線電模塊和無線調制解調器，到目前的數字無線電模塊和DSP軟件無線電，傳輸信號也從代碼、低速數據（300～1 200 bps）發展到高速數據（N*64K～N*E1）[4]。

紅外模塊是指兩種驅動模式，即電平和脈沖。一個獨立的光電傳感器由紅外線電子管陣列組成，該傳感器能夠承受來自外界強烈的光干擾。太陽射線含有紅外線，會干擾紅外線，將紅外線傳輸至二極管，導致系統誤判甚至癱瘓。該傳感器的優勢在于可設置多點采集，數組間距和數量可根據需求選擇。

1.2 控制系統

物聯網WiFi插座設備的控制系統如圖2所示。控制系統主要包括電能計量系統、人工智能自學系統、節電系統、連接傳感器和智能設備的控制系統。主控芯片接收個人手機或PC端發送的信號，實現對設備的遠程控制。主要使用控制節點、繼電器擴展模塊和相應的系統執行器實現對節能和用戶的個性化操作。

圖2 控制結構圖

1.3 主控模塊

主控制模塊選用STM32F107芯片，其含有10個定時器，24個1 m/s的A/D采樣（模數轉換器，快速交替模式采樣2 m/s），24個D/A（dac），兩個I2C接口，5個USART接口，3個SPI端口和高質量的數字接口。此外，STM32 F107還擁有全速度USB（ OTG）接口、2個CAN2.0B接口和以太網10/100 MAC模塊。芯片可滿足工業需要與醫療、建筑自動化、家庭音響、家電市場等場景[5]。

基于STM32F107以上特性，將其作為主要控制芯片，對無線通信數據進行處理，并與數據庫系統的標準值進行比較，然后處理數據并上傳。數據傳輸到服務器或云，芯片負責數據存儲、信息處理和命令控制。通過數據平臺控制系統，為用戶提供管理建議和社交娛樂服務。用戶可在任何時間、地點，利用個人手機和PC對能耗進行實時查詢和控制。

1.4 用戶控制系統模塊

使用用戶的個人手機或者PC機來實現用戶的控制操作。通過手機或者PC機，用戶可登錄服務器或云平臺以查詢或修改服務器，使用MQTT協議、TC/IP協議實現Socket通信。

2 軟件設計

能耗管控型物聯網WiFi插座軟件系統架構如圖3所示。主要通過傳感器采集數據，經由WiFi或Bluetooth傳輸，使得STM32F107收到數據并根據相應的操作命令執行動作。

2.1 現有采集的耗電數據

（1）繪制能耗曲線圖，可通過手機或電腦查看；

（2）形成日、周、月用電報告；

（3）監測用電是否出現異常，實時通過APP向用戶發出預警，以便用戶操作；

（4）長期過載或負載，自動斷電；

（5）用戶排名，形成獎勵機制。

圖3 物聯網WiFi插座設備的軟件系統架構

2.2 現有采集的操作數據

（1）長期采集用電數據、用戶操作數據，并上傳至云，進行大數據分析；

（2）AI模塊記錄用戶常用操作后可自操作；

（3）形成社交平臺，用于分享。

2.3 現有采集的溫度值

具有安全預警（火災等）功能，可通過APP，PC端顯示，方便用戶實時操作。

能耗管控型物聯網WiFi插座的軟件流程如圖4所示。檢測的AD值主要包括AD溫度值，AD能源消耗值以及AD操作值。當系統接收到相關AD值時，就會將其與云平臺中的值進行比較，一旦高于或低于標準值均會發出警告指令。

圖4 軟件流程圖

3 結 語

隨著傳統能源的消耗和不斷減少，未來用電成本必將逐年提升，電力能源是一種有限資源，節約能源必將成為未來的主流需求。中國是一個人口大國，更是一個能源消耗大國，因此，對于新興節能設備的研發，進行全面普及與低成本投入使用將是未來的發展研究趨勢[6]。如何把握技術發展趨式，整合應用方式也是我國在這方面的首要任務。在當今全球智能化發展趨勢中，中國的大城市一直緊跟世界潮流開始了節能減排行動和綠色能源的使用[7]。“小插座，大能量”，希望我們的能耗采集和管理方案能夠為社會節約能源貢獻力量。