基于STM32單片機的分布式智能家居插座系統(tǒng)

闞松松，彭雪婷，劉文，張蒞，譚承旦，吳定祥

（長沙理工大學(xué)，湖南長沙，410114）

0 引言

在科技不斷發(fā)展的今天，人們的生活水平不斷地提高，以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智能家居產(chǎn)品早已深入到人們生活的方方面面。本文將以stm32為核心設(shè)計一款監(jiān)控溫度，家用電器電能情況的智能家居系統(tǒng)，以滿足用戶對低端智能家居的需求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本文中的智能家居系統(tǒng)以STMF103微控制器為核心，選擇ESP8266無線wi fi模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，手機APP作為終端監(jiān)測和控制平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，接受和處理。通過溫度傳感器DS18B20，電能檢測芯片HLW8012和繼電器等硬件實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境以及家用電器電能使用情況的監(jiān)控。硬件設(shè)計布局如圖1所示。

圖1

圖2

其中家用電器設(shè)備是是分布在多個接線插座里，在插座里安裝檢測裝置和控制電路和無線通信裝置。檢測裝置包括溫度檢測，電能使用情況檢測，控制裝置主要為繼電器裝置，通過弱電控制強電。通信裝置就是esp8266無線模塊，所有信息將上傳到手機app終端，將信息反饋給用戶。整體設(shè)計使用模塊化設(shè)計，思路清晰。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

圖2是阻容降壓電路，將零線當(dāng)做公共地線。經(jīng)安規(guī)電容c1降壓，二極管整流后，采用IN4738將電源降壓到8.2V，再通過線性穩(wěn)壓芯片7805將電壓穩(wěn)定在5V，C2,C3為旁路電容，起濾波作用。該電源電路的輸出給芯片和微控制器供電。電路原理與結(jié)構(gòu)較為簡單，易于實現(xiàn)和制作。

2.2 溫度傳感器設(shè)計電路

圖3

如圖3所示，溫度傳感器選擇DS18B20芯片，輸出的數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷小，抗干擾能力強，精度高的特點。該芯片電路結(jié)構(gòu)簡單，接線方便，采用5V電源對其供電，并用一個電阻將I/O上拉，采用IIC通信方式,在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。用單片機IIC復(fù)用引腳接入，讀取數(shù)據(jù)。電容C4,C5為旁路電容，對供電電源濾波，減小干擾保證穩(wěn)定的供電，使其正常工作。

2.3 電能采集電路

如圖4所示，HLW8012是一款單相電能計量芯片，具有有功功率，電壓有效值，電流有效值測量功能。廣泛應(yīng)用于智能家電，節(jié)能插座等應(yīng)用場合。其內(nèi)部集成內(nèi)置振蕩器，參考電源，外部電路連接簡單，所用器件少。主要包括電壓，電流的采樣。電流信號是通過鏮銅電阻對負載電流采樣，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。其中圖中芯片引腳Vip與Vin為電流信號的差分輸入端。電壓信號是通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓采樣，將用電線上的高電壓通過電阻分壓降至芯片能夠承受的電壓范圍內(nèi)，以免導(dǎo)致芯片損壞。Sel腳為模式選擇端，當(dāng)Sel為1時，輸出電壓有效值，Sel為0時，輸出電流有效值。另外HLW8012并不是輸出成比例的模擬電壓信號，而是輸出周期脈沖。其中CF1和CF腳為實際輸出引腳。用電器的實際電流，電壓和有功功率有效值與輸出脈沖的周期成比例。比例值可以通過實際的測量與標(biāo)準(zhǔn)儀器進行校準(zhǔn)，可以得到較高的精準(zhǔn)度。

圖4

3 軟件設(shè)計

3.1 測量脈沖原理

測量一個脈沖周期的長短，就是測量相鄰兩個下降沿的時間間隔長度T。單片機測量到脈沖周期后，可以根據(jù)比例就可以推算出其對應(yīng)的功率，電流和電壓的有效值。

電壓，電流和功率測量流程如圖5所示。

3.2 ESP8266無線模塊設(shè)計

本系統(tǒng)要與手機APP平臺建立聯(lián)系，數(shù)據(jù)上傳程序流程如圖6所示。

圖5

圖6

先由傳感器將物理信息轉(zhuǎn)化為電信號，然后由單片機讀取傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再由單片機發(fā)送指令到ESP8266無線傳感模塊，將傳感器的數(shù)據(jù)以無線的形式發(fā)送出去，由手機接收到數(shù)據(jù)，再在手機APP上實時顯示出來。

3.3 家用電器一般控制流程

家用電器的狀態(tài)的數(shù)據(jù)首先由STM32控制器獲取傳感器獲取的數(shù)據(jù)，再發(fā)送指令控制ESP8266無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)以無線的形式發(fā)送，手機接收并在APP上進行實時顯示。若需要控制家用電器，則可以用手機APP發(fā)送指令，由ESP8266無線傳輸模塊接受信息，交由STM32去執(zhí)行，即控制繼電器的開斷狀態(tài)。

圖7

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種以STM32F103RCT6為微控制器的智能家居插座系統(tǒng)，利用電能采集芯片HLW8012以及溫度傳感器，無線傳輸模塊，手機APP模塊實現(xiàn)對室內(nèi)溫度和家用電器電能使用狀態(tài)的監(jiān)控。同時可通過手機APP發(fā)送控制指令，最終控制繼電器來實現(xiàn)對電器的控制。本系統(tǒng)硬件簡單，容易實現(xiàn)，為低端智能家居提供了一種解決方案。