基于智能家居系統的智能插座設計與實現

魏恩偉， 張之涵， 溫克歡， 孫文靜， 鄭杰

(1. 深圳市康拓普信息技術有限公司, 深圳 518000； 2. 深圳供電局有限公司, 深圳 518034)

0 引言

在網絡技術發達的當下，智能家居系統可以通過計算機程序、通信技術等將智能家居設備集中在系統當中，通過系統進行統一化管理、調整，使人在居住時可以更加方便快捷的對家居設備進行控制。本文主要圍繞此系統當中的智能插座進行設計研究，此設備屬于電力設備，在智能家居系統之下，通過一些技術的功能，可實現許多傳統電力設備無法實現的功能，例如遠程控制、電力開關等，通過此類技術可以有效避免電能的浪費，同時降低電力供給單位的負擔，因此智能插座是智能家居系統中一項具有代表性的設備。

1 系統總體設計

1.1 設計方案規劃

在本文的設計思路之下，智能家居系統可以分出多個子系統，例如環境參數采集系統、家居照明系統、安防系統等等，這些子系統均由相應的智能家居設備來實現，這些智能化設備主要通過網絡與智能家居系統進行連接，連接主要分為兩種形式，即有線與無線。有線連接形式主要利用網線等來實現網路連接，但是因為智能家居子系統的數量較多，大量的網線會導致家居環境擁堵等問題，因此為了對此進行改善，現代多數智能家居系統設計都采用了無線連接形式，此形式主要利用信號通信來實現連接，因此本文將在無線形式上進行設計[1-5]。

設計當中，針對智能插座進行方案規劃。規劃當中首先出于設計成本的考慮，發現如果為每一個設備都配備無線裝置，那么必然會加大設計成本，但因為現代多數智能家居設備都屬于電力驅動，所以可以將其歸納到智能插座當中，通過系統與智能插座的連接，實現系統對插座的直接控制、形成了智能化家居設備電能的間接控制[5-10]。在方案基礎上，本文構建了一種具有數據交互功能、網絡通信功能的智能插座，可以直接實現智能設備供電與網絡連接，智能家居系統下智能插座設計拓撲圖，如圖1所示。

圖1 智能家居系統下智能插座設計拓撲圖

1.2 系統模塊分析選擇

根據以往的研究選擇了常規的嵌入式操作系統，該系統主要分為嵌入式Linux、Android，兩個部分，其中Android屬于嵌入式Linux當中的一種移動設備操作系統，在現代許多移動網絡端口十分常見，例如智能手機等[10-14]。Android系統的源碼結構包括Uboot、Linux kernel、Android，在此結構當中Android由文件系統、Java虛擬機、UI組成；嵌入式Linux系統的源碼結構包括Uboot、Linux kernel、文件系統、UI。

為了使系統操作流暢，本文對嵌入式Linux硬件配置進行了測試選擇。首先針對常規的配置進行測試，即S3C6410處理器、256M內存，通過測試可見，在此硬件配置基礎上，時常會出現卡頓現象，因此說明常規配置不滿足需求。其次，針對S3C2440處理器、64M內存配置進行了測試，結果顯示嵌入式Linux的運行十分流暢，因此本文將選用S3C2440處理器、64M內存配置作為嵌入式Linux的配置，與此同時形成了家庭網關平臺[15]。

1.3 智能插座設計

通過前人研究到，傳統的智能插座存在許多弊端，例如靈活性差、安裝繁瑣等，因此出于便捷性的考慮，本文主要選擇變權歐氏距離下的學習型智能插座。此插座能夠通過學習功能，記錄每一個接入的智能家居電氣設備的電量參數，以此當一下次遇到相同設備時，即可通過學習記錄識別出設備的最低電能以及耗電量，再依照記錄判斷待機狀態下的智能家居電氣設備是否完全斷開了電源，如果沒有完全斷開，會自動對電源傳輸路徑進行炒作，實現完全斷電[16]。

為了實現智能插座與控制端的無線連接，本文對常規的WIFI技術以及Zigbee技術進行分析，選擇其中性能優異者作為無線連接網絡。首先WIFI技術的優勢在于其余互聯網技術的計入速度較快，同時可接入設備十分廣泛，具有靈活性較強的優點，而Zigbee技術的接入流程相對繁瑣，優點在于穩定性較強，而隨著技術的發展現代的WIFI技術的穩定性也與其相差無幾，因此本文主要選擇WIFI技術作為無線連接網絡。

2 智能插座的硬、軟件設計

2.1 硬件設計

針對上述的變權歐氏距離下的學習型智能插座進行分析，此智能插座的硬件結構如圖2所示。

圖2 智能插座的硬件結構圖

通過圖2可見，此智能插座主要由微控制單元模塊、電量檢測模塊、電源轉化模塊、智能調控模塊、WIFI通信模塊5個部分構成，其中微控制單元模塊主要結合學習成果、用戶手控指令實現對其他功能模塊的自動化控制；電量檢測模塊主要結合學習成果，對不同的智能化家居電氣設備的用電信息進行檢測，例如電壓、有功功率、無功功率等；電源轉化模塊主要負責給其他功能模塊進行供電，同時對供給電力進行調節；智能調控模塊主要根據微控制單元模塊的控制需求，將控制指令執行，實現電源開關等操作；WIFI通信模塊主要負責實現無線網絡連接，下文將對此各大模塊進行詳細分析。

1、微控制單元模塊。本文的微控制單元模塊主要選擇MSP430FR5736芯片，此芯片使一種在RISC之下的16位混合信號處理器，具有靈活的定時功能、支持多種低能耗模式等功能，有助于智能插座的節能功效，MSP430FR5736芯片的引腳圖，如圖3所示。

2、電量檢測模塊。主要采用CS5490芯片來構建電量檢測模塊，CS5490芯片的特點在于精度較高，其內部含有電流通道、電壓通道可以實時完成對電量的檢測。運作當中CS5490芯片的雙通道會對用電信息進行采集，之后將信息以信號的方式傳輸至輸入調節器，再通過調節性對信號進行處理，處理完畢之后會將信號傳輸到4階調制器當中，調制器會對信號進行轉換，使其形成單比特數據流，此時數據流會傳輸到數字濾波器當中，通過濾波器的濾波功能對信號進行過濾，提高數據的精度，最終將信號傳輸到異步收發傳輸器的串行結構，實現硬件與軟件的交互，其內部結構圖如圖4所示。

3、電源轉化模塊。主要采用JY-220S3.3E變壓器芯片來構成電源轉化模塊，此芯片可以完成AC、DC之間的準換，能夠實現例如22 V交流電的轉換，事情形成3.3 V直流電，再通過信號濾波處理，可以為其他功能模塊實現直流電安全供電。

4、智能調控模塊。主要采用JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片來構成智能調控模塊，此芯片具有高觸電切換、高靈敏度的優點，并且其介質耐壓性能良好，根據測試可達4 kV，因此能夠滿足智能插座的硬性需求。運作原理上，JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片屬于繼電器的一種，具有控制系統、被控制系統兩種模式，即根據時間或者手動操控需求，來決策自身的運作。

圖3 MSP430FR5736芯片的引腳圖

圖4 CS5490芯片內部結構

5、WIFI通信模塊。主要采用CC3000模塊來構成WIFI通信模塊，此模塊結構屬于無線網絡處理芯片的一種，其整體一共含有46個引腳。在以往的研究當中得知，CC3000模塊具有溫度適應能力強，尺寸較小的特點，因此在空間狹小、溫度變化較大的智能插座空間當中，具有良好的適用性。

2.2 軟件設計

在本文的設計當中CC3000模塊軟件部分的設計主要包括4個部分，即為主機驅動程序、SPI程序、超級終端Hyper Terminal驅動程序、WIFI基本程序。其中主機驅動程序主要功能在于，實現WLAN的應用程序結構API、網絡堆棧API等功能設計；SPI程序主要功能在于，實現協議應用與傳輸路徑、硬件設備之間的交互；超級終端Hyper Terminal驅動程序主要功能在于，實現UART結構設計；WIFI基本程序，即采用CC3000模塊實現無線局域網與其他節點的交互通信，具體架構如圖5所示。

圖5 CC3000程序設計圖

3 雙頻微帶天線的設計

天線是WIFI接受網絡源信號、發送WIFI信號的重要部件，不同尺寸的天線的接受、發送功率并不相同，一般為越大尺寸的功率就越大，但本文的智能插座空間狹小，使用常規小尺寸的天線勢必會導致網絡不穩定等現象，因此為了進行改善，本文選擇了雙頻微帶天線進行設計，具體如下所述。

3.1 雙頻微帶天線概述

本文所采用的雙頻微帶天線，主要選擇厚1.6 mm的FR-4基板、37 mm×28 mm的矩形貼片、74 mm×55 mm的地平面來構成，再結合北斗導航系統的兩個操作頻率上，得到了良好的CP輻射特性，通過測試可見，本文的雙頻微帶天線在北斗導航系統的兩個操作頻率上的操作頻率分別為1.92 GHz、2.4 GHz，帶寬約為15 MHz。此外，通過對孔位置、金屬圓筒饋電位置、天線的工作模式的參數進行調節，使得天線的操作頻率達到了L1、L2頻段。

3.2 雙頻微帶天線的實驗仿真與測試結果分析

根據前人研究得知，在雙頻微帶天線的運作當中，金屬圓筒饋電的位置會決定天線的工作模式以及相應頻率，因此為了驗證雙頻微帶天線的有效性，本文進行了實驗仿真。實驗當中首先構建了雙頻微帶天線的仿真模型，模型與上述(3.1雙頻微帶天線概述)完全抑制。其次，模擬智能插座的狹小空間，將天線仿真模型放入其中，之后對天線模型對網絡源信號的接收功能進行測試，測試結果顯示天線的接收過程當中，最大回波損耗為28 dB，出于可接受范圍之內，同時其帶寬也達到了15 MHz左右，因此說明雙頻微帶天線在智能插座環境下，同樣可以良好的接收到網絡。最終對雙頻微帶天線的WIFI發射頻率進行測試，測試結果顯示，雙頻微帶天線的中心頻率負值為1.92 GHz、2.4 GHz與上述相等，所以證明雙頻微帶天線的WIFI發射頻率也相對良好，在兩項仿真實驗之下，說明本文的雙頻微帶天線可以滿足智能插座的設計需求，具有良好的有效性。

4 總結

本文主要分析了智能家居系統的智能插座設計，分析首先圍繞智能家居系統進行了總體設計，此階段主要包括設計方案規劃、系統模塊分析選擇、智能插座設計3個部分，之后開展了智能插座的硬、軟件設計，此階段先進行了智能插座的硬件設計，主要包括了微控制單元模塊、電量檢測模塊、電源轉化模塊、智能調控模塊、WIFI通信模塊，再在硬件基礎上針對WiFi通信模塊的CC3000模塊進行軟件設計，主要包括了主機驅動程序、SPI程序、超級終端Hyper Terminal驅動程序、WIFI基本程序4個部分，并針對每個部分的功能進行了講解，最終進行了雙頻微帶天線的設計，通過仿真實驗驗證了其有效性。