基于STM32及GSM技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)

劉子洋，劉忠富，趙宏宇，吳 怡

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，大連116600）

在現(xiàn)如今社會(huì)發(fā)展的大環(huán)境中，電子電氣智能化設(shè)備已經(jīng)走進(jìn)了人們的日常生活，人工智能時(shí)代也給我們的生活帶來了極大的便利，與此同時(shí)身邊的安全隱患也越來越多。智能化家用電器、隨身電子產(chǎn)品都需要使用電能進(jìn)行能量供給。因此用電安全也需要在日常生活中更加重視，更好地控制用電安全并排除用電隱患。近些年來國(guó)內(nèi)外的科研技術(shù)人員對(duì)智能插座的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多的研究[1-2]。

針對(duì)傳統(tǒng)家用插座功能單一、不能遠(yuǎn)程進(jìn)行控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控定時(shí)等問題，本文設(shè)計(jì)了一種能夠通過手機(jī)短信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、關(guān)斷、定時(shí)及對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能插座。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)消除日常生活中的用電隱患，具有一定的意義和研究?jī)r(jià)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機(jī)，此種芯片具有體積小、處理速度快、造價(jià)成本低等優(yōu)勢(shì)。在電流采集及實(shí)時(shí)功率計(jì)算[3]環(huán)節(jié)使用了ZMCT103C 交流互感器進(jìn)行獲取插座的實(shí)時(shí)電流，在獲取完成后通過單片機(jī)串口對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過OLED 顯示屏對(duì)實(shí)時(shí)功率和電流進(jìn)行顯示，并且也可以將實(shí)時(shí)功率和實(shí)時(shí)電流通過GSM 模塊發(fā)送到用戶的手機(jī)上。用戶也可以通過發(fā)送短信對(duì)插座進(jìn)行控制。對(duì)于系統(tǒng)中GSM 模塊收到短信時(shí)，GSM 會(huì)將短信內(nèi)容通過串口傳送給核心處理器，處理器對(duì)所收到的內(nèi)容進(jìn)行判斷是否為程序中所定義好的命令。例如收到JDOF 命令時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)將插座電源切斷； 收到TIME：00：30 命令時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過判斷后面定義的時(shí)間對(duì)插座通電時(shí)間進(jìn)行定時(shí)為30 s。插座電源的關(guān)斷主要通過繼電器進(jìn)行控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、GSM 無線收發(fā)電路、電量信息采集電路、開關(guān)控制電路及顯示電路模塊組成，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要以STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)為主要處理器，電量采集通過ZMCT103C 互感傳感器進(jìn)行電量采集，將采集信息傳遞給核心處理器，通過數(shù)據(jù)處理后對(duì)使用狀態(tài)進(jìn)行顯示。

圖1 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Hardware circuit system design

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103RCT6 單片機(jī)，選用這種芯片組成單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由于其構(gòu)成的電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，并且反應(yīng)速度快，程序存儲(chǔ)量相對(duì)于51 單片機(jī)來說較大。本文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要以其作為主控芯片通過串口接收并處理數(shù)據(jù)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路Fig.2 MCU minimum system circuit

2.2 電量采集電路設(shè)計(jì)

電量采集模塊主要使用ZMCT103C 電流互感傳感器進(jìn)行采集， 該模塊可以測(cè)量5 A 以內(nèi)的交流電流，對(duì)應(yīng)模擬量輸出為5 A/5 mA，即1000 ∶1。電流互感器輸出的模擬電流經(jīng)過半波整流電路，A0 為單片機(jī)的ADC 引腳，通過此引腳電量采集電路將采集到的信息傳遞給系統(tǒng)中的核心處理器，并且由核心處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)插座的電量使用實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。電流采集模塊電路如圖3所示。

圖3 電流采集模塊Fig.3 Current acquisition module

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顯示電路模塊使用了OLED 屏幕對(duì)插座的實(shí)時(shí)用量進(jìn)行顯示。對(duì)比LCD 顯示屏幕，OLED 顯示模塊具有如下優(yōu)點(diǎn)：具備自發(fā)光，不需要背光，因此功耗低，且對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、有多種接口方式。

在整個(gè)插座設(shè)計(jì)中也延續(xù)了傳統(tǒng)插座的按鍵控制功能，所以當(dāng)用戶在使用本款插座時(shí)既可以通過手機(jī)短信進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，也可以像使用傳統(tǒng)插座一樣，使用實(shí)體按鍵對(duì)插座的開關(guān)進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)實(shí)體按鍵功能時(shí)，也為實(shí)體按鍵增加了智能控制的功能，用戶可以通過按鍵對(duì)插座的電量監(jiān)控功能進(jìn)行控制，也可以通過按鍵控制將插座的使用狀態(tài)發(fā)送到手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2.4 GSM 無線通信電路設(shè)計(jì)

插座與手機(jī)的通信通過GSM 短信技術(shù)[4]實(shí)現(xiàn)。所用模塊為SIM868，該模塊提供2 組TTL 接口，其中一組兼容各種電壓的TTL 電平，可以與5 V、3.3 V等單片機(jī)直接連接，并且提供短信、語音和GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能等。GSM 擁有AT 指令集接口，控制它只需發(fā)送AT 指令即可。GSM 與單片機(jī)之間通信方式為串口， 因此將單片機(jī)串口的RX、TX 分別接到SIM868 的TXD、RXD 端， 再將二者的GND 連到一起，上電后便可用單片機(jī)給GSM 發(fā)送AT 指令，設(shè)置其工作模式、數(shù)據(jù)通信等。

圖4 GSM 模塊原理圖Fig.4 GSM module schematic

2.5 電源電路

電源電路包括兩部分， 一部分是將家用220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V 直流電，供交流互感器模塊、GSM和繼電器使用。另一部分是將5 V 轉(zhuǎn)換為3.3 V，供STM32 使用。

2.5.1 20 V 轉(zhuǎn)5 V 電路

該電路采用LM7805 作為穩(wěn)壓器件，220 V 交流經(jīng)過整流濾波后送入LM7805， 在輸出端接一個(gè)470 μF 電解電容和105 電容， 進(jìn)一步濾除紋波，得到5 V 穩(wěn)壓電源。圖中發(fā)光二極管起指示作用。該電路原理如圖5所示。

圖5 220 V 轉(zhuǎn)5 V 電路Fig.5 220 V to 5 V circuit

2.5.2 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)穩(wěn)定工作需要穩(wěn)定的電壓，因此將5 V 轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V 電壓供單片機(jī)使用。本設(shè)計(jì)采用線性穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3 V， 該芯片可以將輸入的5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 輸出， 此部分電路原理如圖5所示。VCC5 為5 V 電壓，IN 為穩(wěn)壓芯片的輸入引腳，OUT 是3.3 V 輸出引腳，左側(cè)104電容、220 μF 電容起濾波作用， 發(fā)光二極管起指示作用。

圖6 5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路Fig.6 5 V to 3.3 V circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文中所描述的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要以C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件的編寫依托于C 語言模塊化編程的優(yōu)勢(shì)，各個(gè)模塊的程序運(yùn)行較為獨(dú)立，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

整個(gè)軟件系統(tǒng)程序的編寫著重于電流互感模塊采集得到的信息以及GSM 模塊接收到的信息的處理，核心處理模塊的數(shù)據(jù)傳送均采用單片串口通信[5]進(jìn)行。首先對(duì)核心處理芯片I/O 口進(jìn)行初始化，當(dāng)GSM 模塊收到用戶所發(fā)送的信息后，通過串口傳遞給單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。使插座進(jìn)行正常的工作，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)插座的控制。

3.1 采集程序設(shè)計(jì)

由圖7所示，在電量采集部分程序中，首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，串口初始化完成后，對(duì)互感模塊傳進(jìn)來的電量信息進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，在程序編寫中通過標(biāo)志位來記錄信息轉(zhuǎn)換情況，若轉(zhuǎn)換未完成則返回循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，若轉(zhuǎn)換完成，則通過程序?qū)﹄娏窟M(jìn)行計(jì)算從而得到插座的實(shí)時(shí)電流和實(shí)時(shí)功率，計(jì)算完成后則通過串口傳送給單片機(jī)顯示模塊進(jìn)行顯示。

圖7 底層信息采集軟件設(shè)計(jì)流程Fig.7 Bottom-level information acquisition software design flow chart

3.2 GSM 通信模塊程序設(shè)計(jì)

GSM 模塊程序設(shè)計(jì)在程序中對(duì)模塊進(jìn)行初始化， 而后對(duì)模塊串口以及單片機(jī)串口進(jìn)行檢測(cè)，查看模塊與單片機(jī)之間是否可以進(jìn)行通信。檢測(cè)方式可以通過單片機(jī)串口向GSM 模塊發(fā)送AT 指令。如若串口檢測(cè)正常系統(tǒng)就會(huì)等待接收信息，當(dāng)收到用戶所發(fā)送的指令時(shí)，會(huì)與預(yù)先設(shè)定好的特定字符串進(jìn)行對(duì)比，對(duì)用戶指令進(jìn)行判斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步控制。與此同時(shí)，單片機(jī)也會(huì)同時(shí)檢測(cè)按鍵的接口狀態(tài)，當(dāng)控制GSM 按鍵按下，系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)發(fā)送當(dāng)前的插座使用狀態(tài)以及實(shí)時(shí)電量給用戶。如果初始時(shí)未完成串口的檢測(cè)，系統(tǒng)則會(huì)一直循環(huán)串口監(jiān)測(cè)及初始化語句直到初始化成功。系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 GSM 通信模塊程序流程Fig.8 GSM communication module program flow chart

4 系統(tǒng)調(diào)試

用功率可調(diào)的風(fēng)扇調(diào)試該插座：系統(tǒng)上電后，等待GSM 模塊注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)成功，之后打開風(fēng)扇，1 到3擋依次對(duì)應(yīng)20 W、30 W、40 W。觀察OLED 上顯示的電流和功率信息，如表1所示，誤差均在可接受范圍內(nèi)。按下發(fā)送短信的按鍵，可在手機(jī)收到用電信息的短信。用手機(jī)給GSM 上的手機(jī)卡號(hào)發(fā)特定指令的短信，可以控制繼電器。比如發(fā)送JDON，可看到指示燈亮，繼電器關(guān)閉，插座導(dǎo)電；發(fā)送JDOF，指示燈滅，繼電器打開，插座停止供電。發(fā)送time00：10，OLED 屏幕會(huì)顯示10 s 倒計(jì)時(shí)，插座也會(huì)在10 s后切斷電源。系統(tǒng)運(yùn)行圖片如圖9所示。

表1 調(diào)試測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Debugging measured data

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行圖片F(xiàn)ig.9 System operation picture

5 結(jié)語

本文中所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制智能插座系統(tǒng)，將STM32 單片機(jī)、GSM 無線收發(fā)模塊、ZMCT103C 電流互感模塊整合在一起。在傳統(tǒng)插座的基礎(chǔ)上，加入了遠(yuǎn)程開關(guān)控制，遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)時(shí)電量顯示等功能。基本可以滿足大多數(shù)用戶的要求， 同時(shí)也可以也方便用戶對(duì)家居用電情況能夠更好地進(jìn)行控制。也減小了因?yàn)榧揖佑秒姸a(chǎn)生意外情況的幾率。所以本系統(tǒng)也具有一定的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。