基于單片機的家居智能配電系統設計與實現

滕德虎

（蕪湖機械工程學校，安徽 蕪湖 241200）

0 引 言

配電是家庭住宅不可或缺的設施，用于各功能室電力分配。目前，單元住宅的配電盒都是安置在墻壁上，內含若干空氣斷路器，住戶手動控制各居室民用電源的接通和斷開。這種配電方式落后、功能單一，缺乏人工智能，遠遠不能滿足現代智能家居需要。為此，一款智能化的新型配電系統應運而生。它不僅實現了家居智能配電，還提供自動控制電源，具備家居防火防盜防煤氣泄漏的安全報警功能。

1 工作原理

家用智能配電系統是由配電盒硬件、單片機程序和手機APP軟件構成，其基本工作流程如圖1所示。

圖1 家庭智能配電盒工作流程

220 V民用交流電進入配電盒后，接入家用交流接觸器，繼而接入帶漏電保護的空氣斷路器，確保用電安全。空氣斷路器后的交流電源分三路輸出，一路通過直流穩壓器為繼電器電磁線圈、單片機及其附屬模塊提供直流工作電源；另一路接入各繼電器輸入端，通過電磁開關為各居室供電、提供自動控制電源和定時控制電源；第三路作為直通電源輸出。

2 功能與用途

2.1 安全用電保護

系統配備了家用交流接觸器，具有防雷保護功能。當保護器感應到電網浪涌時，自動斷開交流接觸器，切斷家居電路和外網的連接。遇雷暴天氣，住戶可通過手機APP發出指令，驅使單片機通過浪涌保護器強行斷開交流接觸器，防止智能配電盒和其他家用電器遭雷擊損壞。交流接觸器斷開后，家居總電源被切斷，只有手動合閘才能恢復配電。配備的空氣短路器具有過流和漏電保護功能，充分保證家居用電安全。

2.2 家居智能配電

通常情況下，家居配電采用預設模式。住戶根據工作日和節假日的不同生活方式，設置各居室按周循環的供電時段，實現進家供電、離家斷電的智能配電。一經設置永久使用。它避免了電視機等家用電器因長期待機而引起的壽命縮短、能源浪費；消除了家居無人時，交換機、手機充電器等因長期通電所引發的老化起火安全隱患。特殊情況下，住戶可一鍵式修改，按日期指定“宅家”或“出游”配電模式，過期自動恢復“預設”模式。

2.3 自動控制電源

系統所提供的聲控、光控和溫控電源，用于家居路燈、夜燈和室內氣溫自動控制；所提供的定時電源用于供廚房電器的用電需要；所提供的直通電源用于家庭水族飼養、光纖收發器等提供永久供電。

2.4 家居安全報警

家用智能配電系統具有防火、防盜和防煤氣泄漏功能。當室內有火災煙霧、有人非法入室走動、目標物體發生輕微振動、煤氣時，系統會向住戶手機發送相應報警信息；住戶還可以撥號通信模塊，系統自動接聽后實施遠程監聽和喊話。

3 實現技術

3.1 智能配電實現技術

住戶通過手機APP設置各居室按周歷循環的每天多時段配電參數，信號經網絡傳送至單片機系統，控制其內部程序運作，并按預設要求觸發相應電磁繼電器吸合和釋放，實現智能配電。客廳智能配電的工作流程如圖2所示。

圖2 客廳智能配電工作流程

3.2 控制電源實現技術

溫度傳感器、響度傳感器和照度傳感器采集環境信號，經單片機數據處理后，觸發溫控、聲控和光控磁繼電器動作，為家居提供溫控、聲控和光控電源。同時，系統還根據住戶設置參數，經單片機程序處理，定時觸發繼電器動作，為家居提供定時電源。溫度自動控制工作流程如圖3所示。

圖3 溫度自動控制工作流程

3.3 安全報警實現技術

移動傳感器、振動傳感器、煙霧傳感器和煤氣傳感器采集環境信號，通過單片機數據處理，觸發通信模塊向住戶手機發送人體移動、目標物體振動、火災和煤氣泄漏等相應報警信息；住戶撥號通信模塊，系統自動接聽，實現遠程監聽和喊話。其煙霧報警工作流程如圖4所示。

圖4 安全報警工作流程

3.4 主要硬件規格型號

家居智能配電系統的主要硬件規格型號見表1所列。

表1 主要硬件規格型號

3.5 硬件裝配與安裝設計

本著安裝簡單、維護方便原則，系統配電盒外形設計為長方體，尺寸與傳統配電盒相當。交流接觸器、空氣斷路器等大型器件直接固定在配電盒后側殼體上；其他穩壓模塊、單片機系統、通信模塊、WiFi模塊和各路電磁繼電器直接焊接在線路板上；線路板固定于配電盒內部。配電盒殼體上下兩側分別開設進線口和出線口，便于導線穿進連接。其整體安裝仍采用墻體嵌入式，內置WiFi天線，外配裝飾畫遮擋。房屋裝修時，溫度傳感器、響度傳感器、照度傳感器、煙霧傳感器、移動傳感器、振動傳感器和煤氣傳感器以及聲控、光控、溫控、定時、直通等電源插座應事先安裝適當位置，并完成其布線。

3.6 單片機程序設計

單片機程序由主函數和子函數構成，主要完成三項任務：一是接收來自APP的住戶設置參數和動作指令，控制各路供電開關；二是收集報警傳感器信息，控制通信模塊向手機發送信息；三是收集環境傳感器信息，控制自動電源控制開關。單片機上電時，系統調用主函數，先進行串口初始化，隨后進入無限循環，不斷執行手機APP指令函數、GSM發送短信函數和自動應答函數。條件滿足時，系統執行指定程序段，實現相應功能。其程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機程序流程

3.7 手機APP開發

家用智能供電系統的手機APP可采用多層頁面聯動操作。其主頁面設有“家居智能配電”“自動電源控制”和“安全報警控制”三個主菜單，同時設有“宅家”“出游”“節假日”“工作日”等一鍵設置和當前應用狀態的實時顯示。“家居智能配電”的二級頁面有“主臥”“次臥”“客廳”“餐廳”“書房”“廚房”“浴室”“儲藏室”和“其他”等設置項，其相應的三級頁面需要完成各居室配電時段和循環周歷等設置參數。

“安全報警控制”的二級頁面設有“火災報警”“移動報警”“振動報警”和“煤氣報警”設置項，用來設置各報警功能的啟用和關閉。“自動電源控制”的二級頁面設有“聲控”“光控”“溫控”和“定時”設置項，它們不僅要設置功能的啟用與否，同時可以設置強度控制級別。定時控制需要設置多個定時時段和循環周歷等參數。

4 結 語

根據以上技術方案研發的家用智能配電系統，實現了家居智能配電和遠程手動配電，并提供聲控、光控、溫控和定時等環境控制電源，同時具有防火防盜防煤氣泄漏的安全報警功能。它避免了電視機等家用電器因長期待機而引起的壽命縮短、能源浪費；消除了家居無人時，交換機、手機充電器等因長期通電所引發的老化起火安全隱患；防止雷電造成的家電損壞；給住戶生活帶來極大方便，讓住戶在家安心、出門放心。