空調節能調控及智能檢測插頭

唐淵，粟湘燦，黃添洪，王紅娟

（湖南工業大學，湖南株洲，412000）

0 引言

傳統的電源插座僅僅是電路的拓展，而智能插座一般都有著相應的智能化的功能，同時智能插座和傳統的插座在外觀和功能上有著明顯的差異。當前的市場上已經出現了多種不同功能的智能插座，他們內部嵌有相關智能集成芯片或微處理器，能夠完成初步的智能處理，但是大多數只能通過無線通信對設備進行通斷電控制，設備仍處于待機狀態，并未達到真正的智能化，并且不能多個插座同時控制，難以與物聯網進行相應的契合。本文設計的智能插座能夠實現空調的節能控溫、功率故障監測、火災檢測、智能化物聯以及對后臺的統一化管理等。

1 現狀分析

閱讀近期文獻后發現，理論界主要從以下幾方面展開了相關研究：

■1.1 節能控溫

當前，有關民用建筑節能的政策還不夠完善，而節能控溫屬于建筑節能技術的一種。現有智能插座設計大多是具有定時開關、延時開關、多人共享開關等功能，且內設防雷電、放高壓、防漏電等功能[1]，在一定程度上實現了節能控溫的功能。

■1.2 智能化物聯

無論是國內還是國外，智能化都被看作是是信息化與工業化的融合，其技術的核心無疑就是物聯網。據統計顯示，2020 年中國家庭智能家居配置率較上年增加15.1%，但該領域仍然具有較大的發展空間。

■1.3 通信方式

物聯網信息技術在不斷提升,智能插座系統在此環境的影響下完成了升級和改造,將家用電器形成智能與信息系統,能夠實現無線通信功能與供電控制的功能[2]。

2 設計的主要內容

本項目通過紅外模塊、溫度檢測模塊、功率檢測模塊、WiFi 模塊多個模塊的協調工作，實現了節能控溫、功率故障監測、火災檢測以及智能化物聯的功能。如圖1 所示。

圖1 整體設計圖

本項目實際應用場景拓撲圖如圖2 所示。在大型機構中，插頭與空調設備一一對應，并通過插頭接入云平臺實現后臺智能統一化管理。

圖2 項目整體拓撲圖

■2.1 硬件設計

2.1.1 紅外模塊

紅外模塊主要的功能是控制空調開關及溫度。此模塊中STΜ32F103 會通過接收紅外信號接收相應的數據信息，再由其與云平臺進行數據的交互，同時相應的指示燈會對其工作狀態進行顯示。最后STΜ32F103 通過發送紅外信號將交互的數據發送到設備，最后對空調開關及空調溫度進行控制。目前市面上的兩類樓宇控制技術都不符合實際應用的要求。市面上常用的有HC-SR501,而此項目采用YS-IR05F 紅外編解碼模塊，相比之下YS-IR05F 具有使用范圍廣、兼容性好、收發信號強等優點。

2.1.2 功率檢測模塊

功率檢測模塊是一個可以實時監督空調用電量與變化率的一個獨立模塊并能通過云平臺配合將用電度數上傳至控制中心進行統計，以達到故障上報與統計的作用。在使用空調的過程中，空調產生不同功率，智能插頭通過計量電路，可以對功率進行測算，隨后將數據反饋給單片機STΜ32F103，指示燈顯示不同工作狀態，并將數據與云平臺進行交互。功率計量芯片HLW8012 相對INA226 具有可靠性高、精度高、成本低等優點，故本項目選其作為相關電參數的測量元件。

2.1.3 溫度檢測模塊

此模塊首先由溫度傳感器檢測智能插頭周圍環境溫度并將相關數據信息傳送至STΜ32F103，若溫度不在設定閾值范圍內STΜ32F103（ARΜ 微處理器）則將觸發蜂鳴器，工作狀態指示燈能及時顯示正異常情況，同時STΜ32F103（ARΜ 微處理器）與云平臺實時交互數據。遼寧科技大學電子與信息工程學院的王永華等人采用單片機實現對溫度的智能控制，DS18B20 模塊測量電機溫度，LCD 模塊進行溫度顯示。根據他們的研究，可知該系統采用DS18B20 設計具有降溫快，效果好，功耗低等優勢。且市面普遍使用DS18B20 模組，說明該模組具有較大的優勢。

2.1.4 WiFi 模塊

為實現智能插頭的智能控制，能夠連接網絡便成為頭號目標。當前有關設計的連接網絡方式多種多樣：GSΜ 移動通信網短信平臺、WiFi、LoRa 技術、藍牙信息傳輸等[3～5]。本插頭則采用WiFi 連接的方式，服務于企業或者學校等大型機構，此類大型機構普遍覆蓋有WiFi 網絡，通過使用現有資源，較大的減輕了額外網絡連接成本，并且保證了WiFi 網絡的穩定性。本模塊計劃采用ATK-ESP8266。ATKESP8266 是一款高性能的UAR-WiFi（串口-無線）模塊。該模塊采用串口與ΜCU 通信，內置TCP/IP 協議棧，能夠實現串口與WiFi 之間的轉換。我們將ATK-ESP8266 的串口與STΜ32F103RCT6 的一個串口進行連接便可以進行數據傳輸，并將ATK-ESP8266 設定成WIFI-STA 模式，在該模式下TK-ESP8266 通過路由器連接互聯網，手機或電腦通過互聯網實現對設備的遠程控制。

■2.2 軟件設計

計劃采用阿里云云平臺，可以通過后期設置，相關管理展現直觀的實時情況表，以便于發生相應事件后管理員能夠在第一時間發現并完成其相關工作。

云平臺通過整合、處理系統發送的相關數據信息，及時對設備進行管理與控制。軟件模塊接入了云平臺實現后臺智能統一化管理，云平臺將各模塊反饋的數據經處理分析后通過終端的可視化軟件展示。并且可以通過終端調節云平臺以改變相關模塊的狀態。節能控溫功能首先進行溫度的檢測，再由CPU（中央處理器）對溫度進行判斷，如若未超過報警溫度，還需對溫度繼續重復檢測；超過則將溫度信息上報云平臺，進行數據的讀取，再進行斷電處理。功率檢測模塊一經觸發，則進行功率檢測并由CPU 判斷空調是否存在功率故障，若未存在故障則繼續進行功率檢測，否則將相關數據信息上報至云平臺進行斷電處理直至結束。如圖3 所示。

圖3 軟件設計流程圖

■2.3 功能實現

2.3.1 節能控溫

通過云平臺以及算法配合，自動采取最優溫度控制策略并自動檢測當日時間安排表，實現智能關機，以達到節能目的。如圖4 所示。

圖4 節能控溫

2.3.2 功率故障

智能插頭通過內置的功率檢測模塊和紅外模塊相互合作，對接受到的空調的紅外數據進行解析后獲得空調當前所處的模式，再通過內部程序調節實現不同模式進行不同的功率檢測，從而判斷空調電機是否正常運行。如圖5 所示。

圖5 功率檢測

2.3.3 火災檢測

智能插頭通過內置溫度檢測模塊實現溫度檢測的作用，是一個可以實時監測插頭周圍溫度，判斷插頭附近是否有火情出現。如圖6所示。

圖6 火災檢測

2.3.4 智能化物聯

由通訊模塊與云平臺兩個部分實現。通過通訊模塊使單片機與互聯網進行通訊，并結合云平臺實現后端統一化地數據調度與智能管理功能。云平臺通過整合、處理系統發送的相關數據信息，及時對設備進行管理與控制。本項目計劃采用阿里云，可以通過后期設置，想管理展現直觀的實施情況表，以便于發生相應事件后管理員能夠在第一時間發現并完成其相關工作。如圖7 所示。

3 對現有研究做出的創新

(1)自動節能溫度調控。通過云平臺以及算法配合，自動采取最優溫度控制策略并自動檢測當日時間安排表，實現智能關機，以達到節能目的；(2)使非物聯空調接入物聯系統。通過內置WiFi 芯片與云平臺進行連接，實行后臺統一化管理；(3)火災與電機工作狀態監測。內置雙檢測模塊，發現問題后及時上報云平臺并自動聯系相關部門采取措施，減少危險事件的發生。

4 結論

本文設計了一款空調節能調控及智能檢測插頭，通過比較相關模塊各自的優勢，選出性能穩定且價格出色的模塊并將其連接，實現了一系列功能，本文可以對讀者在相關模塊的選擇上和指定功能的開發上實現一定的啟發，并為其設計提供可參考的依據。