鄭洲

摘? ?要：本文介紹了課題的背景和現(xiàn)實意義，通過分析國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，我們可以了解到智能插座的發(fā)展具有巨大潛力。人們通過它可以更好地享受生活帶來的美好。文章將智能插座的設計分成多個方面：插座的智能化由硬件設備、云技術平臺、客戶端3部分組成，其中，硬件設備是以STC單片機為中央處理器。其次，介紹了智能插座的軟件設計部分。最后，闡述了插座需要的相關技術，包括無線通信技術、云技術平臺、軟件的開發(fā)環(huán)境、軟件的程序代碼，軟件的界面設計。通過手機APP來控制插座的開關。

關鍵詞：智能家居;智能插座;WiFi;Android

1? ? 課題的研究背景與意義

信息技術時代，智能家居越來越受到更多地關注。在智能家居中，智能插座由于其普遍性與不可或缺性，也逐漸被人們熟知，傳統(tǒng)插座所帶來的安全隱患影響較大，其主要原因是超負荷、短路等引起的插座事故。為防止更多意外的發(fā)生和自身的安全，通過對傳統(tǒng)插座進行智能化改造，研制設計一款智能插座來減少事故的發(fā)生概率，讓人們可以更放心更安全地使用插座[1]。

現(xiàn)如今，市場上大多數(shù)插座不具備任何智能功能，故研究設計一款新型智能插座具有重要意義。設計思想是設計以Android為信息管理及處理中心的設計系統(tǒng)。利用WiFi網(wǎng)絡與手機建立連接，從而控制一些家電的開關操作，通過對智能插座的智能化控制，傳統(tǒng)類插座由原來的只要不拔，就會一直耗電的情況，轉化成自由環(huán)保的智能耗電，也同時保證人們的人身安全[2]。

2? ? 分析內(nèi)容及結構安排

為了適應智能家居的快速發(fā)展，鞏固互聯(lián)通信技術和家居的智能化環(huán)境，有效為用戶服務，根據(jù)目前的發(fā)展情況，我們決定使用安卓系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。由目前的開發(fā)背景情況來設計我們所需的設計、開發(fā)背景、所需的功能和技術架構，來論述本文的內(nèi)容結構。

首先，通過介紹開發(fā)的原始意圖，可以查看出安卓開發(fā)技術所需的技能，梳理了家居智能化環(huán)境的發(fā)展歷史和國內(nèi)外的發(fā)展情況[3]。

其次，根據(jù)設計需求，我們了解到設計所需的硬件化設計和軟件式設計發(fā)展。硬件化設計包括電源轉換模塊、電能計量模塊、串口切換WiFi模塊等，結合智能插座的日常需求，完成了智能插座的需求的功能設計，并根據(jù)市場調(diào)研的結構提高了當前市場的用戶需求。設計已經(jīng)完成。

最后，根據(jù)現(xiàn)實情況完成具體設計，即設計一款基于Android系統(tǒng)的APP，智能插座設計最大的特點是將節(jié)能環(huán)保、用電安全、隨時定時等功能完美融合在一起，使其成為一個整體[4]。

3? ? 需求設計

智能家居百花齊放的發(fā)展，促使科技飛速發(fā)展，根據(jù)設計的需要，我們總結出下面的幾種現(xiàn)實需要。

3.1? 開關功能

智能插座的客戶端和終端相互融合的情況下，可以自由控制關閉與打開。在外觀設計上，保留了傳統(tǒng)的手動控制開關的設計[5]。

3.2? 電能計量

智能插座接收到手機發(fā)送過來的控制命令，在開與關的選項中，接收到的任務狀態(tài)可以輕松查看電量的使用，這樣就可以看出來使用了多少電[6]。

3.3? 無線控制

智能插座最大的特點就是可以使用手機APP通過無線來遠程控制插座的開關，當用戶將控制命令發(fā)送到智能插座所使用的路由器網(wǎng)絡中時，指定的電器控制其開關，方便快捷地提高了人們的生活質(zhì)量。

3.4? 自由定時

以空調(diào)為例，雖然現(xiàn)在空調(diào)都有定時關閉的功能，但是空調(diào)關了之后，它的插頭還處于通電狀態(tài)。為了更安全地使用電能，可以通過智能插座來斷開空調(diào)的電，可以在定時睡眠后的兩小時內(nèi)，把插座的電源關掉。

4? ? 方案設計

通過手機連接網(wǎng)絡掃描到無線網(wǎng)絡環(huán)境，可控制智能插座，當然也可以是移動網(wǎng)絡，這樣可以方便用戶管理，連接上網(wǎng)絡后，我們就可以查看智能插座所收集到的能源消耗和任一插座的工作狀態(tài)，發(fā)送到APP上，由此實現(xiàn)對智能插座的實時控制。智能插座的工作狀態(tài)如圖1所示。

4.1? 步驟設計

因為該智能插座所需的硬件設計包括發(fā)送傳輸、數(shù)據(jù)采集部分等。其中，將硬件采集到的能源耗費信息、開閉的狀態(tài)發(fā)送到控制器，由無線模塊通過控制器發(fā)出去。手機APP發(fā)信息給路由器，接收模塊通過控制器來接收相應的家電使用情況，決定各個家電的關閉與打開以及電能的使用信息。

（1）設計APP。通過Android studio軟件來設計智能插座的APP控制軟件，完成APP的開發(fā)。

（2）智能手機APP為整個智能插座控制的中心部件，要考慮到軟件的更新?lián)Q代，與智能手機是否兼容的問題。

（3）每個電器在APP中都應該有自己獨有的標志，不會使用戶搞混，也方便用戶決定是否使用這款家電，在何時打開使用，何時關閉使用。

4.2? 智能插座的硬件設計

在電路的物質(zhì)基礎實現(xiàn)硬件設計。它在軟件的協(xié)調(diào)配合下運行，實現(xiàn)系統(tǒng)功能控制，完成控制任務?？刂祁愊到y(tǒng)的軟件，分別是系統(tǒng)類軟件和應用類軟件兩大類。

硬件設計電路是智能插座不可缺少的部分，是智能插座實現(xiàn)定時控制、能耗信息、開關的關閉與打開操作的基礎設備，硬件設計包括電源轉換、能源耗費信息、繼電器的開關部分、WiFi轉串口等。

4.3? STC單片機的結構

STC單片機與STM32單片機相比，內(nèi)部架構要簡單得多，STC單片機的寄存器僅有幾十個。而STM32單片機的寄存器有幾百個，支持加速器和DMA的系統(tǒng)級相關性，進一步提高性能，并降低系統(tǒng)低級功耗，為當今的手機提供顯著的性能提升的可綜合ARM處理器。Cortex-A73或者MIPS等單片機內(nèi)核及片內(nèi)外設，都是通過程序操作寄存器實現(xiàn)特定功能的，所以，寄存器數(shù)量只有幾十個的STC單片機。

智能插座的硬件設計以主芯片是STC12C5A60S2高速單片機，220 V的交流電，通過STC芯片的繼電器和USB部分的處理，選擇ESP8266芯片作為WiFi模塊。無線網(wǎng)絡接收模塊是超外差接收芯片SYN500R。在安卓開發(fā)環(huán)境下， 搭建了手機遠程控制功能平臺[7]。有全球唯一ID號，加密性好，抗干擾性強。基于各種需求給出了硬件設計方案。

4.4? 電量的估計

實現(xiàn)智能插座對家電使用的情況簡要概說，使用單相計量EEM101多功能高精專用計量模塊，該款能量損耗模塊能夠較為準確的測出有功功率，有功電量，無功電量，還可測量出電壓、電流等各種電參數(shù)信息。

損耗模塊集成的MCU計量芯片，都是插拔串口和單片機來通信，獲得能量損耗的信息。能量損耗模塊測量端與交流220 V直接連接，芯片電源電路使用供電電源轉換模塊，通過電流使用電路的軟硬件，搜集的數(shù)據(jù)通過電路發(fā)送到智能芯片的單片機處理器中，完成電能采集數(shù)據(jù)的任務。

4.5? 電器模塊

智能插座選用5 V繼電器，它通常應用于自動控制電路，實際上是一種自動開關，使用較小的電流來控制最大電流，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)兩種。在電路中起到自身調(diào)動、安全性保護、轉換電路等作用。它不同于一般的開關，點加法器不是通過機械方式控制，而是通過電磁力來控制開關方向。當線圈通電時，中心軟鐵芯被磁化，橫向的擺臂吸引下來，而右側的擺動臂將連接閥觸點，兩點連接形成一條路徑。

4.6? 安卓APP的程序設計

智能插座的開發(fā)環(huán)境采用現(xiàn)在流行的Android系統(tǒng)創(chuàng)建的應用程序，用于移動互聯(lián)設備，它由中間件、操作系統(tǒng)、應用軟件和用戶界面等部分構成。打開手機APP后，APP進入初始化設置，首先，與外聯(lián)設備路由器進行連接。其次，判斷路由器是否連接。最后，連接成功后，找到要連接的路由器信息，智能插座開始工作設置，工作內(nèi)容有以下4個：網(wǎng)關設備的采集數(shù)據(jù)，信息的采集，控制、執(zhí)行網(wǎng)關設備發(fā)送的控制命令。

智能插座的具體操作界面如圖3所示。從界面上可以看出，智能插座具有定時和倒計時功能，還能查看操作記錄?？梢噪S時改變智能插座原本控制的電器名稱，檢查用電情況，隨時了解家電設備的工作狀態(tài)，并且根據(jù)用戶自己的需求可以任意改變家電的工作狀態(tài)。

5? ? 結語

本文在智能家居迅速興盛的時代背景下，提出了基于Android智能插座的設計方案。文章首先提出了智能插座所需的技術，介紹了Android的平臺以及智能插座給生活帶來的便利。其次，介紹了智能插座的硬件設計，對所需的各種模塊、功率轉換和計量消耗、WiFi串口、繼電器模塊等進行了設計。最后，是智能插座的軟件設計，包括智能插座的程序編寫、對設計出的APP界面的設計及功能的介紹。如今時代發(fā)展如此之快，智能時代的來臨將是掀起新的篇章。

[參考文獻]

[1]張力平.智能家居定義未來生活[J].上海信息化，2018（12）：10.

[2]張新星.基于Android手機的智能插座設計[D].杭州：浙江大學，2014.

[3]張水平，陳 輝，李 敏.基于“云計算”的電力行業(yè)IT服務管理[J].電子技術與軟件工程，2018（12）：13.

[4]張小紅.基于Android的無線智能家居系統(tǒng)設計與研究[D].成都：電子科技大學，2016.

[5]張春龍.基于智能手機的智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[6]蔡凌云，方 振，李銘祥，等.自動增益控制技術應用[J].電子工程師，2002，28（4）：22-23.

[7]李宏年.一種手機遙控的智能插座的設計[J].信息與電腦（理論版），2017（23）：111-112.