唐淵，粟湘燦，黃添洪，王紅娟

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲，412000）

0 引言

傳統(tǒng)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(yīng)的智能化的功能，同時智能插座和傳統(tǒng)的插座在外觀和功能上有著明顯的差異。當(dāng)前的市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種不同功能的智能插座，他們內(nèi)部嵌有相關(guān)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(shù)只能通過無線通信對設(shè)備進(jìn)行通斷電控制，設(shè)備仍處于待機狀態(tài)，并未達(dá)到真正的智能化，并且不能多個插座同時控制，難以與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的契合。本文設(shè)計的智能插座能夠?qū)崿F(xiàn)空調(diào)的節(jié)能控溫、功率故障監(jiān)測、火災(zāi)檢測、智能化物聯(lián)以及對后臺的統(tǒng)一化管理等。

1 現(xiàn)狀分析

閱讀近期文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，理論界主要從以下幾方面展開了相關(guān)研究：

■1.1 節(jié)能控溫

當(dāng)前，有關(guān)民用建筑節(jié)能的政策還不夠完善，而節(jié)能控溫屬于建筑節(jié)能技術(shù)的一種?，F(xiàn)有智能插座設(shè)計大多是具有定時開關(guān)、延時開關(guān)、多人共享開關(guān)等功能，且內(nèi)設(shè)防雷電、放高壓、防漏電等功能[1]，在一定程度上實現(xiàn)了節(jié)能控溫的功能。

■1.2 智能化物聯(lián)

無論是國內(nèi)還是國外，智能化都被看作是是信息化與工業(yè)化的融合，其技術(shù)的核心無疑就是物聯(lián)網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)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(lǐng)域仍然具有較大的發(fā)展空間。

■1.3 通信方式

物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在不斷提升,智能插座系統(tǒng)在此環(huán)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(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信功能與供電控制的功能[2]。

2 設(shè)計的主要內(nèi)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(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了節(jié)能控溫、功率故障監(jiān)測、火災(zāi)檢測以及智能化物聯(lián)的功能。如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計圖

本項目實際應(yīng)用場景拓?fù)鋱D如圖2 所示。在大型機構(gòu)中，插頭與空調(diào)設(shè)備一一對應(yīng)，并通過插頭接入云平臺實現(xiàn)后臺智能統(tǒng)一化管理。

圖2 項目整體拓?fù)鋱D

■2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 紅外模塊

紅外模塊主要的功能是控制空調(diào)開關(guān)及溫度。此模塊中STΜ32F103 會通過接收紅外信號接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，再由其與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，同時相應(yīng)的指示燈會對其工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。最后STΜ32F103 通過發(fā)送紅外信號將交互的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備，最后對空調(diào)開關(guān)及空調(diào)溫度進(jìn)行控制。目前市面上的兩類樓宇控制技術(shù)都不符合實際應(yīng)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(fā)信號強等優(yōu)點。

2.1.2 功率檢測模塊

功率檢測模塊是一個可以實時監(jiān)督空調(diào)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(shù)上傳至控制中心進(jìn)行統(tǒng)計，以達(dá)到故障上報與統(tǒng)計的作用。在使用空調(diào)的過程中，空調(diào)產(chǎn)生不同功率，智能插頭通過計量電路，可以對功率進(jìn)行測算，隨后將數(shù)據(jù)反饋給單片機STΜ32F103，指示燈顯示不同工作狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)與云平臺進(jìn)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(yōu)點，故本項目選其作為相關(guān)電參數(shù)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(huán)境溫度并將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送至STΜ32F103，若溫度不在設(shè)定閾值范圍內(nèi)STΜ32F103（ARΜ 微處理器）則將觸發(fā)蜂鳴器，工作狀態(tài)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(shù)據(jù)。遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的王永華等人采用單片機實現(xiàn)對溫度的智能控制，DS18B20 模塊測量電機溫度，LCD 模塊進(jìn)行溫度顯示。根據(jù)他們的研究，可知該系統(tǒng)采用DS18B20 設(shè)計具有降溫快，效果好，功耗低等優(yōu)勢。且市面普遍使用DS18B20 模組，說明該模組具有較大的優(yōu)勢。

2.1.4 WiFi 模塊

為實現(xiàn)智能插頭的智能控制，能夠連接網(wǎng)絡(luò)便成為頭號目標(biāo)。當(dāng)前有關(guān)設(shè)計的連接網(wǎng)絡(luò)方式多種多樣：GSΜ 移動通信網(wǎng)短信平臺、WiFi、LoRa 技術(shù)、藍(lán)牙信息傳輸?shù)萚3～5]。本插頭則采用WiFi 連接的方式，服務(wù)于企業(yè)或者學(xué)校等大型機構(gòu)，此類大型機構(gòu)普遍覆蓋有WiFi 網(wǎng)絡(luò)，通過使用現(xiàn)有資源，較大的減輕了額外網(wǎng)絡(luò)連接成本，并且保證了WiFi 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)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(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi 之間的轉(zhuǎn)換。我們將ATK-ESP8266 的串口與STΜ32F103RCT6 的一個串口進(jìn)行連接便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將ATK-ESP8266 設(shè)定成WIFI-STA 模式，在該模式下TK-ESP8266 通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

■2.2 軟件設(shè)計

計劃采用阿里云云平臺，可以通過后期設(shè)置，相關(guān)管理展現(xiàn)直觀的實時情況表，以便于發(fā)生相應(yīng)事件后管理員能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)并完成其相關(guān)工作。

云平臺通過整合、處理系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，及時對設(shè)備進(jìn)行管理與控制。軟件模塊接入了云平臺實現(xiàn)后臺智能統(tǒng)一化管理，云平臺將各模塊反饋的數(shù)據(jù)經(jīng)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(diào)節(jié)云平臺以改變相關(guān)模塊的狀態(tài)。節(jié)能控溫功能首先進(jìn)行溫度的檢測，再由CPU（中央處理器）對溫度進(jìn)行判斷，如若未超過報警溫度，還需對溫度繼續(xù)重復(fù)檢測；超過則將溫度信息上報云平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，再進(jìn)行斷電處理。功率檢測模塊一經(jīng)觸發(fā)，則進(jìn)行功率檢測并由CPU 判斷空調(diào)是否存在功率故障，若未存在故障則繼續(xù)進(jìn)行功率檢測，否則將相關(guān)數(shù)據(jù)信息上報至云平臺進(jìn)行斷電處理直至結(jié)束。如圖3 所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

■2.3 功能實現(xiàn)

2.3.1 節(jié)能控溫

通過云平臺以及算法配合，自動采取最優(yōu)溫度控制策略并自動檢測當(dāng)日時間安排表，實現(xiàn)智能關(guān)機，以達(dá)到節(jié)能目的。如圖4 所示。

圖4 節(jié)能控溫

2.3.2 功率故障

智能插頭通過內(nèi)置的功率檢測模塊和紅外模塊相互合作，對接受到的空調(diào)的紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后獲得空調(diào)當(dāng)前所處的模式，再通過內(nèi)部程序調(diào)節(jié)實現(xiàn)不同模式進(jìn)行不同的功率檢測，從而判斷空調(diào)電機是否正常運行。如圖5 所示。

圖5 功率檢測

2.3.3 火災(zāi)檢測

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

圖6 火災(zāi)檢測

2.3.4 智能化物聯(lián)

由通訊模塊與云平臺兩個部分實現(xiàn)。通過通訊模塊使單片機與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊，并結(jié)合云平臺實現(xiàn)后端統(tǒng)一化地數(shù)據(jù)調(diào)度與智能管理功能。云平臺通過整合、處理系統(tǒng)發(fā)送的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，及時對設(shè)備進(jìn)行管理與控制。本項目計劃采用阿里云，可以通過后期設(shè)置，想管理展現(xiàn)直觀的實施情況表，以便于發(fā)生相應(yīng)事件后管理員能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)并完成其相關(guān)工作。如圖7 所示。

3 對現(xiàn)有研究做出的創(chuàng)新

(1)自動節(jié)能溫度調(diào)控。通過云平臺以及算法配合，自動采取最優(yōu)溫度控制策略并自動檢測當(dāng)日時間安排表，實現(xiàn)智能關(guān)機，以達(dá)到節(jié)能目的；(2)使非物聯(lián)空調(diào)接入物聯(lián)系統(tǒng)。通過內(nèi)置WiFi 芯片與云平臺進(jìn)行連接，實行后臺統(tǒng)一化管理；(3)火災(zāi)與電機工作狀態(tài)監(jiān)測。內(nèi)置雙檢測模塊，發(fā)現(xiàn)問題后及時上報云平臺并自動聯(lián)系相關(guān)部門采取措施，減少危險事件的發(fā)生。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款空調(diào)節(jié)能調(diào)控及智能檢測插頭，通過比較相關(guān)模塊各自的優(yōu)勢，選出性能穩(wěn)定且價格出色的模塊并將其連接，實現(xiàn)了一系列功能，本文可以對讀者在相關(guān)模塊的選擇上和指定功能的開發(fā)上實現(xiàn)一定的啟發(fā)，并為其設(shè)計提供可參考的依據(jù)。