林嘉 刘炳全 邱小群
摘 要：近些年来，智能家居新产品层出不穷，智能插座就是其中一种。传统家电大部分没有智能化和信息化功能，智能插座就起到了辅助传统家电的作用，包括供电远程控制，用电状态监测与控制等功能。本文提出一种低成本、高效率的智能插座设计方案。
关键词：智能家居;智能插座;远程控制;用电状态监测
中图分类号：TM503.5;TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0044-03
Design of Intelligent Socket Based on MCU
LIN Jia，LIU Bingquan，QIU Xiaoqun
（Zhuhai City Polytechnic，Zhuhai 519090，China）
Abstract：In recent years，new products of smart home emerge in endlessly，and smart socket is one of them. Most of the traditional household appliances do not have the functions of intellectualization and informatization. Intelligent sockets play an auxiliary role in traditional household appliances，including remote control of power supply，monitoring and control of power consumption status. In this paper，a low cost and high efficiency design scheme of intelligent socket is proposed.
Keywords：smart home;smart socket;remote control;power status monitoring
0 引 言
在能源日益缺乏的今天，大量开发清洁且稳定高效的能源是一种办法;另外也应该考虑如何能节约用电，防止不必要的电力浪费，并且做到监控用电设备运行，及时调整用电规则和习惯。目前市场上的智能插座大部分不可本地操作，且没有远程监控用电状况（包括电压、电流、功率）的功能。智能插座应该能实现控制用电设备通断电，让用电设备在适当的时候自动通电，其他时间自动断电;能够通过主控制器监测用电设备状况并手动控制用电设备通断;能够监测用电设备的运行参数，并可设定超限报警;当参数超过设定值时，触发蜂鸣器报警，并通过Wi-Fi传输至服务器端。本文提出的智能插座实用性和性价比较高，能满足以上需求。
1 系统设计
本设计包括电源模块，电能计量模块，Wi-Fi模块，继电器模块，STC12C5A60S2单片机控制模块和人机交互模块六个主要模块。人机交互模块包括蜂鸣器报警，LCD1602显示器和按键输入。该系统的整体框图如图1所示。单片机控制模块（以下称单片机）是智能插座的核心;电能计量模块负责采集电能数据并传输出至单片机，单片机再通过Wi-Fi模块上传至服务器;用户可以通过人机交互模块设置智能插座通、断电的时间。
2 硬件设计
2.1 单片机控制模块
单片机控制模块负责智能插座所有模块的集中管理。从电能计量模块获取电压、电流、功率等信息，通过Wi-Fi模块上传至服务器，以便用户查看，并进一步实现电能分析;用户也可以通过操作人机交互模块的显示屏直接实时查看电能信息，也可以通过人机交互模块设置插座的通断电时间，以适应用户的用电习惯;通断电的功能由单片机控制继电器模块控制实现。单片机控制模块以STC12C5A60S2为核心，该芯片内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，抗干扰能力强。外加芯片（DS1302）组成的实时时钟电路以实现时间计量功能。
2.2 电能计量模块
电能计量模块是以HLW8012为核心搭建的电路。HLW8012一般采用SOP8封装，体积小，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值;其引脚CF输出高频脉冲，指示有功功率，在1000：1范围内达到±0.3%的精度;引脚CF1同样输出高频脉冲，指示电流或电压有效值，通SEL引脚选择，在500：1范围内达到±0.5%的精度;内置晶振、2.43V电压参考源及电源监控电路;5V单电源供电，工作电流小于3mA。通过电阻采样用电负载的电压和电流信息，经过HLW8012的处理，把信息通过高频脉冲的形式输出至单片机控制模块。其结构如图2所示。
2.3 Wi-Fi模块
Wi-Fi模块由ESP8266为核心的电路组成。ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透传模块，拥有极简的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网环境应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信。电路附带PCB天线，外围电路简洁，阻抗匹配强，信号输出稳定，抗干扰能力强。对ESP8266进行二次功能开发，能够和单片机控制模块完美配合，实现数据的远距离、无障碍传输。为了使通信更加安全，还可与上位机协同增添加密算法。ESP8266与单片机通过UART连接即可，单片机采用串行口工作方式1，与ESP8266模块通信。
2.4 继电器模块
继电器模块以SAI4005D为核心。其主要优点是，开关触点承压达到480V，性能优越，对于电机、变压器等感性负载具有良好的稳定控制效果。单片机需一个GPIO与继电器模块的输入端，通过程序控制继电器触点的开闭。
2.5 人机交互模块
人机交互模块分为显示部分和操作部分。显示部分主要由LCD1602、两个微动开关（按键）和蜂鸣器组成;LCD1602可以显示2行*16字符，满足插座的全部需求参数显示;蜂鸣器电路则实现超限报警。设置和调整时间或者查看用户信息，两个按键即可完成。
2.6 电源模块
电源模块由阻容降压方式把220V交流电压降低，经过1N4738稳压8.2V，最后经过7805和AMS1117稳压至5V和3.3V，分别给单片机及相关电路、Wi-Fi模块供电。
3 软件设计
本设计中除单片机控制模块外，其余5个模块均受到单片机模块的控制或监视。可按照功能的划分进行软件设计。
3.1 人机交互功能
人机交互功能包括单片机控制模块、人机交互模块。用户可以直接观察当前时间，用电设备的电压、电流、功率及电量等信息。通过两个按键即可设置当前时间及继电器通电或者断电时间，其程序流程如图3所示。首先读取DS1302的时间信息，经过数据转换，在LCD1602上显示出来。要想查看电压、电流、功率等信息，只要把两个按键同时按下即可。信息显示如图4所示。另外，在程序中可根据需要，判断当前电量数值超过设定值，触发蜂鸣器蜂鸣。
3.2 继电器通断用电设备功能
继电器的输入控制端与单片机的一个GPIO连接，在程序中加入判断当前时间与设置的通电时间是否相等。如果两个时间相等，GPIO输出低电平，触发继电器常开触点接通;另外，也要判断当前时间与设置的断电时间是否相等，如果相等，GPIO输出高电平，继电器的常开触点断开，从而实现用电设备的通断电。
3.3 电量信息获取功能
单片机两个外部中断IO与一个普通IO与电能计量芯片HLW8012相连接。在处理CF（功率）、CF1（电压、电流）两个脉冲时，外部中断模式设置为下降沿触发中断，使用MCU外部中断来确定2次中断间隔，使用MCU定时器来测量相邻2次外部中断的时间间隔，即可得到脉冲的周期与频率。根据有功功率值、电流有效值、电压有效值的大小与频率的大小成正比，与周期的大小成反比这一规律，即可以计算出各电量数值。
3.4 数据上传功能
单片机的RX（P3.0）和TX（P3.1）与ESP8266模块的RXD和TXD交叉连接，且xxx两者共地;单片机以串行口工作方式1，把测量得到的电能信息发至ESP8266，由于ESP8266的转传功能，再通过Wi-Fi发送至指定IP的服务器端，服务器端即可查看智能插座的电能信息。显示效果如图5所示。
4 结 论
智能家居是未来社会家用电器的主要发展方向，而节能减排则是智能家居的重要功能。本设计从节能功能、用户使用方便性及用户数据的延展性方面进行研究。考虑到了用户在本地即可操作设置用电设备的运行时间，也为远程用户提供用电数据以便进一步分析用电负荷、用电习惯。本设计充分利用单片机资源，通过人性化的人机界面，用户通过简单设置即可实现自动通断用电设备的目的，且通过Wi-Fi把电能信息传输至服务器端。本设计中的智能插座成本低廉，操作简便，运行稳定，在相关领域较有推广价值。
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