基于物联网设计的智能插座

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智能应用
0 引言
插座在当今生活中已然随处可见，而功能及种类也在增
加之中。

这些新型插座虽能够解决某些实际问题，但是都存在着一定的缺陷，无法被大众所接受并广泛的使用。

为此提出一款可以使用手机移动端进行控制的智能插座势在必行。

通过网络来控制各插口的通电状态，并限制插座的功率，避免因超负荷工作而导致的火灾。

即使无人在家，使用者也可以通过手机对插座进行远程遥控，达到消除火灾隐患，便捷生活的目的。

相信这项设计对于人们的生活质量有着显著提升。

1 智能插座设计方案
基于物联网设计的智能插座由智能插座和手机移动端
相构成，二者通过WIFI 通信来完成数据交换及工作，具体示意见图1。

该智能插座包括嵌入式MCU，电能参数采集
模块，WIFI 无线通信，继电器模块和显示模块等五个模块组成，具体示意见图2。

设置额定电能参数，同时
通过LCD 模块实时显示插座各
插孔的电能参数，通过额定参数与实际参数的比较,就可以感
知当前插座上是否接有电器设
备。

当感知到插座上未接入电器设备时，插座内部嵌入式高性
能MCU 会控制继电器模块，使得电源总线断开，确保不会出现触电等意外事故的发生。

当感知到插座上接入电器设备时，将实时电能参数与额定电能参数进行比较，若实时参数大于
额定参数，则会及时切断电源避免火灾发生，同时将该情况通过WIFI 在手机移动端告知用户，及时的达到预警的目的。

广大用户在使用手机移动端时，通过手机移动端以WIFI 无线通信的方式对智能插座实现以下远程控制：
(1)实时查询智能插座上是否皆有电器设备；(2)远程控
制智能插座是否对电器设备供电；(3)当插座上存在电器设备工作时，可在移动端读取电压电流功率等电能参数。

2 智能插座硬件设计
■2.1 嵌入式MCU
MCU 是整个系统的核心部分，负责数据的采集，处理
基于物联网设计的智能插座
叶志鹏，李刚（通讯作者）
（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）
基金项目：湖北文理学院大学生创新创业训练计划项目资助（S201910519035）。

摘要：相较于传统插座的缺陷与不足，本文以STM32F103单片机为控制核心，设计了一款可通过WIFI远程控制的的智能插座，实时显示电能参数，预防意外事故发生。

从软硬件两个方面介绍了智能插座的设计方案及程序设计的主要思想。

关键词：单片机；智能插座；电能参数；WIFI
图1 智能插座组成框图
图2 智能插座功能框图
30 | 电子制作 2020年07月
以及相关控制，本设计选用的中央控制器为STM32F103单片机，在整个系统中起着监督控制的作用。

MCU 会实时监测智能插座各个端口的电能数据，并通过WIFI 及时反馈到手机移动端，以便用户能及时看到插座各端口的数据。

同时，
MCU 会时刻检测是否有新的指令，并控制相应的部分完成指令。

CPU 电路图如图3所示。

■2.2 无线收发模块
NRF2401单片射频收发芯片包括一个完全集成的频率
合成器，功率放大器，晶体振荡器和调制器。

NRF2401能
够在低电压下工作，进行高速率处理和高速度输送信号，工作频段为2.4G~2.5GHz ISM 频段。

NRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA 三个引脚完成。

使用DuoCeiverTM 技术同时接收两个不同频道的数据。

该芯片采用ShockBurstTM 收发模式进行无线数据发送，其所需外围元件较少且外形尺寸小，故收发芯片采用NRF2401。

■2.3 继电器驱动模块
作为控制模块，通常继电器有如下几种功能：（1）扩
大控制范围；（2）自动，遥控，监测；（3）综合信号；（4）放大。

用户可以使用手机移动端通过无线WIFI 向单片机芯片发送信号，从而控制继电器的工作状态。

在控制电路中具有电路保护和自动调节等功能。

继电器具有控制系统（输入回路）和被控制系统（输出回路）二者之间的互动关系。

在使用智能插座是，用户可以通过手机移动端想嵌入式MCU 发送指令，使得MCU 产生小电流，继而小电流通过继电器来控制插座上的大电流。

继电器正是一种通过小电流来控制大电流的电控制器件，在智能插座上有着很好的体现。

由于单片机输出
电流的问题，还会接入三极管及续流二极管的元器件以保证对继电器模块的驱动。

同时电路中加入发光二极管以显示继电器的开断状态，便于用户观测插座的状态。

因而继电器在
控制电路中具有转换电路、自动调节和电路保护等功能。

3 系统软件程序设计
软件设计主要分为主函数模块、驱动电路模块、显示
模块等三个模块。

在设计的过程当中，严格参照硬件并与之一一对应，这样模块化的设计有利于后期对于软件的优化，也增强了系统的可移植性。

当系统需要各模块去实现所需功能
时，我们可以通过对子程序的调用来实现。

为了降低误报率，系统采用延时消除抖动、多次判断的方法，每次发送数据后根据接收端的时刻判断是否有数据进行输入，一旦接受数据
单片机则对继电器进行控制。

插座内部工作流程如图5所示，
WIFI 模块的调用流程图如图6所示。

图5 插座内部工作流程
4 结语
相较于传统的插座，基于物
联网的智能插座具有使用安全稳定，操作简单便捷等诸多优点。

通过WIFI 来实现远程控制，有效防止了因无人看守而导致的意外失火。

该款插座能够实时检测插口上的电能参数（电压、电流、
功率等），当超过额定的电能参数会自动断电并通过WIFI 向用图6 WIFI 模块的调用
（下转第64页）
应的峰值电流，上升时间和持续时间。

图9 NOISEKEN浪涌发生器2kV开路电压
4 结语
图10 NOISEKEN浪涌发生器源输出端短路电流检测布置图本系统充分整合试验室现有资源，根据测试需求编写LABVIEW程序，控制仪器设备，从而快速、准确、有效地撑，也为技术的交流和传承提供了良好的数据基础。

图11 NOISEKEN浪涌发生器2kV短路电流
参考文献
[1]GB/T 17626.5-2019，电磁兼容试验和测量技术浪涌(抗扰度试验[S].北京:中国国家标准化管理委员会, 2019. [2]IEC61000-4-5 : 2014.Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5:Testing and measurement techniques - Surge immu-nity test, 2009.[S]．
＊ [3]郝丽,赵伟.LabVIEW虚拟仪器设计及应用——程序设计、数据采集、硬件控制与信号处理[M].北京:清华大学出版社, 2018.
实现监测的连续性且对植物无损伤，通过环境因素传感器和视觉处理技术对盆景植物生长环境及其特征信息进行采集、数据分析，自动控制加热器、电风扇、LED灯实现环境参数的最优控制。

系统还能远程观赏盆景，远程控制现场设备。

图像处理的颜色识别算法上，为了更准确的识别出目标颜色，采用改进了HSV颜色空间定位法。

用HSV颜色空间定位法进行粗定位，再通过轮廓分析的曲线追踪法进行精确定位。

本设计的难点在于栀子花“黄化病”叶子的图像采集和叶子特征信息提取，后续可以在算法上继续需求新的突破，提高黄色叶子识别准确率，从而增加系统的稳定性。

系统在移植性上也可以提高，以至于实现分时监控室内多种植物，提高系统的利用率。

参考文献
＊ [1]张鑫,徐文胜,刘阶萍,等.基于Kinect的智能花盆体感控制系统研[J].机电工程, 2014, 31(9) : 1226-1230.
＊ [2]孙红，孙明，王一鸣.植物生长机器视觉无损测量研究综述[J].农业机械学报, 2016, 37(10) : 181-184.
（上接第92页）
户即使发出警报，防止意外事故的发生。

此外，用户可使用手机操作端远程控制智能插座的各个插口供断电，这种远程控制可用于居家生活，企业办公，工程车间等。

因此，基于物联网智能插座可以被投入市场广泛应用，并取得大多数用户的青睐。

参考文献
＊ [1]符长友,雷志勇,李行.基于物联网的智能插座的设计[J].现代电子技术.2016 39(8) : 122-125.
＊ [2]张本裕,李昌奇.基于无线网络的智能插座设计[J].工业控制计算机. 2019.32(9) : 133-134.
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（上接第30页）
64 | 电子制作 2020年07月。