（完整版）基于物联⽹的智能插座设计
基于物联⽹的智能插座设计
随着技术的发展和⼈类⽣活⽔平的提⾼，越来越多的⼈开始追求⾼科技和⾼质量的⽣活。智能电⼦设备的发展给⼈类⽣活提供了很⼤的便利。近年来，智能移动设备，智能家居设备，智能可穿戴设备发展迅速。智能家居作为其中⼀个重要的⽅⾯，极⼤⽅便了⼈们对家庭电⼦设备和电⽓设备的管理和使⽤。
物联⽹是⼀个基于互联⽹、传统电信⽹等讯息承载体，让所有能够被独⽴寻址的普通物理对象实现互联互通的⽹络。物联⽹通过互联⽹，将物体与物体之间建⽴通信连接。智能家居建⽴在物联⽹基础之上，将家⽤电器和智能⽹关、个⼈电脑、⼿机等电⼦设备连接，以实现统⼀的和⾃动化的管理，为居民的⽣活提供便利。
家⽤电器作为普遍存在的家居设备，缺乏统⼀的智能化⽅案和接⼝，因此要实现家电总体的智能化绝⾮朝⼣之功。但插座作为家⽤电器连接电源必须使⽤的设备，若能实现智能化管理，则会在很⼤程度上借助对插座的管理实现对家电的智能化管理。本⽂提出⼀种智能插座设计⽅案，实现了简单的功能设计，并进⾏了样机设计和测试。在本⽂提出的硬件⽅案的基础上可以进⾏更加专⽤和更加复杂的功能设计和实现。
模块设计
控制器
控制器使⽤A VR ATmega16，它具有16K 字节的系统内可编程闪存，512 字节EEPROM，1K 字节⽚上内存，32个通⽤输⼊输出接⼝和寄存器，通⽤同步/异步串⾏接收/发送器（USART），10位精度的模数转换器，可通过编程配置外接晶体振荡器提供时钟信号。通信模块
⽆线通信使⽤WIFI 实现。WIFI 对⽐蓝⽛、ZigBee等其他⽆线通信⽅式，有较多的优点。
1.WIFI已经有着极其⼴泛的应⽤。WIFI形成⼀种⼯业化的标准，⽬前市⾯上的智能⼿机、平板电脑和笔记本电脑、⽆线路由器等都⽀持WIFI通信。很多家庭都有WIFI 设备。可以说，WIFI 设备更容易被⼴⼤⽤户接受。
图1ATmega16引脚⽰意图
2. 通信距离长，⼀个遵循IEEE802.11b 或IEEE802.11g标准的⽆线路由器在使⽤外置天线时可能有⼀个长达32m的室内传输距离，这⽐蓝⽛等技术有明显的优势。
3.传输速度快，WIFI的传输速度相对蓝⽛和ZigBee 要快很多——遵从IEEE802.11b 标准的可⾼达11Mbps，遵从IEEE802.11a 和IEEE802.11g 标准的可⾼达54Mbps。
4.WIFI芯⽚的价格便宜，有完善的标准、电器特性说明，和技术⽂档。
WIFI模块是实现了TCP/IP协议栈的WIFI解决⽅案。在具体选择WIFI设备时，我们使⽤USR－WIFI232模块。USR －WIFI232是⼀款USART 接⼝的WIFI 模块（以下简称WIFI 模块），⼀端可以通过USART与单⽚机连接，接收单⽚机的指令，另⼀端可以通过WIFI 与其他⽆线终端或路由器直接连接。通过简单的操作，可以在第⼀次连接的时候配置并保存⽹络信息。此模块内置轻型TCP/IP协议栈（LWIP），它的运⽤实现了数据的透明传输和安全传输，使得系统其它功能的设计可以更加灵活。USR－WIFI232模块⽀持通过串⼝和通过⽆线连接，进⾏参数配置。
1. 通过串⼝配置参数：WIFI232 模块的USART 与ATmega16 的USART 接⼝直接连接，可以通过WIFI模块设置的接⼝函数，由单⽚机发送AT命令直接修改WIFI 模块的各种参数。
2.通过⽆线连接配置参数：⽤户第⼀次与智能插座连接时，插座端以AP⽅式启动，⽤户可以通过带⽆线⽹卡的电脑或智能⼿机连接智能插座，并修改智能插座的串⼝配置和⽹络配置等配置参数。
电器⼯作状态检测模块
由于本插座设计时的直接需求是机房的安全监测和远程控制家电设备的电源通断，因此暂时没有进⾏详细的功率检测⽅⾯的设计。我们将电器的⼯作状态划分为运⾏和关闭两种状态。在监测⽤电器⼯作状态功能的实现⽅案上，可选择较简单的光电原件传感的⽅式。但我们设计⽤电流互感—电流采样—AD转换的⽅案，因为这种⽅案使我们的设备可以直接升级成为功能更强的、可以进⾏功率检测的智能
插座，即可扩展性强。
当电器不在运⾏时，负载电流为接近零的微⼩值。当电器运转时，负载电流为较⼤值。我们设定最⼩⼯作电流阈值，当连续测得的电流，转换为有效值后⼩于此阈值时，可认为电流为零，电器处于关闭状态。当测得电流⼤于此阈值时，可认为电流不为零，电器处于运⾏状态。
A Tmega16单⽚机⾃带具有10位精度的AD转换器（ADC），输⼊电压可测量的范围在0－Vcc内。因此ATmega16单⽚机的⽚上ADC完全可以满⾜负载电流检测的需要。此10位的ADC可将GND与参考电压Vref 之间的输⼊电压转换为2^10 个不同的数字量。转换后得到的数字量范围在0 与2^10 － 1 之间。
当使⽤⼗位转换精度时，单⽚机⽚上ADC分辨率可计算如下：
其中Vref 为ADC 参考电压取值。例如，取参考电压为⽚内的2.56V基准电压时，根据公式（1）计算：
设转换结果为Valueadc ，则输⼊电压in V 与adc Value 之间的转换关系由下式给出：
⾄此，我们有以下结论：理想情况下，若电流互感器变⽐为1：n，则电流变⽐（初级线圈与次级线圈流过的电流之⽐）: :1 ps II n = ，当次级采样电阻取值s R 时，设备可检测到的最⼩阻性⽤电器功率阈值可估算为：
具体应⽤之时，s R 的取值要满⾜电流互感器的额定⼆次负载要求，并且⼆次端不允许
开路，否则会存在很⼤的安全隐患。在实际情况下，由于电磁环境的⼲扰、ADC基准源
的扰动、输⼊杂波的存在等原因，最⼩灵敏功率实际值必定⽐计算得到的min P ⼤。在需要优化最⼩灵敏度的应⽤场合，可有以下改进思路：
1. 使⽤更⾼精度ADC
2. 对输⼊⾼频⼲扰进⾏滤波处理
3. 改变互感器的变⽐
考虑到本系统设计时的应⽤环境为机房电器和普通家电的监控，不会存在功率⾮常⼩的情况，因此为了最简化系统硬件规模，暂时不考虑这个问题，只做最简单的滤波和抗电磁⼲扰处理。
模块硬件设计如下：取合适变⽐的电流互感器，初级端直接接⽤电器电流回路，次级端接检测装置，通过电流互感器将前端⽤电器与后端检测装置隔离，起到安全耦合的作⽤。将流过⽤电器的电流耦合到电流互感器次级线圈后取样和简单滤波，将取样电压连接到单⽚机的ADC。在收到检测⽤电器⼯作状态的指令时，由ADC连续进⾏数次转换，以检测电流峰值；待数次转换全部完成之后，将ADC转换结果计算得到⽤电器⼯作状态，并将结果发
送到WIFI 模块。
遥控开关模块
遥控开关模块由连接在单⽚机上的电磁继电器实现。电磁继电器控制信号来⾃单⽚机IO 接⼝。控制信号为⾼电平时，电磁继电器内部的三极管饱和导通，继电器通电，磁接触点吸合，负载开路。当控制信号为低电平时，内部的三极管截⽌，继电器磁⼒消失进⽽磁接触点断开，负载接⼊电源回路中。根据继电器的型号不同，它的触电负载能⼒也不同。试验中我们使⽤交流承载能⼒为250V，5A 的电磁继电器进⾏遥控开关功能的功能验证。
电源
系统需要稳定的直流电供电：WIFI模块、电磁继电器和ATmega16单⽚机需要低电压（5V 左右）直流电源供电。因为整个插座的耗电量较⼩，因此我们设计以下交流——直流电源转换电路。此电路可将电源从交流220V市电转换成直流电，有着体积⼩、电压稳定的特点。电路原理图如下图3 所⽰。
程序逻辑
总体逻辑
智能插座设备通过WIFI模块与家⽤智能终端连接：⼀⽅⾯，通过WIFI模块将传感数据送出到家⽤智能终端；另⼀⽅⾯，通过WIFI模块接收家⽤智能终端的控制信息。
AD 转换
AD转换通过指令触发。当单⽚机收到查询指令时，触发连续的AD转换，然后计算结果，并将得到的结果通过与单⽚机串⼝连接的WIFI 模块送出。
A Tmega16 单⽚机的ADC 输⼊接⼝与通⽤IO 接⼝PA0－PA7复⽤。试验时我们选取（PA7）接⼝作为单通道AD 输⼊接⼝。AD 初始化和运⾏程序流程如下：
1.将选定的AD输⼊接⼝（PA7）设置为⾼阻态输⼊状态，并写ADMUX 寄存器，指定
输⼊接⼝
windows程序设计第7版pdf
2. 设置基准电压
3. 设置数据对齐⽅式
4. 设置AD 转换频率
5. 设置转换⽅式
6. 开始AD 转换
7. 得到AD 转换数据
8.处理得到的数据，并根据公式计算得到⽤电器⼯作状态
USART
WIFI模块与单⽚机通过USART连接并实现数据双向传输。USART串⼝通信需要给主从原件设置相同的波特率。
其他细节在此不再赘述。
扩展接⼝
A Tmega16 的多通道ADC 和较多IO 接⼝（包括SPI和TWI串⾏接⼝）使得我们在有其他需求时，可以继续添加其他传感设备。对于输出量为模拟信号的传感器，可根据其输出电压幅度，将其输出电压处理和采样之后接到某空闲ADC通道输⼊接⼝，并进⾏AD转换；对于输出量为数字信号的传感器，可直接读取传感器输出的数字信号值。
功能测试
本⽂主要考虑智能插座的功能设计与实现，但智能插座在部署使⽤时，⼀般需要作为智能家居⽹关的上位机同时协作，实现⽤户与智能插座的双向连接和数据交换。因此，功能测试包括两⽅⾯内容：
1.控制命令（如开启、关闭电源的命令）从⽤户处发出，经过智能家居⽹关送达到智能插座，并触发智能插座的响应；
2.在收到查询命令（如⽤电器⼯作状态查询命令）时，ADC开启并完成转换，转换数据从智能插座出发，送达智能家居⽹关，智能家居⽹关对数据进⾏处理后，将结果返回给⽤户端的程序。
本⽂以A VR开发板，配置必要的外设，进⾏功能验证。为调试⽅便，以安装Windows 操作系统的笔记本电脑作为智能家居⽹关（上位机），直接连接智能插座WIFI，并通过上位机的测试程序，向智能插
座发送控制命令，同时接收智能插座传来的数据。经实验验证，通信、控制电源通断、检测⽤电器⼯作状态的功能都可正常实现。功能测试的结果证明本⽂⽅案具有可⾏性。
总结
本⽂在物联⽹背景下，从现有不同⼚家、不同标准智能家居终端⽆法统⼀管理，且传统家电难以实现智能化升级等⼏个问题⼊⼿，根据机房设备和家电⼯作状态监控需求，从硬件选型、关键模块设计、软件程序设计等⼏个⽅⾯⼊⼿，提出了⼀种智能插座的设计⽅案。经过对原型设备的功能试验，验证了⽂中⽅案的可⾏性。原型机的设计满⾜了基本的功能需求，并且具有良好的可扩展性：在本⽂提出的设计的基础上，可以扩展实现其他个性化、复杂化的功能，⽐如在此基础上添加⼀些传感器使之成为传感器⽹络节点，实现智能插座通过WIFI的
互联与⾃组⽹，通过外接⾼精度ADC实现精确的⽤电器功率检测等。
本⽂主要讨论了智能插座的总体设计⽅案，未就某些细节进⾏讨论，如未讨论系统的节能控制⽅案，未考虑单⽚机模块通信失效情况的处理等，这是本⽅案的不⾜之处。但是当要⼤规模推⼴、应⽤智能插座时，这些都将是必须考虑的问题，我们将其作为下⼀步的研究⽅向。