基于物联网的智能插座的设计

符长友 雷志勇 李行

摘 要： 针对传统电源插座的缺陷与功能不足，利用电能参数自动检测、RFID射频识别、WiFi无线通信、嵌入式MCU，以及Android智能控制、管理等多种技术，设计出一款基于物联网的智能插座。当插座未接入电器设备时，其自行断电；当插座上接入电器设备时，通过RFID射频识别技术，插座能自动、实时检测当前电器设备所需要的电压、电流、功率等电能参数是否超过插座所能提供的最大电压、电流、功率等参数，并决定是否给电器设备供电。这样，不仅有效地避免电气火灾发生，而且还能有效防止插座伤害孩子事故的发生。结果表明，该设计达到了预期目标。

关键词： 智能插座； 物联网； 电气参数； RFID； WiFi； 电气火灾

中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）08?0122?04

Design of smart socket based on IOT

FU Changyou， LEI Zhiyong， LI Xing

（School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China）

Abstract： For the defects and functional insufficiency of the traditional power socket， the power parameters automatic detection， RFID， WiFi wireless communication， embedded MCU， Android intelligent control and management， and other technologies are used to design a smart socket based on the Internet of Things （IOT）. The smart socket will disconnect the power itself when no electrical devices are plugged into the socket. The socket can automatically detect whether the electrical parameters of voltage， current and power needed by the current electrical equipment exceed the parameters of voltage， current and power provided by the socket， and determine whether supplies power to the electrical equipment. This smart socket can effectively avoid electrical fires， and effectively prevent the occurrence of children electric shock accident from socket.

Keywords： smart socket； Internet of Things； electrical parameter； RFID； WiFi； electrical fire

0 引 言

自20世纪80年代以来，我国电气火灾隐患及其发生率一直居高不下，每年约占火灾总起数的25%，年均损失约占总损失的36%，给国民经济和人民生活造成巨大的损失[1?2]。有关数据表明，超过70%的电气火灾是由于高于电源插座内的断电器所要求的安全电压或电流造成[3]。而传统的电源插座不具备电能参数自动检测功能，不会因为电源插座所能提供的额定电压、电流不足以满足当前电器设备的要求，而自行断电；更不会因为当前电器设备的工作电压、电流等电能参数超越电源插座所能提供的最大电压、电流值而作预警处理，并及时报告给电力用户，以防止电气火灾事故的发生。与此同时，我国每年大约有超过数千人因为触摸电源插座而发生触电或烧伤事故[4]。究其原因，主要是因为传统的电源插座无论其上是否已接入电器设备，电源插座的插孔已被供电。针对传统电源插座的缺陷与功能上存在的不足，广大电力用户迫切需要一种功能更全并具有保护功能的智能电源插座。为此，利用电能参数实时自动检测、RFID射频识别、WiFi无线通信、嵌入式MCU，以及Android智能控制、管理等多种技术，设计了一款基于物联网的智能插座。

1 系统构成与工作原理

基于物联网的智能插座由智能电源插座与智能管理系统（软件）构成，二者之间通过WiFi无线通信方式进行数据交换，如图1所示。智能电源插座由电能参数实时监测、RFID射频自动识别、WiFi无线通信、嵌入式MCU、LCD显示、USB接口、断电保护操作、实时时钟等功能模块构成，如图2所示。

在电器设备的电源插头内嵌入一个RFID（Radio Frequency Identification）电子标签（该标签内记录有当前电器设备工作时所需的额定电压、电流、功率等额定电能参数），智能电源插座内嵌入一个RFID电子标签识别器，通过RFID方式，就可以实时感知当前电源插座上是否接有电器设备。当感知到没有电器设备接入，智能电源插座内的MCU控制继电器的控制端，使电源线断开，不再给插座上的插孔供电。这样，确保了插孔上的电压为零，从而有效地避免了触电或被烧伤事故的发生。当感知到有电器设备接入，智能电源插座内的电能参数计量模块，实时感知出当前电气设备的电压、电流、功率等电能参数。然后智能电源插座内的MCU通过RFID方式，读取电子标签内的电器设备的额定电压、额定电流、额定功率等电能参数，与电源插座所感知的电能参数作对比、分析、判定，即可知晓智能电源插座所能提供的电能参数是否满足电器设备所需的电能参数。如果当前电器设备工作时的电能参数超出智能电源插座所能提供的电能参数，智能电源插座会及时告知电器设备，同时也不给插孔供电。如果当前电器设备所需的电能参数未超出智能电源插座所能提供的电能参数，智能电源插座也会及时告知电器设备，并给其供电，同时通过LCD液晶屏实时显示当前电器设备工作时的电能参数。这样，将有效地避免电气火灾发生，再由于便携式电子设备常用USB接口充电。为了方便此类电子设备，智能电源插座特地设计了USB接口。

智能管理系统是一款嵌入在智能手机上的软件，广大用户可通过该智能管理系统，以WiFi无线通信方式对智能电源插座的管理、控制：

（1） 实时查询智能电源插座上是否接有电器设备；

（2） 如果接有电器设备，可立即读取当前的工作电压、电流、功率等电能参数；

（3） 可远程控制对某个电器设备是否供电：如发指令“1”对其供电，如发指令“0”对其断电。

2 系统硬件设计

2.1 嵌入式MCU

微处理器是整个系统的核心部分，负责数据的采集、处理以及相关控制，采用MSP430F149。该芯片是美国TI公司推出的一款低功耗、高集成、高性能单片机，特别适合于电池应用场合或手持设备。MSP430F149包含了1个硬件乘法器，48个I/O口，1个模拟比较器，2个具有捕捉/比较寄存器的定时器，8路12位AC/DC转换器，2个硬件串行通信接口，60 KB的FLASH ROM，特别适合于设计片上系统[5]，其电路设计如图3所示。

2.2 电能参数计量

电能参数计量采用ATT7053。ATT7053是一颗带SPI和UART接口的单相多功能计量芯片，其工作电压为4.5～5.5 V。该芯片的特点有：3路22 b ∑?Δ ADC，采样率28 kHz/14 kHz/7 kHz可调；支持5 000∶1的动态范围；支持有功、无功、视在功率和电能脉冲输出；可同时得到两路计量通道的电压、电流通道的有效值，以及电压频率，电压电流相位[6]。其电路设计如图4所示。

2.3 RFID射频识别

RFID射频自动识别采用TRF7960A芯片，该芯片是一款高性能13.56 MHz高频（HF）RFID读取器IC，它包含一个用于ISO15693，ISO14443A/B和FeliCa的集成型模拟前端（AFE）和一个内置的数据组帧引擎。对于具有所有组帧和板上同步任务（ISO模式，默认）的ISO14443，它支持的数据速率高达848 Kb/s。它还支持NFC论坛标签类型1，2，3和4操作（只作为读取器/写入器） [7]。可通过使用器件提供的两个直接模式来执行其他标准，甚至执行定制协议。这些直接模式（0和1）使得用户能够完全控制模拟前端（AFE）并获得原始副载波数据或者非成帧数据（但已经是ISO格式数据）和相关（被提取的）时钟信号的存取权限，其电路设计如图5所示。

2.4 WiFi通信模块

WiFi801D是一个超低功耗嵌入式WiFi模块，该模块硬件上集成了MAC、基频芯片、射频收发单元以及功率放大器；嵌入式的固件则支持WiFi协议及配置，以及组网的TCP/IP协议栈。特点：支持IEEE 802.11b/g无线标准，最高速率54 Mb/s；支持SoftAP和STA模式；支持TCP，UDP，DNS，SNMP，ICMP等多种网络协议，支持标准的AT指令操作[8]。其电路设计如图6所示。

3 系统软件程序设计

3.1 程序设计流程图

基于物联网的智能插座程序设计流程图如图7所示。

3.2 RFID识别程序

RFID射频识别、通信程序部分代码如下：

void RFID_GO（）

{

if（P1IN&BIT0==BIT0）

{ flag3=1； }

else flag3=0；

}

void Get_time（）

{

Get_DS1302（dtime）；

tmp[0] = （（dtime[2]&0xf0）>>4）；

tmp[1] = （dtime[2]&0x0f）；

tmp[3] = （（dtime[1]&0xf0）>>4）；

tmp[4] = （dtime[1]&0x0f）；

…

}

3.3 电能参数采集程序

电能参数采集程序部分代码如下：

Unsigned long ReadSpi（unsigned char Com）

{

unsigned char n；

unsigned long data；

data=0；

CS=1；

SCLK=0；

CS=0；

for（n=7；n>=0；n--）

{

SCLK=1；

DIN=Com.n；

SCLK=0；

}

… }

3.4 WiFi通信程序

WiFi通信程序部分代码如下：

while（ newSockID < 0 ）

{

newSockID = sl_Accept（SockID， （ struct SlSockAddr_

t*） &Addr， （SlSocklen_t*） &AddrSize）；

if（ newSockID == SL_EAGAIN）

{ /* Wait for 1 ms */

Delay（1）；}

else if（ newSockID < 0 ）

{ return -1； }

}

…

4 系统测试数据

4.1 WiFi通信距离测试

WiFi通信距离测试分为空旷无障碍物条件下的通信距离测试与隔墙体条件下的通信距离测试，其测试数据结果如表1和表2所示。

4.2 电能参数准确度测试结果

用型号为FSL?40B的格力落地电风扇作为智能插座的负载，测试其电能参数。然后用专业的电能参数计量仪器，即PQ3000测量，再将二者所测试的数据进行对比，所比对的电能参数结果如表3所示。

表2 隔1堵墙的条件下的通信距离测试数据

表3 测试值与仪器测量值的对比

4.3 实物图片

实物图片如图8所示。

5 结 论

基于物联网的智能插座不仅能实时监测并显示插座上所接入的电器设备工作时的电压、电流、功率等电能参数，而且如果电能参数超出插座所能提供的额定电能参数时，插座会自动给电器设备断电并预警，以防止发生电气火灾。同时，如果插座上没接入电器设备，插座口一直处于断电状态，从而有效避免触电或被烧伤事故的发生。

此外，用户可通过WiFi远程控制智能插座的开关。基于物联网的智能插座可广泛运用普通家庭、办公室、工厂等众多领域。因此，物联网智能插座，有着广泛的市场应用前景和社会需求

参考文献

[1] 张宝虎.电气防火安全检测工作的实践与思考[J].中国新技术新产品，2010（24）：254.

[2] 张海明.电气火灾的预防与灭火[J].卷宗，2014（9）：230.

[3] 邸曼，厉剑，张明，等.电气火灾分析与防治策略的研究[J].消防科学与技术，2008，27（1）：5?9.

[4] 包福元.防范人身触电事故[J].中国电力企业管理，2008（20）：18.

[5] Texas Instruments. Datasheet of MSP430F4260 [EB/OL]. [2013?03?11].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f149.pdf.

[6] 钜泉光电科技（上海）股份有限公司.ATT7053用户手册V1.6[M].上海：钜泉光电科技（上海）股份有限公司，2014.

[7] Texas Instruments. Datasheet of TRF7960A [EB/OL]. [2013?06?21].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/trf7960a.pdf.

[8] 深圳市点创科技有限公司.WiFi801D数据手册V1.3[M].深圳：深圳市点创科技有限公司，2013.

[9] 陈海旺，张振娟，黄明.智能家居中无线智能插座系统设计[J].电视技术，2013，37（21）：80?83.