基于智能家居系统的智能插座设计与实现

魏恩伟， 张之涵， 温克欢， 孙文静， 郑杰

(1. 深圳市康拓普信息技术有限公司, 深圳 518000； 2. 深圳供电局有限公司, 深圳 518034)

0 引言

在网络技术发达的当下，智能家居系统可以通过计算机程序、通信技术等将智能家居设备集中在系统当中，通过系统进行统一化管理、调整，使人在居住时可以更加方便快捷的对家居设备进行控制。本文主要围绕此系统当中的智能插座进行设计研究，此设备属于电力设备，在智能家居系统之下，通过一些技术的功能，可实现许多传统电力设备无法实现的功能，例如远程控制、电力开关等，通过此类技术可以有效避免电能的浪费，同时降低电力供给单位的负担，因此智能插座是智能家居系统中一项具有代表性的设备。

1 系统总体设计

1.1 设计方案规划

在本文的设计思路之下，智能家居系统可以分出多个子系统，例如环境参数采集系统、家居照明系统、安防系统等等，这些子系统均由相应的智能家居设备来实现，这些智能化设备主要通过网络与智能家居系统进行连接，连接主要分为两种形式，即有线与无线。有线连接形式主要利用网线等来实现网路连接，但是因为智能家居子系统的数量较多，大量的网线会导致家居环境拥堵等问题，因此为了对此进行改善，现代多数智能家居系统设计都采用了无线连接形式，此形式主要利用信号通信来实现连接，因此本文将在无线形式上进行设计[1-5]。

设计当中，针对智能插座进行方案规划。规划当中首先出于设计成本的考虑，发现如果为每一个设备都配备无线装置，那么必然会加大设计成本，但因为现代多数智能家居设备都属于电力驱动，所以可以将其归纳到智能插座当中，通过系统与智能插座的连接，实现系统对插座的直接控制、形成了智能化家居设备电能的间接控制[5-10]。在方案基础上，本文构建了一种具有数据交互功能、网络通信功能的智能插座，可以直接实现智能设备供电与网络连接，智能家居系统下智能插座设计拓扑图，如图1所示。

图1 智能家居系统下智能插座设计拓扑图

1.2 系统模块分析选择

根据以往的研究选择了常规的嵌入式操作系统，该系统主要分为嵌入式Linux、Android，两个部分，其中Android属于嵌入式Linux当中的一种移动设备操作系统，在现代许多移动网络端口十分常见，例如智能手机等[10-14]。Android系统的源码结构包括Uboot、Linux kernel、Android，在此结构当中Android由文件系统、Java虚拟机、UI组成；嵌入式Linux系统的源码结构包括Uboot、Linux kernel、文件系统、UI。

为了使系统操作流畅，本文对嵌入式Linux硬件配置进行了测试选择。首先针对常规的配置进行测试，即S3C6410处理器、256M内存，通过测试可见，在此硬件配置基础上，时常会出现卡顿现象，因此说明常规配置不满足需求。其次，针对S3C2440处理器、64M内存配置进行了测试，结果显示嵌入式Linux的运行十分流畅，因此本文将选用S3C2440处理器、64M内存配置作为嵌入式Linux的配置，与此同时形成了家庭网关平台[15]。

1.3 智能插座设计

通过前人研究到，传统的智能插座存在许多弊端，例如灵活性差、安装繁琐等，因此出于便捷性的考虑，本文主要选择变权欧氏距离下的学习型智能插座。此插座能够通过学习功能，记录每一个接入的智能家居电气设备的电量参数，以此当一下次遇到相同设备时，即可通过学习记录识别出设备的最低电能以及耗电量，再依照记录判断待机状态下的智能家居电气设备是否完全断开了电源，如果没有完全断开，会自动对电源传输路径进行炒作，实现完全断电[16]。

为了实现智能插座与控制端的无线连接，本文对常规的WIFI技术以及Zigbee技术进行分析，选择其中性能优异者作为无线连接网络。首先WIFI技术的优势在于其余互联网技术的计入速度较快，同时可接入设备十分广泛，具有灵活性较强的优点，而Zigbee技术的接入流程相对繁琐，优点在于稳定性较强，而随着技术的发展现代的WIFI技术的稳定性也与其相差无几，因此本文主要选择WIFI技术作为无线连接网络。

2 智能插座的硬、软件设计

2.1 硬件设计

针对上述的变权欧氏距离下的学习型智能插座进行分析，此智能插座的硬件结构如图2所示。

图2 智能插座的硬件结构图

通过图2可见，此智能插座主要由微控制单元模块、电量检测模块、电源转化模块、智能调控模块、WIFI通信模块5个部分构成，其中微控制单元模块主要结合学习成果、用户手控指令实现对其他功能模块的自动化控制；电量检测模块主要结合学习成果，对不同的智能化家居电气设备的用电信息进行检测，例如电压、有功功率、无功功率等；电源转化模块主要负责给其他功能模块进行供电，同时对供给电力进行调节；智能调控模块主要根据微控制单元模块的控制需求，将控制指令执行，实现电源开关等操作；WIFI通信模块主要负责实现无线网络连接，下文将对此各大模块进行详细分析。

1、微控制单元模块。本文的微控制单元模块主要选择MSP430FR5736芯片，此芯片使一种在RISC之下的16位混合信号处理器，具有灵活的定时功能、支持多种低能耗模式等功能，有助于智能插座的节能功效，MSP430FR5736芯片的引脚图，如图3所示。

2、电量检测模块。主要采用CS5490芯片来构建电量检测模块，CS5490芯片的特点在于精度较高，其内部含有电流通道、电压通道可以实时完成对电量的检测。运作当中CS5490芯片的双通道会对用电信息进行采集，之后将信息以信号的方式传输至输入调节器，再通过调节性对信号进行处理，处理完毕之后会将信号传输到4阶调制器当中，调制器会对信号进行转换，使其形成单比特数据流，此时数据流会传输到数字滤波器当中，通过滤波器的滤波功能对信号进行过滤，提高数据的精度，最终将信号传输到异步收发传输器的串行结构，实现硬件与软件的交互，其内部结构图如图4所示。

3、电源转化模块。主要采用JY-220S3.3E变压器芯片来构成电源转化模块，此芯片可以完成AC、DC之间的准换，能够实现例如22 V交流电的转换，事情形成3.3 V直流电，再通过信号滤波处理，可以为其他功能模块实现直流电安全供电。

4、智能调控模块。主要采用JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片来构成智能调控模块，此芯片具有高触电切换、高灵敏度的优点，并且其介质耐压性能良好，根据测试可达4 kV，因此能够满足智能插座的硬性需求。运作原理上，JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片属于继电器的一种，具有控制系统、被控制系统两种模式，即根据时间或者手动操控需求，来决策自身的运作。

图3 MSP430FR5736芯片的引脚图

图4 CS5490芯片内部结构

5、WIFI通信模块。主要采用CC3000模块来构成WIFI通信模块，此模块结构属于无线网络处理芯片的一种，其整体一共含有46个引脚。在以往的研究当中得知，CC3000模块具有温度适应能力强，尺寸较小的特点，因此在空间狭小、温度变化较大的智能插座空间当中，具有良好的适用性。

2.2 软件设计

在本文的设计当中CC3000模块软件部分的设计主要包括4个部分，即为主机驱动程序、SPI程序、超级终端Hyper Terminal驱动程序、WIFI基本程序。其中主机驱动程序主要功能在于，实现WLAN的应用程序结构API、网络堆栈API等功能设计；SPI程序主要功能在于，实现协议应用与传输路径、硬件设备之间的交互；超级终端Hyper Terminal驱动程序主要功能在于，实现UART结构设计；WIFI基本程序，即采用CC3000模块实现无线局域网与其他节点的交互通信，具体架构如图5所示。

图5 CC3000程序设计图

3 双频微带天线的设计

天线是WIFI接受网络源信号、发送WIFI信号的重要部件，不同尺寸的天线的接受、发送功率并不相同，一般为越大尺寸的功率就越大，但本文的智能插座空间狭小，使用常规小尺寸的天线势必会导致网络不稳定等现象，因此为了进行改善，本文选择了双频微带天线进行设计，具体如下所述。

3.1 双频微带天线概述

本文所采用的双频微带天线，主要选择厚1.6 mm的FR-4基板、37 mm×28 mm的矩形贴片、74 mm×55 mm的地平面来构成，再结合北斗导航系统的两个操作频率上，得到了良好的CP辐射特性，通过测试可见，本文的双频微带天线在北斗导航系统的两个操作频率上的操作频率分别为1.92 GHz、2.4 GHz，带宽约为15 MHz。此外，通过对孔位置、金属圆筒馈电位置、天线的工作模式的参数进行调节，使得天线的操作频率达到了L1、L2频段。

3.2 双频微带天线的实验仿真与测试结果分析

根据前人研究得知，在双频微带天线的运作当中，金属圆筒馈电的位置会决定天线的工作模式以及相应频率，因此为了验证双频微带天线的有效性，本文进行了实验仿真。实验当中首先构建了双频微带天线的仿真模型，模型与上述(3.1双频微带天线概述)完全抑制。其次，模拟智能插座的狭小空间，将天线仿真模型放入其中，之后对天线模型对网络源信号的接收功能进行测试，测试结果显示天线的接收过程当中，最大回波损耗为28 dB，出于可接受范围之内，同时其带宽也达到了15 MHz左右，因此说明双频微带天线在智能插座环境下，同样可以良好的接收到网络。最终对双频微带天线的WIFI发射频率进行测试，测试结果显示，双频微带天线的中心频率负值为1.92 GHz、2.4 GHz与上述相等，所以证明双频微带天线的WIFI发射频率也相对良好，在两项仿真实验之下，说明本文的双频微带天线可以满足智能插座的设计需求，具有良好的有效性。

4 总结

本文主要分析了智能家居系统的智能插座设计，分析首先围绕智能家居系统进行了总体设计，此阶段主要包括设计方案规划、系统模块分析选择、智能插座设计3个部分，之后开展了智能插座的硬、软件设计，此阶段先进行了智能插座的硬件设计，主要包括了微控制单元模块、电量检测模块、电源转化模块、智能调控模块、WIFI通信模块，再在硬件基础上针对WiFi通信模块的CC3000模块进行软件设计，主要包括了主机驱动程序、SPI程序、超级终端Hyper Terminal驱动程序、WIFI基本程序4个部分，并针对每个部分的功能进行了讲解，最终进行了双频微带天线的设计，通过仿真实验验证了其有效性。