基于单片机的家居智能配电系统设计与实现

滕德虎

（芜湖机械工程学校，安徽 芜湖 241200）

0 引 言

配电是家庭住宅不可或缺的设施，用于各功能室电力分配。目前，单元住宅的配电盒都是安置在墙壁上，内含若干空气断路器，住户手动控制各居室民用电源的接通和断开。这种配电方式落后、功能单一，缺乏人工智能，远远不能满足现代智能家居需要。为此，一款智能化的新型配电系统应运而生。它不仅实现了家居智能配电，还提供自动控制电源，具备家居防火防盗防煤气泄漏的安全报警功能。

1 工作原理

家用智能配电系统是由配电盒硬件、单片机程序和手机APP软件构成，其基本工作流程如图1所示。

图1 家庭智能配电盒工作流程

220 V民用交流电进入配电盒后，接入家用交流接触器，继而接入带漏电保护的空气断路器，确保用电安全。空气断路器后的交流电源分三路输出，一路通过直流稳压器为继电器电磁线圈、单片机及其附属模块提供直流工作电源；另一路接入各继电器输入端，通过电磁开关为各居室供电、提供自动控制电源和定时控制电源；第三路作为直通电源输出。

2 功能与用途

2.1 安全用电保护

系统配备了家用交流接触器，具有防雷保护功能。当保护器感应到电网浪涌时，自动断开交流接触器，切断家居电路和外网的连接。遇雷暴天气，住户可通过手机APP发出指令，驱使单片机通过浪涌保护器强行断开交流接触器，防止智能配电盒和其他家用电器遭雷击损坏。交流接触器断开后，家居总电源被切断，只有手动合闸才能恢复配电。配备的空气短路器具有过流和漏电保护功能，充分保证家居用电安全。

2.2 家居智能配电

通常情况下，家居配电采用预设模式。住户根据工作日和节假日的不同生活方式，设置各居室按周循环的供电时段，实现进家供电、离家断电的智能配电。一经设置永久使用。它避免了电视机等家用电器因长期待机而引起的寿命缩短、能源浪费；消除了家居无人时，交换机、手机充电器等因长期通电所引发的老化起火安全隐患。特殊情况下，住户可一键式修改，按日期指定“宅家”或“出游”配电模式，过期自动恢复“预设”模式。

2.3 自动控制电源

系统所提供的声控、光控和温控电源，用于家居路灯、夜灯和室内气温自动控制；所提供的定时电源用于供厨房电器的用电需要；所提供的直通电源用于家庭水族饲养、光纤收发器等提供永久供电。

2.4 家居安全报警

家用智能配电系统具有防火、防盗和防煤气泄漏功能。当室内有火灾烟雾、有人非法入室走动、目标物体发生轻微振动、煤气时，系统会向住户手机发送相应报警信息；住户还可以拨号通信模块，系统自动接听后实施远程监听和喊话。

3 实现技术

3.1 智能配电实现技术

住户通过手机APP设置各居室按周历循环的每天多时段配电参数，信号经网络传送至单片机系统，控制其内部程序运作，并按预设要求触发相应电磁继电器吸合和释放，实现智能配电。客厅智能配电的工作流程如图2所示。

图2 客厅智能配电工作流程

3.2 控制电源实现技术

温度传感器、响度传感器和照度传感器采集环境信号，经单片机数据处理后，触发温控、声控和光控磁继电器动作，为家居提供温控、声控和光控电源。同时，系统还根据住户设置参数，经单片机程序处理，定时触发继电器动作，为家居提供定时电源。温度自动控制工作流程如图3所示。

图3 温度自动控制工作流程

3.3 安全报警实现技术

移动传感器、振动传感器、烟雾传感器和煤气传感器采集环境信号，通过单片机数据处理，触发通信模块向住户手机发送人体移动、目标物体振动、火灾和煤气泄漏等相应报警信息；住户拨号通信模块，系统自动接听，实现远程监听和喊话。其烟雾报警工作流程如图4所示。

图4 安全报警工作流程

3.4 主要硬件规格型号

家居智能配电系统的主要硬件规格型号见表1所列。

表1 主要硬件规格型号

3.5 硬件装配与安装设计

本着安装简单、维护方便原则，系统配电盒外形设计为长方体，尺寸与传统配电盒相当。交流接触器、空气断路器等大型器件直接固定在配电盒后侧壳体上；其他稳压模块、单片机系统、通信模块、WiFi模块和各路电磁继电器直接焊接在线路板上；线路板固定于配电盒内部。配电盒壳体上下两侧分别开设进线口和出线口，便于导线穿进连接。其整体安装仍采用墙体嵌入式，内置WiFi天线，外配装饰画遮挡。房屋装修时，温度传感器、响度传感器、照度传感器、烟雾传感器、移动传感器、振动传感器和煤气传感器以及声控、光控、温控、定时、直通等电源插座应事先安装适当位置，并完成其布线。

3.6 单片机程序设计

单片机程序由主函数和子函数构成，主要完成三项任务：一是接收来自APP的住户设置参数和动作指令，控制各路供电开关；二是收集报警传感器信息，控制通信模块向手机发送信息；三是收集环境传感器信息，控制自动电源控制开关。单片机上电时，系统调用主函数，先进行串口初始化，随后进入无限循环，不断执行手机APP指令函数、GSM发送短信函数和自动应答函数。条件满足时，系统执行指定程序段，实现相应功能。其程序流程图如图5所示。

图5 单片机程序流程

3.7 手机APP开发

家用智能供电系统的手机APP可采用多层页面联动操作。其主页面设有“家居智能配电”“自动电源控制”和“安全报警控制”三个主菜单，同时设有“宅家”“出游”“节假日”“工作日”等一键设置和当前应用状态的实时显示。“家居智能配电”的二级页面有“主卧”“次卧”“客厅”“餐厅”“书房”“厨房”“浴室”“储藏室”和“其他”等设置项，其相应的三级页面需要完成各居室配电时段和循环周历等设置参数。

“安全报警控制”的二级页面设有“火灾报警”“移动报警”“振动报警”和“煤气报警”设置项，用来设置各报警功能的启用和关闭。“自动电源控制”的二级页面设有“声控”“光控”“温控”和“定时”设置项，它们不仅要设置功能的启用与否，同时可以设置强度控制级别。定时控制需要设置多个定时时段和循环周历等参数。

4 结 语

根据以上技术方案研发的家用智能配电系统，实现了家居智能配电和远程手动配电，并提供声控、光控、温控和定时等环境控制电源，同时具有防火防盗防煤气泄漏的安全报警功能。它避免了电视机等家用电器因长期待机而引起的寿命缩短、能源浪费；消除了家居无人时，交换机、手机充电器等因长期通电所引发的老化起火安全隐患；防止雷电造成的家电损坏；给住户生活带来极大方便，让住户在家安心、出门放心。