【摘要】電氣革命的飛速發(fā)展不僅普及了家用電氣，提高了人們的生活水平，也對(duì)用電安全和便利方面提出了更高的要求。一方面，全世界因家用電器引起的火災(zāi)等重大事故不計(jì)其數(shù)，如何保證家用電器用電的安全性已成為全世界公認(rèn)的最棘手的問(wèn)題；另一方面，隨著人們對(duì)生活水平要求的提高，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化也是如今的家用電器的設(shè)計(jì)的難題。如今市場(chǎng)上的常規(guī)插座只有普通的開關(guān)斷電功能，無(wú)法對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)控制，保證基本用電安全。而有些所謂的智能插座也只具備定時(shí)開關(guān)功能，并不是真正意義上的智能化?？v觀整個(gè)插座市場(chǎng)，綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓電流、過(guò)溫自動(dòng)保護(hù)、遠(yuǎn)程控制這三大功能的插座還沒有出現(xiàn)。而普通插座已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的生活水平的需求，這類安全性高，完全智能化的插座具有強(qiáng)大的市場(chǎng)前景，迎合如今各類消費(fèi)者的需求。為此，本文提出了一種基于ardunio控制系統(tǒng)的新型智能插座。這種插座包含溫度信號(hào)采集裝置、電壓電流監(jiān)測(cè)裝置、GPRS通信裝置和繼電器四大組成部分，切實(shí)保證了這種插座的安全化和智能化。這種插座能耗低，可以有效防止插座因接觸不良而引起的接觸點(diǎn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，同時(shí)具有遠(yuǎn)距離遙控，監(jiān)控家用電器的功能。極大地方便了智能家居住宅的改造和升級(jí)，提升了人們的生活品質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】插座；信息采集；控制；智能

1、智能插座的模塊硬件設(shè)計(jì)

本文提出了一種基于ardunio單片機(jī)的新型智能插座。這種插座由單片機(jī)模塊、電源穩(wěn)壓模塊、過(guò)溫保護(hù)模塊、電壓電流監(jiān)測(cè)模塊、繼電器控制模塊以及GPRS模塊構(gòu)成，切實(shí)保證了這種插座的安全化和智能化，結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。

1.1 單片機(jī)模塊

本設(shè)計(jì)以ardunio作為核心控制器，Arduino是一款便捷靈活、簡(jiǎn)易上手的開源硬件產(chǎn)品，具有豐富的接口，其硬件系統(tǒng)也是高度模塊化。因?yàn)樵谲浖陀布贤耆_放，很多常用的I/O 設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可編寫出比較復(fù)雜的程序，完成功能多樣化的組件，為以后智能插座的功能改進(jìn)和擴(kuò)展提供了有利條件。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊的工作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座的遠(yuǎn)程控制。單片機(jī)處理GPRS模塊和電壓電流互感器發(fā)出的信號(hào)后，通過(guò)發(fā)送指令的方式控制繼電器的斷開。

1.2 電源穩(wěn)壓模塊

本系統(tǒng)直接選用直流穩(wěn)壓電源作為電源穩(wěn)壓模塊。其工作原理是電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流，所以該模塊能提供的電流有限，但本系統(tǒng)所用原件為低耗元件，完全可以提供充足的供電。

1.3 過(guò)溫保護(hù)模塊

溫度信號(hào)傳感器選用DS18B20可編程分辨率的單總線數(shù)字溫度計(jì)。由于該傳感器是接觸式測(cè)溫模式，需要將它貼于繼電器動(dòng)觸頭以及插座彈簧片附近讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度高于設(shè)置的高溫閾值時(shí)，傳感器通過(guò)單片機(jī)將斷開指令傳達(dá)給繼電器，從而使電源斷開。 數(shù)字溫度傳感器通過(guò)與單片機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量，在測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)置的安全測(cè)量范圍時(shí)，控制繼電器斷開電路，從而保證插座的安全性。溫度傳感器引腳如圖二所示。

1.4 電壓電流監(jiān)測(cè)模塊

電壓電流監(jiān)測(cè)模塊選用ZMPT101B系列電壓型電流互感器、A01B單相交流有源輸出電壓互感器模塊，利用變壓器原理，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)計(jì)算從而獲得電壓電流數(shù)據(jù)。

1.5 繼電器控制模塊

繼電器是這里采用的是HRS4-S-DV5V，其主要功能是是控制用電器電源開關(guān)。繼電器通過(guò)I/O端口向繼電器模塊輸入高低電平即可控制其觸點(diǎn)的吸合、斷開，從而控制電源的開關(guān)，電路圖如圖五。

1.6 GPRS模塊

GPRS模塊中使用的SIM800L 超小GPRS開發(fā)板，其具有短信收發(fā)功能。GPRS系統(tǒng)接收來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)發(fā)送短信可以讓用戶了解實(shí)時(shí)信息，用戶也可以發(fā)送短信給設(shè)備來(lái)通信單片機(jī)從而控制線路的通斷。

2、智能插座的軟件設(shè)計(jì)

將普通插座220V部分的輸入輸出線路接到繼電器，然后由手機(jī)發(fā)送信號(hào)，GPRS模塊接收信號(hào)并傳給單片機(jī)，單片機(jī)處理信號(hào)后發(fā)送高低電平控制繼電器通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器的遠(yuǎn)程通斷。測(cè)溫器安裝在繼電器上，當(dāng)繼電器表面溫度超過(guò)120攝氏度時(shí)，單片輸出信號(hào)斷開繼電器并啟動(dòng)蜂鳴器警報(bào)，實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)溫保護(hù)。電壓電流互感器連接在輸出電線上，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)上再經(jīng)由GPRS模塊發(fā)送到手機(jī)端實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，過(guò)壓過(guò)流時(shí)單片機(jī)控制繼電器斷開。具體工作邏輯流程如圖六。

硬件輸入端上電后，系統(tǒng)開始初始化，初始化后進(jìn)行電壓、電流、溫度檢測(cè)，當(dāng)溫度、電壓、電流超過(guò)設(shè)定的正常數(shù)值時(shí)，單片機(jī)斷開繼電器并開啟蜂鳴器，接收調(diào)取信號(hào)時(shí)傳送當(dāng)前的電壓、電流信號(hào)。

2.1 過(guò)流檢測(cè)

電器設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的溫升是其設(shè)計(jì)和制造時(shí)的重要指標(biāo)之一，對(duì)電器設(shè)備的壽命和穩(wěn)定性有直接的影響。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)及理論可知，接觸電阻越大，通過(guò)的電流越大，通電時(shí)間越長(zhǎng)，插頭插座連接處產(chǎn)熱越多。當(dāng)10A電流通過(guò)約180Ω的接觸電阻時(shí)，最高溫度可達(dá)300℃左右；16A電流通過(guò)約40Ω的接觸電阻時(shí)，最高溫度可達(dá)170℃，可以使周圍的可燃物燃燒。再參考PVC材料軟化的溫度以及溫度傳感器的范圍，可把高溫閾值設(shè)為120℃。

電磁繼電器在帶外殼和不帶外殼的情況下的溫升如圖七、圖八所示，故也將繼電器高溫閾值設(shè)為120℃。

2.2 電流信息采集

電流檢測(cè)部分使用交流電流互感器，根據(jù)線路上交流電周期變化產(chǎn)生的磁通變化來(lái)得出線路中電流的有效值大小，互感器將處理后的電流信號(hào)傳輸?shù)教幚砟K中。除了在極大的短路電流（這里設(shè)置短路電流為60A）下斷開用電器以減少對(duì)其它用電器在閉合空氣開關(guān)后繼續(xù)使用的影響外，電流信息采集及保護(hù)部分還能對(duì)用電器工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，即通過(guò)對(duì)用電器電流的檢測(cè)來(lái)評(píng)估用電器的“健康狀況”。比如，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)電燈燈絲會(huì)在不斷升華后變細(xì)，燈絲電阻變大，電流變小，可使用的時(shí)間減小，這里我們依據(jù)當(dāng)下電燈電流與一個(gè)基準(zhǔn)值的對(duì)比來(lái)評(píng)估其工作狀態(tài)。這里選取最初使用時(shí)用電器的電流為基準(zhǔn)值，此時(shí)相對(duì)后期，用電器的工作性能更趨于正常值，具體方法為：在用電器第一次通電后避開其啟動(dòng)電流，在之后一段時(shí)間內(nèi)采集多個(gè)電流樣本并其取平均值作為基準(zhǔn)值，再取±5%為允許的變化范圍。采樣結(jié)束后一直以一個(gè)周期為單位不斷檢測(cè)電流，在一個(gè)周期內(nèi)，將電流超出范圍的次數(shù)除以總的采集次數(shù)作為用電器的健康數(shù)值經(jīng)過(guò)單片機(jī)及通信模塊可以傳送給用戶，為用戶提供家庭用電器實(shí)時(shí)的工作情況。每次重新通電后線路電流的采集都必須避開啟動(dòng)電流即在通電一會(huì)兒后再開始采集信息。下面具體探討基準(zhǔn)值的算法。

由于電機(jī)類用電器的電流隨負(fù)載的波動(dòng)情況比較大，在此先排除在外，只考慮純阻性負(fù)載。實(shí)際情況下，大多數(shù)用電器在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有很大的啟動(dòng)電流且停留時(shí)間很短，例如，電視機(jī)剛剛開機(jī)啟動(dòng)時(shí)，消磁電路工作電流很大會(huì)達(dá)到3 A，不過(guò)，經(jīng)過(guò)一段極短時(shí)間，消磁電路會(huì)自動(dòng)停止工作，這時(shí)電視機(jī)的工作電流遠(yuǎn)小于3 A，只有0.3 A～0.5 A，而這對(duì)于確定穩(wěn)定工作時(shí)的電流毫無(wú)意義，所以要避開啟動(dòng)電流。參考到大多數(shù)用電器的工作電流的曲線（如圖九），啟動(dòng)電流的影響時(shí)間一般為1S左右，為了提高準(zhǔn)確度，采用5S的間隔時(shí)間，在5S后開始采樣。考慮到電路電氣參數(shù)變化的快速性，取1min為一個(gè)采樣周期，取600個(gè)數(shù)據(jù)，每隔0.1S取一個(gè)，求得的平均值為該用電器的基準(zhǔn)值。為了在更換插座的所連用電器后重置基準(zhǔn)值，所以必須設(shè)置一個(gè)復(fù)位開關(guān)供手動(dòng)清零。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種以電流電壓監(jiān)測(cè)裝置，溫度傳感器，單片機(jī)為主體，由GPRS通信控制線路通斷的智能插座。該智能插座具有過(guò)溫保護(hù)，遠(yuǎn)距離遙控，測(cè)量線路電壓，支路電流功能。性能安全可靠，成本較低，功耗低，使用方便，應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚文軒，滕召勝，熊靜雯，鄧遠(yuǎn)寧，譚霞.多功能智能插座設(shè)計(jì)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010（06）

[2] 蘇秀蘋，陸儉國(guó)，劉幗巾，常偉.小型直流電磁繼電器溫度場(chǎng)仿真分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（08）

[3] 張曉光，呂紹國(guó)，張瑩瑩.插頭插座在不同接觸電阻下火災(zāi)危險(xiǎn)性研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2011（01）