王燦田，陳育中

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們開始追求高科技和高品質(zhì)的生活。智能化電子設(shè)備逐漸走進人們的日常生活，極大地方便了人們對家用電器設(shè)備的管理和使用。電器已經(jīng)成為每個家庭必備的家居設(shè)備，插座作為電器設(shè)備連接電源必須使用的設(shè)備，若能夠?qū)ζ溥M行智能化控制管理，那么將在很大程度上借助對插座的管理實現(xiàn)對家電的智能控制，使生活更加便利。但與此同時，身邊的安全隱患也越來越多。為了更好地保障用電安全并排除用電隱患，近年來，國內(nèi)外的科研技術(shù)人員對智能插座的設(shè)計進行了較多的研究[1-2]。

目前市面上大多數(shù)產(chǎn)品都是基于WiFi模塊實現(xiàn)智能插座與手機端的通信[3-4]，弊端是該類型的產(chǎn)品僅具有無線控制智能插座通斷的功能，無法控制帶紅外遙控的主流家電設(shè)備。同時，由于受墻壁等障礙物的影響，部分區(qū)域的智能插座由于無法正常接收信號，導(dǎo)致時常出現(xiàn)無法控制的情況。

因此，設(shè)計一種基于STM32和4G傳輸?shù)募t外智能插座系統(tǒng)，可有效解決聯(lián)網(wǎng)異常問題。系統(tǒng)主節(jié)點上的大功率紅外發(fā)射模塊可以有效輻射各個角落，且紅外發(fā)射模塊價格低廉，可以大幅降低智能插座的成本，因此具有很大的實際使用意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)主要包括手機端、云平臺、主節(jié)點和智能插座子節(jié)點。本系統(tǒng)的主控芯片采用STM32F103單片機，該芯片具有體積小、處理速度快、造價成本低等優(yōu)勢。用戶使用時，將手機端的控制信號發(fā)送給云平臺，云平臺通過4G模塊轉(zhuǎn)發(fā)給綁定的主節(jié)點，主節(jié)點接收到指令并解析，通過紅外發(fā)射管向智能插座發(fā)送控制信號，從而實現(xiàn)遠程控制[5-6]。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架

本系統(tǒng)采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的消息流轉(zhuǎn)功能，實現(xiàn)消息的快速流轉(zhuǎn)，一般不會出現(xiàn)消息卡頓或者丟包的情況。

手機和主節(jié)點均通過阿里云的三元組信息連接阿里云虛擬設(shè)備，然后借助阿里云消息流轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)消息的流轉(zhuǎn)與發(fā)送[7]。

2 硬件設(shè)計

智能插座系統(tǒng)硬件由主節(jié)點和智能插座從節(jié)點構(gòu)成。

2.1 主節(jié)點設(shè)計

插座節(jié)點的硬件原理如圖2所示?？梢钥闯?，智能插座硬件由STM32F103單片機、紅外模塊、EC200S、AC-DC電源構(gòu)成。

圖2 主節(jié)點原理

（1）主控芯片

本系統(tǒng)的主控芯片采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型閃存微處理器 STM32F103RCT6。Cortex-M3內(nèi)核的設(shè)計集高性能、低功耗、實時應(yīng)用等優(yōu)點于一體，滿足嵌入式領(lǐng)域的要求。STM32F103RCT6最高工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口，4個通用16位定時器和2個PWM定時器。還包含先進的通信接口：2個I2C，3個SPI，2個I2S，1個SDIO，5個USART，1個USB和1個CAN，其豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，降低了設(shè)計成本。

本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要以STM32F103RCT6作為主控芯片，通過串口接收并處理數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

（2）紅外發(fā)射模塊

紅外發(fā)射與接收電路采用三極管、紅外發(fā)射與接收對管實現(xiàn)，其原理如圖3所示。Q2三極管產(chǎn)生基波信號，對其門極提供38 kHz的方波基波信號。Q1三極管為發(fā)送控制三極管，將其接在串口發(fā)送引腳上，可將發(fā)送的消息加載在基波信號上。

圖3 紅外模塊電路

需要注意的是，由于該電路由發(fā)射管和接收管構(gòu)成，且串口通信為異步通信，因此接收和發(fā)送相互獨立。在發(fā)送時，需要注意關(guān)閉接收中斷，或者使用隔檔將發(fā)射管和接收管隔離開，以避免發(fā)送端自接收的情況出現(xiàn)。

（3）EC200S模塊

“你還想怎么復(fù)雜？”蘇秋琴笑道，“爛眼阿根的死跟我有啥關(guān)系？我家的玉米地不遮不攔的，誰都可以死在那兒。”

EC200S-CN是移遠通信推出的LTE Cat 1無線通信模塊，支持最大下行速率10 Mb/s和最大上行速率5 Mb/s，具有超高的性價比。如圖4所示，主節(jié)點與子節(jié)點的通信采用4G模塊EC200S實現(xiàn)。由于4G模塊在使用時，啟動天線需要約1 A的啟動電流，會對嵌入式系統(tǒng)造成瞬間沖擊響應(yīng)，容易使線性電源電壓拉低，導(dǎo)致單片機和4G模塊重啟的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此在使用時需要為4G模塊配備一個47 μF的鉭電容進行儲能，為芯片啟動瞬間提供足夠的電流支持，以保障嵌入式系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，并增強其抗干擾能力。SIM模塊的信號腳使用PVS二極管進行保護，防止擊穿，選擇濾波電容為信號提供保障。

圖4 EC200S模塊電路

（4）AC-DC模塊

電源部分采用金升陽出品的AC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊，將220 V交流電改為5 V直流電，再使用線性電源芯片AMS1117和LM1085將5 V電壓降為3.3 V，為單片機和EC200S模塊供電。AC-DC電源模塊電路如圖5所示。

圖5 AC-DC電源模塊電路

2.2 智能插座從節(jié)點設(shè)計

智能插座從節(jié)點原理如圖6所示，主要包括STM32F103單片機、繼電器模塊、紅外模塊、AC-DC電源模塊。智能插座接收主節(jié)點下發(fā)的控制指令，接收后解析消息指令，判斷地址位的地址是否與其地址相同，若相同則執(zhí)行該指令，反之則不執(zhí)行指令[8-9]。

圖6 智能插座從節(jié)點原理框圖

智能插座從節(jié)點繼電器電路如圖7所示。由于使用場景為控制家用電器的繼電器開關(guān)，因此可直接插在插座上使用，使用市電為控制器供電。利用轉(zhuǎn)換芯片將220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V直流電給單片機供電，并驅(qū)動繼電器吸合和關(guān)斷。系統(tǒng)使用聯(lián)動繼電器，一個繼電器聯(lián)動兩路信號，觸電可承受閾值為AC 10 A。為防止吸合瞬間浪涌破壞單片機，加裝續(xù)流二極管保護電源。

圖7 智能插座從節(jié)點繼電器電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計整體上可分為主節(jié)點聯(lián)網(wǎng)、紅外傳輸消息編碼、上位機綁定主節(jié)點、智能插座從節(jié)點自動組網(wǎng)。

3.1 主節(jié)點聯(lián)網(wǎng)

圖8所示為4G模塊連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺流程。單片機通過串口對4G模塊串口發(fā)送AT指令控制4G模塊打開MQTT協(xié)議，并輸入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)備賬號、密碼和IP地址。連接成功后，命令模塊設(shè)置為發(fā)布模式，返回成功后，嘗試推送消息，若推送成功，則表示已成功連入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

圖8 連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺流程

3.2 紅外傳輸消息編碼

圖9所示為紅外編碼的消息指令格式。包頭表示數(shù)據(jù)開始傳輸。中間夾著6個重復(fù)數(shù)據(jù)包。接收設(shè)備接收到后解析數(shù)據(jù)包和校驗位，如果錯誤則解析下一個數(shù)據(jù)包，直到解析到正確的數(shù)據(jù)包為止。這樣可以有效降低環(huán)境光的干擾，還能提高容錯率，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖9 紅外消息指令格式

3.3 上位機綁定主節(jié)點

圖10所示為用戶通過手機端綁定主節(jié)點UML圖。用戶在使用手機軟件時，第一次登錄需要綁定主節(jié)點MAC地址，建立手機端與主節(jié)點的通信線路。搭建好手機端與主節(jié)點的通信線路后，主節(jié)點會將其下所有子節(jié)點發(fā)送到手機端并顯示在列表中，用戶可以對其命名或進行控制，實現(xiàn)遠程單一控制或者場景控制等聯(lián)控效果。

圖10 綁定主節(jié)點UML圖

3.4 智能插座從節(jié)點自動組網(wǎng)

圖11所示為新設(shè)備連接進入主節(jié)點的UML圖。當用戶將新購買的智能插座加入家中節(jié)點時，只需將智能插座插在插座上即可供電。此時，智能插座發(fā)送紅外信號，向主節(jié)點請求地址碼，主節(jié)點收到請求消息后，會為智能插座分配本網(wǎng)絡(luò)下唯一的地址碼，以實現(xiàn)不同智能插座之間的單獨控制。

圖11 智能插座綁定主節(jié)點UML圖

4 實驗結(jié)果

在主節(jié)點中，由于受用戶使用環(huán)境的影響，如信號不佳或網(wǎng)絡(luò)卡頓等原因?qū)е略O(shè)備掉線，從而產(chǎn)生手機端無法控制設(shè)備的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此在主節(jié)點中專門采用獨立的線程用來處理異常情況，例如，設(shè)備連接失敗或者設(shè)備掉線等，考慮采取相應(yīng)的代碼重連接。

經(jīng)過測試，設(shè)備穩(wěn)定運行時長十天未出現(xiàn)掉線重連情況。

在紅外通信過程中，由于該方式容易出現(xiàn)錯碼，考慮采用連發(fā)5次的方式實現(xiàn)容錯，準確率可以達到99.99%。在光線環(huán)境較為惡劣的情況下，依舊可以實現(xiàn)95%以上的準確率。表1為5次發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的結(jié)果。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文介紹了一種基于STM32和4G技術(shù)的紅外智能插座系統(tǒng)。該設(shè)計可以依托現(xiàn)有家中電氣，無需更換為智能物聯(lián)網(wǎng)家電，即可實現(xiàn)簡單的開關(guān)斷電控制，從而有效實現(xiàn)設(shè)備重啟或者關(guān)閉耗電設(shè)備，通過遠程操控，為工作繁忙的年輕人或者差旅人士提供了方便、快捷的家用電氣遠程控制解決方案。

由于紅外模塊價格低廉，使用方便，因此可以大幅降低無線控制設(shè)備的成本，受到市場歡迎。隨著智能家居系統(tǒng)的快速發(fā)展，該智能插座系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越廣泛，推廣前景和應(yīng)用價值良好。