基于A(yíng)rduino UNO的智能插座設計論文
智能插座是智能家居的重要組成部分。設計的智能插座以Arduino UNO為核心，由處理器模塊、以太網(wǎng)通信模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊、電能傳感模塊、繼電器模塊等組成，可使用手機APP進(jìn)行遠程開(kāi)關(guān)控制，實(shí)現即時(shí)控制、定時(shí)控制、過(guò)流過(guò)壓控制等功能。
1 概述
智能插座是智能家居的重要組成部分，在完成插座的分配單路或者多路電源的基本功能的基礎上，還具有智能化的特點(diǎn)。
本文設計了一種以Arduino UNO為核心的智能插座，可以實(shí)現通過(guò)因特網(wǎng)使用手機APP對插座進(jìn)行遠程控制和狀態(tài)監測，同時(shí)也具備與其它智能家居系統有機結合進(jìn)行聯(lián)動(dòng)的能力。
2 智能插座的硬件系統
智能插座的硬件系統由處理器模塊、以太網(wǎng)通信模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊、電能傳感模塊、繼電器模塊等組成，如圖1所示。
2.1 處理器模塊
本智能插座使用以Arduino UNO單片機組件為核心的處理器模塊。處理器采用ATmega328處理器，擁有14路的I/O口，其中6路為mini輸入接口，另外6路用于PWM輸出。Arduino UNO有一個(gè)16MHz的晶振和一個(gè)用來(lái)復位的按鍵，提供一個(gè)電源插孔和一個(gè)USB接口，另外還有一個(gè)ICSP header。
Arduino UNO 可以通過(guò)不同的的傳感器對環(huán)境感知測量，電路板上的微控制器能夠通過(guò)編程寫(xiě)入程序，以二進(jìn)制的形式燒寫(xiě)到單片機的微控制器中�；贏(yíng)rduino 單片機來(lái)設計的設備可以只采用Arduino 單片機一種獨立模塊，當然也可以搭配一些其他的在電腦上運行的軟件。
2.2 以太網(wǎng)模塊
以太網(wǎng)模塊采用W5100以太網(wǎng)模塊。此模塊是一款擁有多功能的`單片網(wǎng)絡(luò )接口芯片，內部集成有 10/100Mbps 以太網(wǎng)控制器。主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統中。使用 W5100 可以實(shí)現沒(méi)有操作系統的 Internet 連接，可以與 IEEE802.310BASE-T和 802.3u 100BASE-TX兼容。
2.3 Wi-Fi模塊
Wi-Fi模塊是基于Uart接口的符合Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準的嵌入式模塊，內置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠實(shí)現用戶(hù)串口或TTL電平數據到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的轉換。
2.4 繼電器模塊
繼電器是自動(dòng)化領(lǐng)域最常用到的一種弱電控制強電的電器設備。本智能插座設計使用的是信號繼電器，一個(gè)三極管來(lái)驅動(dòng)繼電器。在繼電器電路內部線(xiàn)圈兩端添加二極管來(lái)吸收線(xiàn)圈斷電情況下所產(chǎn)生的反電勢，以達到防止干擾的目的。上圖中AB為常開(kāi)觸點(diǎn)，AC為常閉觸點(diǎn)。
2.5 電源模塊
電源模塊將市電轉換為電壓為5V的直流電，為各個(gè)系統提供電源。智能插座的電源系統要求對電網(wǎng)質(zhì)量適應性強、工作穩定、體積小。本次設計采用的是以7805為核心的電源變換模塊，最大輸出電流為1A。
電源部分還設計了USB充電功能，可以為手機等設備充電。
2.6 電能傳感模塊
電能傳感模塊的設計以ADE7755為核心，在保證低成本、小體積的同時(shí)，又具有高精度和高可靠性，其技術(shù)指標超過(guò)了IEC1036規定的要求。在工作時(shí)，ADE7755通過(guò)兩個(gè)16位二階-△模數轉換器(ADC)將電壓和電流信號數字化，將電流和電壓的瞬時(shí)信號直接通過(guò)內部乘法器得到瞬時(shí)功率信號，該信號經(jīng)頻轉換器得到與平均有功功率成正比的頻率信號，經(jīng)CF引腳輸出。
3 軟件設計
智能插座軟件設計分為Arduino UNO編程設計和手機APP設計兩部分。
3.1 Arduino UNO編程設計
Arduino UNO軟件開(kāi)發(fā)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，使用Arduino IDE1.05進(jìn)行編譯，USB轉串口線(xiàn)連接計算機進(jìn)行燒寫(xiě)。
軟件系統包括網(wǎng)絡(luò )配置程序、網(wǎng)絡(luò )數據接收程序、繼電器控制程序、電能傳感接收程序、充電控制程序等。網(wǎng)絡(luò )配置程序將智能插座與因特網(wǎng)連接。繼電器控制程序根據手機APP發(fā)出的指令、或者電能傳感接收的狀態(tài)控制繼電器開(kāi)關(guān)。電能傳感接收程序讀取電能傳感器檢測到的經(jīng)過(guò)A/D轉換的電流、電壓值，并將該數據傳送到處理器中，處理器將該數據與預設的電流、電壓閾值進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò )數據接收程序通過(guò)W5100以太網(wǎng)模塊接受來(lái)路由器上的DHCP服務(wù)器的數據，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )配置。
3.2 手機APP設計
智能插座聯(lián)網(wǎng)后，Arduino UNO具備網(wǎng)絡(luò )服務(wù)功能，可以通過(guò)APP直接讀取繼電器狀態(tài)、電流電壓數值等智能插座的各種狀態(tài)信息，也可以向處理器發(fā)送控制指令。本次設計只設計了基于A(yíng)ndriod的APP，采用Eclipse進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
主要由用戶(hù)身份認證、智能插座連接、智能插座狀態(tài)指示、開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)控制等功能模塊組成。
用戶(hù)身份認證通過(guò)集中的服務(wù)器平臺認證用戶(hù)身份;智能插座連接將APP和Arduino UNO的服務(wù)器連接，實(shí)現數據讀取和控制;智能插座狀態(tài)指示顯示插座上每一路插孔的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，點(diǎn)擊該指示，可以進(jìn)行狀態(tài)轉換，實(shí)現手動(dòng)控制。為防止誤操作，改變插座開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，需要進(jìn)行一次確認。定時(shí)控制功能可以設置每一路插座通斷時(shí)間，實(shí)現計劃供電。
4 設計總結
本設計只是實(shí)現了智能插座的基本功能。未來(lái)還要在小型化、集成化、穩定性等方面進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，基于電力的網(wǎng)絡(luò )連接、集中式的插座控制和狀態(tài)和檢測、用電量的大數據分析等功能也可以在此基礎上實(shí)現。另外，系統信息安全保護也要充分考慮。
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