基于RFID的智能型安全插座

摘要：由于傳統(tǒng)插座不能夠?qū)崿F(xiàn)超過額定電流斷電功能，本文從RFID無線射頻技術(shù)以及用電器插頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，以 STC12C5A60S2單片機為處理器，結(jié)合電流互感器、LCD1602顯示模塊以及電子標簽，設(shè)計一種基于RFID的智能型安全插座，與帶有記錄額定電流的電子標簽的用電器插頭配套使用。當用電器的電流超過用電器的額定電流時實現(xiàn)自動斷電處理，實現(xiàn)對家庭線路的保護。

近年來，因家用電器引起的火災(zāi)事故造成了巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)公安消防局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，每年我國因為電器火災(zāi)發(fā)生的事故都超過30 000起，其中由家用電器故障引起的火災(zāi)占到火災(zāi)事故總數(shù)的20%以上。然而，國內(nèi)插座自動斷電效果并不明顯，例如，傳統(tǒng)插座的自動斷線是依靠插座內(nèi)部自帶的保險絲，在用電器超過其額定電流而沒有超過保險絲的熔斷電流值時，用電器因短路而自燃;定時插座依靠設(shè)定自動斷電的時間，讓插座在設(shè)定的時間內(nèi)實現(xiàn)自動斷電的功能，但沒有實現(xiàn)實時檢測用電器的電流值;功率測量插座可以對用電器實時的功率進行測量并且可以設(shè)定自動斷電的電流值，但不能夠?qū)崿F(xiàn)檢測用電器實時電流值。所述的插座不能夠根據(jù)各種用電器的額定電流進行實時的監(jiān)測與自動斷電。

針對上述問題，文中設(shè)計一種基于RFID的智能型安全插座，采用電子標簽嵌入在各用電器插頭中，通過RFID無線射頻技術(shù)讀取電子標簽額定電流值，采用電流互感器模塊實時測量交流電流值，進而實現(xiàn)自動斷電功能。

1 系統(tǒng)概述與結(jié)構(gòu)

當各用電器的電子標簽進入插座RFID閱讀器的讀寫區(qū)域，RFID閱讀器將信號反饋到微控器STC12C5A60S2，微控制器通過 LCD1602顯示模塊顯示電子標簽各用電器的額定電流值，并且實時通過A/D轉(zhuǎn)換與電流互感器模塊讀取當前各用電器實時的電流值。當用電器實時的電流值超過電子標簽上的額定電流值時，實現(xiàn)自動斷電功能，從而實現(xiàn)對家庭電路的保護功能并且有效的避免火災(zāi)的發(fā)生。圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

微控制電路：由STC12C5A60S2微控制器、RFID閱讀器、電流互感器模塊、LCD1602顯示模塊與繼電器構(gòu)成。

用電器插頭結(jié)構(gòu)：各種用電器插頭依附標志著各種用電器額定電流的電子標簽。

2 微控制硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器

微控制器是微控制電路的核心，微控制電路要求低功耗且抗干擾能力強，同時要能夠通過A/D轉(zhuǎn)換實時讀取電流互感器模塊。本文采用宏晶公司的STC12C5A60S2，工作正常電壓在3.5～5.5 V范圍內(nèi)，滿足低功耗要求。

2.2 RFID閱讀器模塊

本文采用NXP公司MFRC522高度集成的非接觸式IC讀寫卡芯片，工作正常電壓在2.5～3.3 V范圍內(nèi)，無需外部電路并且支持SPI接口，滿足電路工作要求。

2.3 電流互感器模塊

文中采用思修電子工作室SX—AC—A05交流電流互感器模塊，測量額定電流在0～5 A范圍內(nèi)，測量時只需將被測信號導線穿過互感器圓孔，并且具有體積小與精度高的特點，適用于電力測量與保護。

2.4 電源管理模塊

系統(tǒng)采用24 V電源適配器對電流互感器模塊進行供電，經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LM7812與LM7805降壓為5 V為微控制器STC12C5A60S2供電，再經(jīng)過AMS1117降壓為3.3 V為RFID閱讀器進行供電。

3 插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

電子標簽選用非接觸式IC卡并且存儲各用電器額定電流值，將電子標簽嵌入各種用電器插頭，圖2為用電器插頭示意圖。

4 軟件設(shè)計

初始化微控制器端口、RFID閱讀器、LCD1602顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換以及定時器，當附有電子標簽插頭進入RFID閱讀器讀寫區(qū)域時，RFID閱讀器將信號反饋到微控制器，微控制器讀取電子標簽存儲的額定電流值，通過LCD1602顯示模塊顯示用電器的額定電流值并且開啟繼電器。當用電器開啟工作后，微控制器通過電流互感器實時檢測用電器的工作電流值。當用電器工作電流值超過額定電流值時，微控制器立即關(guān)閉繼電器停止供電。圖3為主程序流程圖。

5 實驗結(jié)果與分析

實驗電壓為交流電220 V，智能型安全插座與福祿克型號17B的數(shù)字萬用表對各用電器的工作電流進行測量，共實驗5次，記錄各測量電流值，計算智能型安全插座與實測電流值的誤差結(jié)果，實驗結(jié)果如表1所示。

通過上述測試，可知基于RFID的智能安全插座的測量電流的平均相對誤差為3.412%。從上述實驗可得基于RFID的智能安全插座的電流測量效果好，從而實現(xiàn)對家庭線路的保護。

6 結(jié)論

文中針對傳統(tǒng)插座不能夠?qū)崿F(xiàn)超過額定電流斷電功能，從RFID無線射頻技術(shù)以及用電器插頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，將電子標簽嵌入各用電器插頭結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同的用電器進行智能斷電功能，從而保護用電器與家庭用電線路。本文分別從微控制硬件電路設(shè)計、插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件設(shè)計等方面闡述基于RFID 智能型安全插座的設(shè)計方案與實現(xiàn)過程。本設(shè)計解決傳統(tǒng)插座不能夠智能斷電的問題，解決用電器的短路問題，從而避免了因家用電器短路而引起的火災(zāi)。