基于WiFi的智能插座系統(tǒng)設(shè)計

引 言

經(jīng)濟水平的提升促使家用電器的種類和數(shù)量不斷增多， 同時從安全性和便捷性角度考慮，對插座的整體性能要求也越來越高。傳統(tǒng)的手工按鈕無法實現(xiàn)遠程操作，除此之外， 傳統(tǒng)插座按鈕開關(guān)頻繁閉合對插座各個接點在性能和安全性上提出了更高要求。因此，結(jié)合 STC89C51 單片機在數(shù)據(jù)處理方面的能力，依托 WiFi 無線傳輸協(xié)議實現(xiàn)容易、覆蓋范圍適中的優(yōu)勢，運用現(xiàn)有技術(shù)，開發(fā)出一套基于 WiFi 的可遠程操作且具有較好安全保護性能的智能插座十分必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文智能插座系統(tǒng)根據(jù)家用電器實際使用情況，結(jié)合具體實現(xiàn)功能，借助WiFi 數(shù)據(jù)傳輸，通過人機操作界面實現(xiàn)插座上特定插孔通/ 斷電，進而實現(xiàn)對家用電器的控制。硬件系統(tǒng)主要由以STC89C51 單片機為核心的中央控制系統(tǒng)、智能插座遠程數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、漏電保護電路、通/ 斷電控制電路以及低壓直流變換裝置組成。系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。

基于 WiFi 的智能插座系統(tǒng)主要包括用戶控制系統(tǒng)和智能 插座主控兩部分。用戶操作界面通過 WiFi 將用戶自定義指令 以無線信號的形式發(fā)送至智能插座系統(tǒng)。由圖 1 可知，借助無 線 WiFi 模塊可接收來自用戶操作界面發(fā)送的用戶指令，并將 其傳送至中央處理器 STC89C51 單片機進行數(shù)據(jù)處理 [1]。智能插座接收系統(tǒng)由低壓直流變換裝置提供 5 V 直流電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后輸出至通/ 斷電控制電路，控制插線板上單一插孔開關(guān)的斷開與閉合，實現(xiàn)指定插孔的通電和斷電，進而控制整個插座的通電和斷電[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能插座接收系統(tǒng)

用戶操作界面通過 Socket 協(xié)議實現(xiàn)特定用戶控制系統(tǒng)和智能插座數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)通信。借助WiFi 通信實現(xiàn)數(shù)據(jù) 透傳 ，通過智能插座系統(tǒng)電路上的UART 串口將數(shù)據(jù)傳送給以STC89C51 單片機為核心的中央處理器[3]。

2.2 低壓直流變換裝置

智能插座系統(tǒng)中的低壓直流變換裝置如圖 2 所示。該裝置主要為智能插座接收系統(tǒng)即 WiFi 模塊、STC89C51 單片機核心系統(tǒng)提供 5 V 直流驅(qū)動電壓，為通/ 斷電控制電路提供12 V 直流驅(qū)動電壓。

2.3 通/斷電控制電路

通/ 斷電控制電路如圖 3 所示。從系統(tǒng)整體性能和電路本身功能出發(fā)，該電路在電阻部分主要考慮防止誤觸發(fā)的觸發(fā)限流和增強電路抗干擾能力的門極電阻，同時為了建立對雙向可控硅的過壓保護機制，將電容器和特定電阻組成阻容吸收電路。

因此，本控制電路主要由4 個電阻、1個電容器、1個二極管、1 個雙向可控硅和 1 個光電耦合器構(gòu)成，共同完成通/ 斷電控制電路功能。

2.4 漏電保護電路

智能插座系統(tǒng)中的漏電保護電路如圖 4 所示。為了實現(xiàn)家用電器漏電聲光提醒，切實保護家用電器使用者的安全，本插座系統(tǒng)從具體功能、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有成熟技術(shù)，設(shè)計了通過底線漏電整流電路、光電耦合器和可控振蕩器組成的漏電保護電路。

當(dāng)檢測到插在該智能插座上的家用電器有漏電情況時， 該電路的相應(yīng)回路閉合，漏電電流便會由插座 CZ 的地線孔經(jīng) 二極管 D1，電阻 R9 與零線構(gòu)成相應(yīng)的漏電保護閉合回路，使 發(fā)光二極管發(fā)出漏電光信號，同時同步響應(yīng)報警信號，保護家 用電器使用者的安全 [4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 用戶操作界面設(shè)計

用戶操作界面主要由用戶登錄界面和功能操作界面兩部 分組成，如圖 5、圖 6 所示。為了有效檢驗操作用戶的合法性， 在系統(tǒng)開發(fā)過程中，利用操作設(shè)備所具有的唯一性標(biāo)識來記錄 用戶身份。

圖 5 用戶操作登錄界面

功能操作界面主要包括插孔通電狀態(tài)描述、插孔通電狀 態(tài)燈指示和通 / 斷電按鈕三部分。插孔通電狀態(tài)描述主要描 述插線板上各插孔的通 / 斷電狀態(tài)。當(dāng)插孔通電時，指示燈為 紅色，如圖6 插孔 3所示；斷電時指示燈為灰色，如圖6 插孔1，2， 4 所示）。通 / 斷電按鈕分別控制對應(yīng)插孔的通 / 斷電，當(dāng)對應(yīng) 插孔通電時，通電按鈕為灰色，不可操作，斷電按鈕正常，可 操作 ；反之則通電按鈕可操作，斷電按鈕不可操作。

3.2 STC89C51中央處理模塊

從系統(tǒng)功能、實用性、成本考慮，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)成熟 性以及電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面，本系統(tǒng)中央核心處理器選用 STC89C51 單片機。該單片機作為中央處理模塊，主要完成 對智能插座數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)所接收的用戶指令數(shù)據(jù)的處理工作， 并將處理器處理后的數(shù)據(jù)輸出至通 / 斷電控制電路的輸入端， 控制對應(yīng)插孔通 / 斷電狀態(tài) [5]，整體流程如圖 7 所示。

4 系統(tǒng)測試與分析

正確連接各設(shè)計模塊后，進行基于 WiFi 的智能插座系 統(tǒng)的測試和驗證。接通電源，同時在操作設(shè)備上正確登錄智 能插座系統(tǒng)用戶操作界面，正確登錄后進入功能操作界面。 針對插孔 3，單擊通電按鈕，通過 WiFi 向智能插座數(shù)據(jù)接收 系統(tǒng)發(fā)送插孔 3 通電指令，插孔 3 指示燈由灰變紅，同時插 孔狀態(tài)描述為“插孔 3 正處于通電狀態(tài)”，通電按鈕不可編輯， 且斷電按鈕可編輯。同理，其他插孔通斷電的操作與上述步 驟一致。通過上述測試，最終實現(xiàn)了基于 WiFi 的智能插座系 統(tǒng)對插線板的控制。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的基于 WiFi 的智能插座系統(tǒng)集遠程控制、漏電 保護及智能提醒機制于一體，與傳統(tǒng)現(xiàn)有插座相比，具有設(shè)計合理、使用方便等優(yōu)點。此外，通過對特定插孔上家用電器 通 / 斷電的有效控制，不僅節(jié)約了能源，而且有助于提高用電 安全性，延長家用電器設(shè)備的使用壽命。