智能插座是智能家居的重要组成部分。设计的智能插座以Arduino UNO为核心，由处理器模块、以太网通信模块、Wi-Fi通信模块、电源模块、电能传感模块、继电器模块等组成，可使用手机APP进行远程开关控制，实现即时控制、定时控制、过流过压控制等功能。
1 概述
智能插座是智能家居的重要组成部分，在完成插座的分配单路或者多路电源的基本功能的基础上，还具有智能化的特点。
本文设计了一种以Arduino UNO为核心的智能插座，可以实现通过因特网使用手机APP对插座进行远程控制和状态监测，同时也具备与其它智能家居系统有机结合进行联动的能力。
2 智能插座的硬件系统
智能插座的硬件系统由处理器模块、以太网通信模块、Wi-Fi通信模块、电源模块、电能传感模块、继电器模块等组成，如图1所示。
2.1 处理器模块
本智能插座使用以Arduino UNO单片机组件为核心的处理器模块。处理器采用ATmega328处理器，拥有14路的I/O口，其中6路为mini输入接口，另外6路用于PWM输出。Arduino UNO有一个16MHz的晶振和一个用来复位的按键，提供一个电源插孔和一个USB接口，另外还有一个ICSP header。
Arduino UNO 可以通过不同的的传感器对环境感知测量，电路板上的微控制器能够通过编程写入程序，以二进制的形式烧写到单片机的微控制器中。基于Arduino 单片机来设计的设备可以只采用Arduino 单片机一种独立模块，当然也可以搭配一些其他的在电脑上运行的软件。
2.2 以太网模块
以太网模块采用W5100以太网模块。此模块是一款拥有多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100Mbps 以太网控制器。主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用 W5100 可以实现没有操作系统的 Internet 连接，可以与 IEEE802.310BASE-T和 802.3u 100BASE-TX兼容。
2.3 Wi-Fi模块
Wi-Fi模块是基于Uart接口的符合Wi-Fi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。
2.4 继电器模块
继电器是自动化领域最常用到的一种弱电控制强电的电器设备。本智能插座设计使用的是信号继电器，一个三极管来驱动继电器。在继电器电路内部线圈两端添加二极管来吸收线圈断电情况下所产生的反电势，以达到防止干扰的目的。上图中AB为常开触点，AC为常闭触点。
2.5 电源模块
电源模块将市电转换为电压为5V的直流电，为各个系统提供电源。智能插座的电源系统要求对电网质量适应性强、工作稳定、体积小。本次设计采用的是以7805为核心的电源变换模块，最大输出电流为1A。
电源部分还设计了USB充电功能，可以为手机等设备充电。
2.6 电能传感模块
电能传感模块的设计以ADE7755为核心，在保证低成本、小体积的同时，又具有高精度和高可靠性，其技术指标超过了IEC1036规定的要求。在工作时，ADE7755通过两个16位二阶Σ-△模数转换器(ADC)将电压和电流信号数字化，将电流和电压的瞬时信号直接通过内部乘法器得到瞬时功率信号，该信号经频转换器得到与平均有功功率成正比的频率信号，经CF引脚输出。
3 软件设计
智能插座软件设计分为Arduino UNO编程设计和手机APP设计两部分。
3.1 Arduino UNO编程设计
Arduino UNO软件开发采用C语言进行编程，使用Arduino IDE1.05进行编译，USB转串口线连接计算机进行烧写。
软件系统包括网络配置程序、网络数据接收程序、继电器控制程序、电能传感接收程序、充电控制程序等。网络配置程序将智能插座与因特网连接。继电器控制程序根据手机APP发出的指令、或者电能传感接收的状态控制继电器开关。电能传感接收程序读取电能传感器检测到的经过A/D转换的电流、电压值，并将该数据传送到处理器中，处理器将该数据与预设的电流、电压阈值进行比较。网络数据接收程序通过W5100以太网模块接受来路由器上的DHCP服务器的数据，进行网络配置。
3.2 手机APP设计
智能插座联网后，Arduino UNO具备网络服务功能，可以通过APP直接读取继电器状态、电流电压数值等智能插座的各种状态信息，也可以向处理器发送控制指令。本次设计只设计了基于Andriod的APP，采用Eclipse进行开发。
主要由用户身份认证、智能插座连接、智能插座状态指示、开关控制、定时控制等功能模块组成。
用户身份认证通过集中的服务器平台认证用户身份;智能插座连接将APP和Arduino UNO的服务器连接，实现数据读取和控制;智能插座状态指示显示插座上每一路插孔的开关状态，点击该指示，可以进行状态转换，实现手动控制。为防止误操作，改变插座开关状态时，需要进行一次确认。定时控制功能可以设置每一路插座通断时间，实现计划供电。
4 设计总结
本设计只是实现了智能插座的基本功能。未来还要在小型化、集成化、稳定性等方面进行改进。同时，基于电力的网络连接、集中式的插座控制和状态和检测、用电量的大数据分析等功能也可以在此基础上实现。另外，系统信息安全保护也要充分考虑。
作者：谭笑玥 张鹏飞 来源：电子技术与软件工程 2016年19期
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