基于STM32F107的能耗管控型物聯(lián)網(wǎng)WiFi插座的設(shè)計(jì)

引 言

由于人們生活水平的不斷提高，越來越多的普通民眾購(gòu)買了各式各樣的家用電器，但隨著家用電器的過度涌現(xiàn)，致使生活矛盾凸顯。比如由于電視機(jī)和空調(diào)遙控器的紅外編碼不同，導(dǎo)致遙控器之間無法通用 [1-2] ；由于通信組件較為單一，一旦發(fā)生故障，就會(huì)令整個(gè)通信部分出現(xiàn)故障，遙控器無法使用。因此，終端通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一已成為人們的迫切愿望，但在諸多廠商利益沖突和節(jié)約成本的前提下，很難在現(xiàn)有技術(shù)水平下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)家電的智能化和統(tǒng)一控制。

近幾年，由于智能家居的大力推廣，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出了大量智能設(shè)備，新技術(shù)的出現(xiàn)未考慮舊家電的接口，導(dǎo)致新舊家電通信協(xié)議不匹配。因此人們迫切需要一種智能設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)所有或絕大多數(shù)家用電器的智能化和統(tǒng)一控制。

本文設(shè)計(jì)的智能插座安裝便捷、使用方便、配置靈活， 可快速通過互聯(lián)網(wǎng)接入云服務(wù)平臺(tái)，為用戶推送各項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，提供用能控制策略，分享和交流節(jié)能經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，為政府和管理部門提供數(shù)據(jù)接口，從而改善諸多行業(yè)的節(jié)能管理水平?！靶〔遄?，大能量”，物聯(lián)網(wǎng) WiFi插座將為“全民節(jié)能”事業(yè)添磚加瓦。

1 硬件設(shè)計(jì)

能耗管控型物聯(lián)網(wǎng)WiFi 插座的硬件架構(gòu)如圖 1 所示。物聯(lián)網(wǎng) WiFi 插座設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)由傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、主控芯片、服務(wù)器、個(gè)人手機(jī)和 PC 端組成。其工作原理是將傳感器系統(tǒng)所采集的能耗數(shù)據(jù)和用戶操作數(shù)據(jù)通過無線通信模塊將信息傳輸至主控芯片STM32F107，然后將接收到的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)庫(kù)做對(duì)比[3]，分析能源消耗是否正常，之后再將比對(duì)結(jié)果上傳至云平臺(tái)或服務(wù)器中。用戶可通過個(gè)人手機(jī)或 PC 端登錄服務(wù)器和云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢。還可通過服務(wù)器對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)開關(guān)插座、電源保護(hù)等功能。主控芯片由控制模塊、通信模塊和傳感器組成，控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息處理和用戶操作的管理，通過數(shù)據(jù)平臺(tái)為用戶提供能耗管理的方案和處理建議，用戶可利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，在任何時(shí)間、地點(diǎn)通過手機(jī)或 PC 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢和控制。

1.1 傳感系統(tǒng)

無線通信模塊（WiFi 模塊，藍(lán)牙模塊）和無線模塊（RF 無線模塊）是指由 DSP 技術(shù)和無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸無線電模塊。無線模塊可擴(kuò)展到諸多系統(tǒng)，工業(yè)控制開關(guān)容量 I/O 設(shè)備，模擬數(shù)量獲取和控制設(shè)備。從最早使用的關(guān)鍵代碼、電報(bào)、模擬無線電模塊和無線調(diào)制解調(diào)器，到目前的數(shù)字無線電模塊和 DSP 軟件無線電，傳輸信號(hào)也從代碼、低速數(shù)據(jù)（300 ～1 200 bps）發(fā)展到高速數(shù)據(jù)（N*64K ～ N*E1）[4]。

紅外模塊是指兩種驅(qū)動(dòng)模式，即電平和脈沖。一個(gè)獨(dú)立的光電傳感器由紅外線電子管陣列組成，該傳感器能夠承受來自外界強(qiáng)烈的光干擾。太陽(yáng)射線含有紅外線，會(huì)干擾紅外線， 將紅外線傳輸至二極管，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判甚至癱瘓。該傳感器的優(yōu)勢(shì)在于可設(shè)置多點(diǎn)采集，數(shù)組間距和數(shù)量可根據(jù)需求選擇。

1.2 控制系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng) WiFi 插座設(shè)備的控制系統(tǒng)如圖 2 所示?？刂葡到y(tǒng)主要包括電能計(jì)量系統(tǒng)、人工智能自學(xué)系統(tǒng)、節(jié)電系統(tǒng)、連接傳感器和智能設(shè)備的控制系統(tǒng)。主控芯片接收個(gè)人手機(jī)或 PC 端發(fā)送的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。主要使用控制節(jié)點(diǎn)、繼電器擴(kuò)展模塊和相應(yīng)的系統(tǒng)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)能和用戶的個(gè)性化操作。

                                                                                                               圖 2 控制結(jié)構(gòu)圖

1.3 主控模塊

主控制模塊選用 STM32F107 芯片，其含有 10 個(gè)定時(shí)器，24 個(gè) 1 m/s 的 A/D 采樣（模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 快速交替模式采樣m/s），24個(gè) D/A（dac），兩個(gè) I2C接口，5個(gè) USART接口，個(gè) SPI端口和高質(zhì)量的數(shù)字接口。此外，STM32F107還擁有全速度 USB（OTG）接口、2個(gè) CAN2.0B接口和以太網(wǎng)10/100MAC模塊。芯片可滿足工業(yè)需要與醫(yī)療、建筑自動(dòng)化、家庭音響、家電市場(chǎng)等場(chǎng)景 [5]。

基于 STM32F107 以上特性，將其作為主要控制芯片，對(duì)無線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較， 然后處理數(shù)據(jù)并上傳。數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器或云，芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息處理和命令控制。通過數(shù)據(jù)平臺(tái)控制系統(tǒng)，為用戶提供管理建議和社交娛樂服務(wù)。用戶可在任何時(shí)間、地點(diǎn)， 利用個(gè)人手機(jī)和 PC 對(duì)能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和控制。

1.4 用戶控制系統(tǒng)模塊

使用用戶的個(gè)人手機(jī)或者 PC 機(jī)來實(shí)現(xiàn)用戶的控制操作。通過手機(jī)或者PC 機(jī)，用戶可登錄服務(wù)器或云平臺(tái)以查詢或修改服務(wù)器，使用 MQTT 協(xié)議、TC/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn) Socket 通信。

2 軟件設(shè)計(jì)

能耗管控型物聯(lián)網(wǎng) WiFi 插座軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示。主要通過傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)由WiFi 或 Bluetooth 傳輸，使得 STM32F107 收到數(shù)據(jù)并根據(jù)相應(yīng)的操作命令執(zhí)行動(dòng)作。

2.1 現(xiàn)有采集的耗電數(shù)據(jù)

(1) 繪制能耗曲線圖，可通過手機(jī)或電腦查看；

(2) 形成日、周、月用電報(bào)告 ；

(3) 監(jiān)測(cè)用電是否出現(xiàn)異常，實(shí)時(shí)通過 APP向用戶發(fā)出預(yù)警，以便用戶操作 ；

（4）長(zhǎng)期過載或負(fù)載，自動(dòng)斷電 ；

（5）用戶排名，形成獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制。

2.2 現(xiàn)有采集的操作數(shù)據(jù)

(1) 長(zhǎng)期采集用電數(shù)據(jù)、用戶操作數(shù)據(jù)，并上傳至云，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析；

(2) AI模塊記錄用戶常用操作后可自操作 ；

(3) 形成社交平臺(tái)，用于分享。

2.3 現(xiàn)有采集的溫度值

具有安全預(yù)警（火災(zāi)等）功能，可通過 APP，PC 端顯示， 方便用戶實(shí)時(shí)操作。

能耗管控型物聯(lián)網(wǎng) WiFi 插座的軟件流程如圖 4 所示。檢測(cè)的 AD 值主要包括 AD 溫度值，AD 能源消耗值以及 AD 操作值。當(dāng)系統(tǒng)接收到相關(guān) AD 值時(shí)，就會(huì)將其與云平臺(tái)中的值進(jìn)行比較，一旦高于或低于標(biāo)準(zhǔn)值均會(huì)發(fā)出警告指令。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著傳統(tǒng)能源的消耗和不斷減少，未來用電成本必將逐年提升，電力能源是一種有限資源，節(jié)約能源必將成為未來的主流需求。中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，更是一個(gè)能源消耗大國(guó)，因 此，對(duì)于新興節(jié)能設(shè)備的研發(fā)，進(jìn)行全面普及與低成本投入使用將是未來的發(fā)展研究趨勢(shì) [6]。如何把握技術(shù)發(fā)展趨式，整合應(yīng)用方式也是我國(guó)在這方面的首要任務(wù)。在當(dāng)今全球智能化發(fā)展趨勢(shì)中，中國(guó)的大城市一直緊跟世界潮流開始了節(jié)能減排行動(dòng)和綠色能源的使用 [7]。“小插座，大能量”，希望我們的能耗采集和管理方案能夠?yàn)樯鐣?huì)節(jié)約能源貢獻(xiàn)力量。