基于智能家居系統(tǒng)的智能插座設(shè)計與實現(xiàn)

魏恩偉， 張之涵， 溫克歡， 孫文靜， 鄭杰

(1. 深圳市康拓普信息技術(shù)有限公司, 深圳 518000； 2. 深圳供電局有限公司, 深圳 518034)

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達的當下，智能家居系統(tǒng)可以通過計算機程序、通信技術(shù)等將智能家居設(shè)備集中在系統(tǒng)當中，通過系統(tǒng)進行統(tǒng)一化管理、調(diào)整，使人在居住時可以更加方便快捷的對家居設(shè)備進行控制。本文主要圍繞此系統(tǒng)當中的智能插座進行設(shè)計研究，此設(shè)備屬于電力設(shè)備，在智能家居系統(tǒng)之下，通過一些技術(shù)的功能，可實現(xiàn)許多傳統(tǒng)電力設(shè)備無法實現(xiàn)的功能，例如遠程控制、電力開關(guān)等，通過此類技術(shù)可以有效避免電能的浪費，同時降低電力供給單位的負擔(dān)，因此智能插座是智能家居系統(tǒng)中一項具有代表性的設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計方案規(guī)劃

在本文的設(shè)計思路之下，智能家居系統(tǒng)可以分出多個子系統(tǒng)，例如環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、家居照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等等，這些子系統(tǒng)均由相應(yīng)的智能家居設(shè)備來實現(xiàn)，這些智能化設(shè)備主要通過網(wǎng)絡(luò)與智能家居系統(tǒng)進行連接，連接主要分為兩種形式，即有線與無線。有線連接形式主要利用網(wǎng)線等來實現(xiàn)網(wǎng)路連接，但是因為智能家居子系統(tǒng)的數(shù)量較多，大量的網(wǎng)線會導(dǎo)致家居環(huán)境擁堵等問題，因此為了對此進行改善，現(xiàn)代多數(shù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計都采用了無線連接形式，此形式主要利用信號通信來實現(xiàn)連接，因此本文將在無線形式上進行設(shè)計[1-5]。

設(shè)計當中，針對智能插座進行方案規(guī)劃。規(guī)劃當中首先出于設(shè)計成本的考慮，發(fā)現(xiàn)如果為每一個設(shè)備都配備無線裝置，那么必然會加大設(shè)計成本，但因為現(xiàn)代多數(shù)智能家居設(shè)備都屬于電力驅(qū)動，所以可以將其歸納到智能插座當中，通過系統(tǒng)與智能插座的連接，實現(xiàn)系統(tǒng)對插座的直接控制、形成了智能化家居設(shè)備電能的間接控制[5-10]。在方案基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建了一種具有數(shù)據(jù)交互功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能的智能插座，可以直接實現(xiàn)智能設(shè)備供電與網(wǎng)絡(luò)連接，智能家居系統(tǒng)下智能插座設(shè)計拓撲圖，如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)下智能插座設(shè)計拓撲圖

1.2 系統(tǒng)模塊分析選擇

根據(jù)以往的研究選擇了常規(guī)的嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為嵌入式Linux、Android，兩個部分，其中Android屬于嵌入式Linux當中的一種移動設(shè)備操作系統(tǒng)，在現(xiàn)代許多移動網(wǎng)絡(luò)端口十分常見，例如智能手機等[10-14]。Android系統(tǒng)的源碼結(jié)構(gòu)包括Uboot、Linux kernel、Android，在此結(jié)構(gòu)當中Android由文件系統(tǒng)、Java虛擬機、UI組成；嵌入式Linux系統(tǒng)的源碼結(jié)構(gòu)包括Uboot、Linux kernel、文件系統(tǒng)、UI。

為了使系統(tǒng)操作流暢，本文對嵌入式Linux硬件配置進行了測試選擇。首先針對常規(guī)的配置進行測試，即S3C6410處理器、256M內(nèi)存，通過測試可見，在此硬件配置基礎(chǔ)上，時常會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，因此說明常規(guī)配置不滿足需求。其次，針對S3C2440處理器、64M內(nèi)存配置進行了測試，結(jié)果顯示嵌入式Linux的運行十分流暢，因此本文將選用S3C2440處理器、64M內(nèi)存配置作為嵌入式Linux的配置，與此同時形成了家庭網(wǎng)關(guān)平臺[15]。

1.3 智能插座設(shè)計

通過前人研究到，傳統(tǒng)的智能插座存在許多弊端，例如靈活性差、安裝繁瑣等，因此出于便捷性的考慮，本文主要選擇變權(quán)歐氏距離下的學(xué)習(xí)型智能插座。此插座能夠通過學(xué)習(xí)功能，記錄每一個接入的智能家居電氣設(shè)備的電量參數(shù)，以此當一下次遇到相同設(shè)備時，即可通過學(xué)習(xí)記錄識別出設(shè)備的最低電能以及耗電量，再依照記錄判斷待機狀態(tài)下的智能家居電氣設(shè)備是否完全斷開了電源，如果沒有完全斷開，會自動對電源傳輸路徑進行炒作，實現(xiàn)完全斷電[16]。

為了實現(xiàn)智能插座與控制端的無線連接，本文對常規(guī)的WIFI技術(shù)以及Zigbee技術(shù)進行分析，選擇其中性能優(yōu)異者作為無線連接網(wǎng)絡(luò)。首先WIFI技術(shù)的優(yōu)勢在于其余互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的計入速度較快，同時可接入設(shè)備十分廣泛，具有靈活性較強的優(yōu)點，而Zigbee技術(shù)的接入流程相對繁瑣，優(yōu)點在于穩(wěn)定性較強，而隨著技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代的WIFI技術(shù)的穩(wěn)定性也與其相差無幾，因此本文主要選擇WIFI技術(shù)作為無線連接網(wǎng)絡(luò)。

2 智能插座的硬、軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

針對上述的變權(quán)歐氏距離下的學(xué)習(xí)型智能插座進行分析，此智能插座的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能插座的硬件結(jié)構(gòu)圖

通過圖2可見，此智能插座主要由微控制單元模塊、電量檢測模塊、電源轉(zhuǎn)化模塊、智能調(diào)控模塊、WIFI通信模塊5個部分構(gòu)成，其中微控制單元模塊主要結(jié)合學(xué)習(xí)成果、用戶手控指令實現(xiàn)對其他功能模塊的自動化控制；電量檢測模塊主要結(jié)合學(xué)習(xí)成果，對不同的智能化家居電氣設(shè)備的用電信息進行檢測，例如電壓、有功功率、無功功率等；電源轉(zhuǎn)化模塊主要負責(zé)給其他功能模塊進行供電，同時對供給電力進行調(diào)節(jié)；智能調(diào)控模塊主要根據(jù)微控制單元模塊的控制需求，將控制指令執(zhí)行，實現(xiàn)電源開關(guān)等操作；WIFI通信模塊主要負責(zé)實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接，下文將對此各大模塊進行詳細分析。

1、微控制單元模塊。本文的微控制單元模塊主要選擇MSP430FR5736芯片，此芯片使一種在RISC之下的16位混合信號處理器，具有靈活的定時功能、支持多種低能耗模式等功能，有助于智能插座的節(jié)能功效，MSP430FR5736芯片的引腳圖，如圖3所示。

2、電量檢測模塊。主要采用CS5490芯片來構(gòu)建電量檢測模塊，CS5490芯片的特點在于精度較高，其內(nèi)部含有電流通道、電壓通道可以實時完成對電量的檢測。運作當中CS5490芯片的雙通道會對用電信息進行采集，之后將信息以信號的方式傳輸至輸入調(diào)節(jié)器，再通過調(diào)節(jié)性對信號進行處理，處理完畢之后會將信號傳輸?shù)?階調(diào)制器當中，調(diào)制器會對信號進行轉(zhuǎn)換，使其形成單比特數(shù)據(jù)流，此時數(shù)據(jù)流會傳輸?shù)綌?shù)字濾波器當中，通過濾波器的濾波功能對信號進行過濾，提高數(shù)據(jù)的精度，最終將信號傳輸?shù)疆惒绞瞻l(fā)傳輸器的串行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件與軟件的交互，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3、電源轉(zhuǎn)化模塊。主要采用JY-220S3.3E變壓器芯片來構(gòu)成電源轉(zhuǎn)化模塊，此芯片可以完成AC、DC之間的準換，能夠?qū)崿F(xiàn)例如22 V交流電的轉(zhuǎn)換，事情形成3.3 V直流電，再通過信號濾波處理，可以為其他功能模塊實現(xiàn)直流電安全供電。

4、智能調(diào)控模塊。主要采用JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片來構(gòu)成智能調(diào)控模塊，此芯片具有高觸電切換、高靈敏度的優(yōu)點，并且其介質(zhì)耐壓性能良好，根據(jù)測試可達4 kV，因此能夠滿足智能插座的硬性需求。運作原理上，JQC_HEF7_3-1HSTGL1芯片屬于繼電器的一種，具有控制系統(tǒng)、被控制系統(tǒng)兩種模式，即根據(jù)時間或者手動操控需求，來決策自身的運作。

圖3 MSP430FR5736芯片的引腳圖

圖4 CS5490芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5、WIFI通信模塊。主要采用CC3000模塊來構(gòu)成WIFI通信模塊，此模塊結(jié)構(gòu)屬于無線網(wǎng)絡(luò)處理芯片的一種，其整體一共含有46個引腳。在以往的研究當中得知，CC3000模塊具有溫度適應(yīng)能力強，尺寸較小的特點，因此在空間狹小、溫度變化較大的智能插座空間當中，具有良好的適用性。

2.2 軟件設(shè)計

在本文的設(shè)計當中CC3000模塊軟件部分的設(shè)計主要包括4個部分，即為主機驅(qū)動程序、SPI程序、超級終端Hyper Terminal驅(qū)動程序、WIFI基本程序。其中主機驅(qū)動程序主要功能在于，實現(xiàn)WLAN的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)API、網(wǎng)絡(luò)堆棧API等功能設(shè)計；SPI程序主要功能在于，實現(xiàn)協(xié)議應(yīng)用與傳輸路徑、硬件設(shè)備之間的交互；超級終端Hyper Terminal驅(qū)動程序主要功能在于，實現(xiàn)UART結(jié)構(gòu)設(shè)計；WIFI基本程序，即采用CC3000模塊實現(xiàn)無線局域網(wǎng)與其他節(jié)點的交互通信，具體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 CC3000程序設(shè)計圖

3 雙頻微帶天線的設(shè)計

天線是WIFI接受網(wǎng)絡(luò)源信號、發(fā)送WIFI信號的重要部件，不同尺寸的天線的接受、發(fā)送功率并不相同，一般為越大尺寸的功率就越大，但本文的智能插座空間狹小，使用常規(guī)小尺寸的天線勢必會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此為了進行改善，本文選擇了雙頻微帶天線進行設(shè)計，具體如下所述。

3.1 雙頻微帶天線概述

本文所采用的雙頻微帶天線，主要選擇厚1.6 mm的FR-4基板、37 mm×28 mm的矩形貼片、74 mm×55 mm的地平面來構(gòu)成，再結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個操作頻率上，得到了良好的CP輻射特性，通過測試可見，本文的雙頻微帶天線在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的兩個操作頻率上的操作頻率分別為1.92 GHz、2.4 GHz，帶寬約為15 MHz。此外，通過對孔位置、金屬圓筒饋電位置、天線的工作模式的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使得天線的操作頻率達到了L1、L2頻段。

3.2 雙頻微帶天線的實驗仿真與測試結(jié)果分析

根據(jù)前人研究得知，在雙頻微帶天線的運作當中，金屬圓筒饋電的位置會決定天線的工作模式以及相應(yīng)頻率，因此為了驗證雙頻微帶天線的有效性，本文進行了實驗仿真。實驗當中首先構(gòu)建了雙頻微帶天線的仿真模型，模型與上述(3.1雙頻微帶天線概述)完全抑制。其次，模擬智能插座的狹小空間，將天線仿真模型放入其中，之后對天線模型對網(wǎng)絡(luò)源信號的接收功能進行測試，測試結(jié)果顯示天線的接收過程當中，最大回波損耗為28 dB，出于可接受范圍之內(nèi)，同時其帶寬也達到了15 MHz左右，因此說明雙頻微帶天線在智能插座環(huán)境下，同樣可以良好的接收到網(wǎng)絡(luò)。最終對雙頻微帶天線的WIFI發(fā)射頻率進行測試，測試結(jié)果顯示，雙頻微帶天線的中心頻率負值為1.92 GHz、2.4 GHz與上述相等，所以證明雙頻微帶天線的WIFI發(fā)射頻率也相對良好，在兩項仿真實驗之下，說明本文的雙頻微帶天線可以滿足智能插座的設(shè)計需求，具有良好的有效性。

4 總結(jié)

本文主要分析了智能家居系統(tǒng)的智能插座設(shè)計，分析首先圍繞智能家居系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，此階段主要包括設(shè)計方案規(guī)劃、系統(tǒng)模塊分析選擇、智能插座設(shè)計3個部分，之后開展了智能插座的硬、軟件設(shè)計，此階段先進行了智能插座的硬件設(shè)計，主要包括了微控制單元模塊、電量檢測模塊、電源轉(zhuǎn)化模塊、智能調(diào)控模塊、WIFI通信模塊，再在硬件基礎(chǔ)上針對WiFi通信模塊的CC3000模塊進行軟件設(shè)計，主要包括了主機驅(qū)動程序、SPI程序、超級終端Hyper Terminal驅(qū)動程序、WIFI基本程序4個部分，并針對每個部分的功能進行了講解，最終進行了雙頻微帶天線的設(shè)計，通過仿真實驗驗證了其有效性。