基于RFID的智能型安全插座

摘要：由于傳統插座不能夠實(shí)現超過(guò)額定電流斷電功能，本文從RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)以及用電器插頭結構出發(fā)，以 STC12C5A60S2單片機為處理器，結合電流互感器、LCD1602顯示模塊以及電子標簽，設計一種基于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(guò)用電器的額定電流時(shí)實(shí)現自動(dòng)斷電處理，實(shí)現對家庭線(xiàn)路的保護。

近年來(lái)，因家用電器引起的火災事故造成了巨大的經(jīng)濟損失。根據公安消防局的統計數據看，每年我國因為電器火災發(fā)生的事故都超過(guò)30 000起，其中由家用電器故障引起的火災占到火災事故總數的20%以上。然而，國內插座自動(dòng)斷電效果并不明顯，例如，傳統插座的自動(dòng)斷線(xiàn)是依靠插座內部自帶的保險絲，在用電器超過(guò)其額定電流而沒(méi)有超過(guò)保險絲的熔斷電流值時(shí)，用電器因短路而自燃;定時(shí)插座依靠設定自動(dòng)斷電的時(shí)間，讓插座在設定的時(shí)間內實(shí)現自動(dòng)斷電的功能，但沒(méi)有實(shí)現實(shí)時(shí)檢測用電器的電流值;功率測量插座可以對用電器實(shí)時(shí)的功率進(jìn)行測量并且可以設定自動(dòng)斷電的電流值，但不能夠實(shí)現檢測用電器實(shí)時(shí)電流值。所述的插座不能夠根據各種用電器的額定電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測與自動(dòng)斷電。

針對上述問(wèn)題，文中設計一種基于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(guò)RFID無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)測量交流電流值，進(jìn)而實(shí)現自動(dòng)斷電功能。

1 系統概述與結構

當各用電器的電子標簽進(jìn)入插座RFID閱讀器的讀寫(xiě)區域，RFID閱讀器將信號反饋到微控器STC12C5A60S2，微控制器通過(guò) LCD1602顯示模塊顯示電子標簽各用電器的額定電流值，并且實(shí)時(shí)通過(guò)A/D轉換與電流互感器模塊讀取當前各用電器實(shí)時(shí)的電流值。當用電器實(shí)時(shí)的電流值超過(guò)電子標簽上的額定電流值時(shí)，實(shí)現自動(dòng)斷電功能，從而實(shí)現對家庭電路的保護功能并且有效的避免火災的發(fā)生。圖1是系統整體結構圖。

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成。

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

2 微控制硬件電路設計

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(shí)要能夠通過(guò)A/D轉換實(shí)時(shí)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，滿(mǎn)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(xiě)卡芯片，工作正常電壓在2.5～3.3 V范圍內，無(wú)需外部電路并且支持SPI接口，滿(mǎn)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，測量時(shí)只需將被測信號導線(xiàn)穿過(guò)互感器圓孔，并且具有體積小與精度高的特點(diǎn)，適用于電力測量與保護。

2.4 電源管理模塊

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

3 插頭結構設計

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 軟件設計

初始化微控制器端口、RFID閱讀器、LCD1602顯示模塊、A/D轉換以及定時(shí)器，當附有電子標簽插頭進(jìn)入RFID閱讀器讀寫(xiě)區域時(shí)，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(guò)LCD1602顯示模塊顯示用電器的額定電流值并且開(kāi)啟繼電器。當用電器開(kāi)啟工作后，微控制器通過(guò)電流互感器實(shí)時(shí)檢測用電器的工作電流值。當用電器工作電流值超過(guò)額定電流值時(shí)，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(shí)驗結果與分析

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

通過(guò)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(shí)驗可得基于RFID的智能安全插座的電流測量效果好，從而實(shí)現對家庭線(xiàn)路的保護。

6 結論

文中針對傳統插座不能夠實(shí)現超過(guò)額定電流斷電功能，從RFID無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)以及用電器插頭結構出發(fā)，將電子標簽嵌入各用電器插頭結構中，能夠實(shí)現對不同的用電器進(jìn)行智能斷電功能，從而保護用電器與家庭用電線(xiàn)路。本文分別從微控制硬件電路設計、插頭結構設計、軟件設計等方面闡述基于RFID 智能型安全插座的設計方案與實(shí)現過(guò)程。本設計解決傳統插座不能夠智能斷電的問(wèn)題，解決用電器的短路問(wèn)題，從而避免了因家用電器短路而引起的火災。