基于深聯(lián)華單片機的無(wú)線(xiàn)智能插座

　　一、項目設計背景及概述

　　物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò )；第二，其用戶(hù)端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，其中智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

　　隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高，人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，方便快捷是人們永恒追求的目標。在家居娛樂(lè )和電器控制方面，智能家居有突出表現，包括背景音樂(lè )系統、數字網(wǎng)絡(luò )客廳、家居綜合布線(xiàn)、燈光控制和電器控制等功能在內的系統，使人們的生活從各個(gè)方面變得更加安全、舒適、簡(jiǎn)單。

　　目前市場(chǎng)上，智能家居的主要接受人群仍然是一部分高端人群。業(yè)內人士認為，阻撓智能家居發(fā)展腳步的主要是價(jià)格和消費理念兩方面的原因。智能家居還屬于高檔消費，一套系統要幾萬(wàn)元不等。盡管接受度和認同度與以前相比已經(jīng)大有提高，但仍主要局限于買(mǎi)別墅的高端人群和熱愛(ài)生活、享受生活的年輕白領(lǐng)一族。另外，目前許多人對智能家居系統功能的認識不足，許多設計師 也缺乏相應的專(zhuān)業(yè)知識去向業(yè)主推廣，導致一部分實(shí)際上有需求的業(yè)主對智能家居還一無(wú)所知。但是近年來(lái)，智能家居的普及度正在慢慢提高，隨著(zhù)國外同行業(yè)產(chǎn)品不斷涌入我國，以及與國內智能家居行業(yè)的競爭加劇，客觀(guān)上逐漸加大了宣傳力度，并產(chǎn)生互補。今后我國的智能家居應走品質(zhì)與服務(wù)并重的路線(xiàn)，未來(lái)智能家居發(fā) 展前景廣闊。

　　2013年前三季度，我國網(wǎng)民數量達6.08億，互聯(lián)網(wǎng)普及率45.4%，基于以上分析，以及通用性方面的考慮設計了基于深聯(lián)華單片機的無(wú)線(xiàn)智能插座。安裝了ADSL寬帶的用戶(hù)簡(jiǎn)單設置路由器以后就可以將插座接入互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)Android客戶(hù)端就可以實(shí)現遠程控制。該插座有四個(gè)單獨插座，用戶(hù)可以根據需求將需要控制的電器插到插座上。每個(gè)單獨的插座都可以單獨設定開(kāi)啟和關(guān)閉，也可以設定定時(shí)開(kāi)啟或者定時(shí)關(guān)閉，同時(shí)無(wú)線(xiàn)智能插座還有過(guò)流保護的功能，通過(guò)Android客戶(hù)端設定插座最大額定功率（四個(gè)單獨插座的總功率），如果實(shí)際額定功率大于設定額定功率時(shí)四個(gè)單獨插座全部關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)功能，這樣就能防止過(guò)流燒毀線(xiàn)路，避免更大的損失。

　　二、項目設計原理

　　1、原理概述

　　基于深聯(lián)華單片機的無(wú)線(xiàn)智能插座由電源單元、功率輸出單元、控制單元、電流采集單元、存儲單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元、WIFI模塊以及手機客戶(hù)端組成。

　　電源單元包括兩部分，一部分是將220V交流輸入轉換成12V直流輸出，為整個(gè)系統提供電源；另一部分是將12V直流電源轉換成正負5V，為控制單元，電流采集單元，存儲單元，實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元，WIFI模塊提供電源。功率輸出單元控制插座的開(kāi)啟和關(guān)閉，為要控制的電器提供220V電源?？刂茊卧钦麄€(gè)系統的核心，為各個(gè)單元提供控制信號。電流采集單元用來(lái)采集插座的電流，然后將信號輸入給控制單元，用于電流檢測，防止過(guò)流。存儲單元用來(lái)保存四個(gè)單獨插座的狀態(tài)，系統下次上電的時(shí)候就會(huì )從存儲單元讀取數據。實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元為定時(shí)功能提供時(shí)鐘信號，同時(shí)這個(gè)單元有備用電池保證系統掉電后時(shí)鐘單元正常計時(shí)。WIFI模塊負責插座和無(wú)線(xiàn)路由器的通信，使用之前將模塊的端口號在無(wú)線(xiàn)路由上做端口映射，這樣就能實(shí)現遠程控制。

　　手機客戶(hù)端是基于A(yíng)ndroid系統的，可以向智能插座發(fā)送指令，智能插座接收到指令后執行相應的操作，同時(shí)向手機客戶(hù)端返回數據。

　　2、硬件設計原理

　　電源單元設計原理：

　　電源單元由兩部分構成，其中220V交流電源轉12V直流電源模塊使用的是成品的開(kāi)關(guān)電源模塊，可以提供最大1A的電流，滿(mǎn)足系統需求，并且開(kāi)關(guān)電源體積小效率高。將這個(gè)模塊集成在系統上另一個(gè)原因是方便用戶(hù)使用，直接通上220V電源就可以使用。

　　電源單元的另一部分是將12V直流轉換為正負5V。這部分使用兩片MC34063電源芯片，通過(guò)設計合理的外圍電路，可實(shí)現分別輸出+5V電壓和-5V電壓。其中電流采集單元需要雙極性電源，所以其中一路MC43063產(chǎn)生-5V電壓。MC34063電源芯片可以達到較高的效率，價(jià)格低廉，性能可以滿(mǎn)足系統設計要求，故而選該芯片作為電源芯片。

　　功率輸出單元設計原理：

　　功率輸出單元主要包括繼電器，三極管等。繼電器用來(lái)控制對應插座的電源通斷，三極管則用來(lái)控制繼電器的通斷，單片機通過(guò)控制三極管進(jìn)而實(shí)現對插座的控制。其中繼電器型號為HJR-3FF，240V時(shí)可以通過(guò)7A電流，該繼電器需要12V電源供電，這樣可以起到與控制單元電氣隔離的作用。三極管采用8050，最大可以提供1A的驅動(dòng)電流，完全可以滿(mǎn)足設計要。

　　控制單元設計原理：

　　該系統的主控芯片選用深聯(lián)華SC89F5162單片機，SC89F5162是一種高速高效率8051兼容單片機。在同樣的震蕩頻率之下，較之傳統的8051單片機它具有更快的速度，性能更優(yōu)越。

　　該系統的設計使用了單片機的定時(shí)器0、SPI、ADC、EUART1、IO資源。定時(shí)器是為串口接收數據提供定時(shí)時(shí)間，用來(lái)判斷一幀數據是否接收完畢；SPI控制93C46，保存和讀出插座的狀態(tài)數據；ADC用來(lái)采集電流采集單元的輸出電壓，為檢測是否過(guò)流提供數據；EUART1是和WIFI模塊進(jìn)行通信的，接收來(lái)自手機客戶(hù)端的數據，并向客戶(hù)端返回數據。IO用來(lái)控制時(shí)鐘單元和功率單元等。

　　控制單元是系統的核心，也是知識產(chǎn)權保護的核心，保護好單片機不被破解是重要方面，深聯(lián)華單片機采用了多種防破解技術(shù)，高達32位的密碼生成器，白噪聲密碼沒(méi)有規律可循等等這些特點(diǎn)決定了代碼的安全性很高，這就能很好的保護開(kāi)發(fā)者的利益。

　　電流采集單元設計原理：

　　對交流電流進(jìn)行采集需要用到交流互感器，該系統采用DL-CT03C1.0精密電流互感器，變比為1:1000，最大可測電流為10A，輸出端最大可接電阻為50歐姆，這里選擇47歐姆電阻。由于電阻上電壓很低，所以不可以直接對電阻上的交流電壓進(jìn)行整流，因此在整流之前使用LM358對交流電壓信號進(jìn)行7.8倍放大。運放所放大的信號為交流信號，需要一個(gè)雙極性電源進(jìn)行供電，正好使用電源模塊提供的正負5V電源。將放大的電壓信號通過(guò)橋整流電路進(jìn)行整流，然后使用電容濾波，再通過(guò)一個(gè)低通濾波電路將信號送入單片機AD引腳。

　　存儲單元設計原理：

　　存儲芯片選用93C46芯片，該芯片使用SPI通信方式，具有128個(gè)字節的容量。系統需要保存的數據量小，該芯片可以滿(mǎn)足需求。

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元設計原理：

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元采用DS1302芯片，該芯片在掉電時(shí)可以使用備用電源，數據通信使用串行方式，占用IO較少，芯片價(jià)格低廉計時(shí)精確，完全能滿(mǎn)足系統設計需求。

　　WIFI模塊單元：

　　WIFI模塊使用的是成品模塊，通過(guò)串口與單片機通信。該模塊可通過(guò)電腦設置參數，使用方便。

　　3、軟件設計原理

　　在單片機軟件設計時(shí)采用模塊化編程的方法以及分層設計的思想。首先設計使用到的單片機資源的驅動(dòng)程序，然后設計使用到的芯片的驅動(dòng)程序，最后設計應用層的程序。

　　下面介紹各個(gè).c文件的主要內容：

　　Initial.c文件主要是單片機系統時(shí)鐘、定時(shí)0、串口1的初始化函數，以及串口發(fā)送數據的函數。

　　SPI.c文件包括單片機SPI資源的初始化，以及93C46芯片的驅動(dòng)程序。

　　DS1302.c文件包括DS1302芯片的驅動(dòng)程序，主要是對芯片的初始化，讀寫(xiě)函數等。

　　ADC.c文件主要包括對單片機ADC資源的初始化函數，以及對采集到的數據進(jìn)行處理的函數，文件使用的是官網(wǎng)提供的，但是有些地方有問(wèn)題，進(jìn)修改后可以正常使用。

　　OutletStatuePro.c文件主要是對插孔的結構體數據進(jìn)行處理的函數，包括設置插孔的狀態(tài)，得到插孔的狀態(tài)，設置插到打開(kāi)或者關(guān)閉的定時(shí)時(shí)間等等。

　　Main.c文件是項目的主文件，這里首先是調用各個(gè)模塊的初始化函數，以及調用相應的驅動(dòng)函數完成對應的功能。

　　下面具體介紹程序執行流程：

　　程序開(kāi)始運行后首先調用各個(gè)模塊的初始化函數，完成對單片機以及其他芯片的初始化工作。下一步就是讀取93C46中數據，然后就是就如主循環(huán)。在主循環(huán)中首先判斷串口是否正在接收數據，如果正在接收數據則不執行解析，如果接收完畢則開(kāi)始解析接收到的數據。根據不同的指令執行相應的操作，具體操作可看代碼注釋。解析工作完成后讀取一次DS1302的數據，然后開(kāi)始根據各個(gè)插孔的當前狀態(tài)執行相應的操作，在這個(gè)處理過(guò)程中使用了狀態(tài)機的概念，根據插孔的狀態(tài)執行相應的操作，并且判斷是否有插座處于開(kāi)啟狀態(tài)，如果有的話(huà)就啟動(dòng)AD，判斷當前功率是否超過(guò)設定功率，如果超過(guò)了設定功率則關(guān)閉所有插孔。

　　4、通信數據幀設計原理

　　手機客戶(hù)端與智能插座的通信是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現的，在這個(gè)系統的設計中我們采用UDP協(xié)議，在這個(gè)基礎上設計了簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，下面就具體說(shuō)明一下數據格式的定義。

　　幀頭指令數據

　　表2.41 幀結構

　　表2.41表示的是基本的幀結構，一幀數據由三部分構成，幀頭為0xFF占用一個(gè)字節。指令占用一個(gè)字節，用來(lái)表示該幀數據的作用。數據部分表示傳輸的數據，占用的字節數不固定。

表2.42 指令和數據說(shuō)明