智能插座在智能家居系统中的设计和应用

徐伟姜元建王斌（南瑞集团信息通信技术分公司，江苏南京２１１１００）摘要：智能家居是物联网的主要应用之＿，它将实现家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的组成部分，它具有供电远程控制、用电状态监测、通信组网等功能，目前市场上的智能插座功能还达不到智能家居系统的要求，因此我们需要设计出新型智能插座。该产品随着智能家居系统的推广，将拥有良好的市场前景。关键词：物联网智能家居智能插座ＺｉｇＢｅｅＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｍａｒｔｐｏｗｅｒｏｕｔｌｅｔｉｎｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｙｓｔｅｍｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ，ａｎｄｓｍａｒｔｐｏｗｅｒｏｕｔｌｅｔｗｉｌｌｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｓｍａｒｔｈｏｍｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｈｅｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓＳｍａｒｔｈｏｍｅｓｙｓｔｅｍＳｍａｒｔｐｏｗｅｒｏｕｔｌｅｔＺｉｇＢｅｅ万方数据１引言物联网（ＴｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ）是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式系统，使之成为“智能物体”，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联。物联网代表着下一代信息技术的发展方向，预计将在１０年内大规模普及，发展成为一个上万亿元规模的高科技产业。智能家居是物联网的主要应用之一，它以家庭住宅为平台，利用先进的计算机技术、通信技术、传感器技术、控制技术等，将各种家用电子设备进行集中的控制和管理，从而创造出高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。本文介绍了智能插座在智能家居系统中的应用，以及新型智能插座的设计方法。２智能插座发展现状传统的电源插座功能仅是分配多路电源，而智能插座除具备该功能外，还具有智能化的特点，普通插座和智能插座从外形到功能均有较大不同，如图ｌ所示。目前市场上已经出现了多种不同功能的智能插座，主要可以分为以下几类：（１）漏电保护型智能插座。该类插座具有漏电保护、超限断电等功能，当发现超过一定幅值的电流未与零线构成回路，认为漏电并立刻切断供电，同时在输入电压过高、用电负荷异常时可自动切断电源，保护电器。（２）定时型智能插座。该类插座主要为用户分时用电而设计。例如在电价便宜时启动电热水器、洗衣机等工作，从而节约电费。该类插座一般具有时钟功４５应用研究ＩＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＲＥＳＥＡＲＣＨ能，可对插座中的每一个插口进行编程，控制电源定时开断。图１晋通插座和智能插座外观对比图（３）主路控制型智能插座。该类型插座一般有一个主路，其它为辅路。如电脑主机断电后，判断出该主路无电流，则切断整个插座的电源，这样当电脑关机后，可以将辅路上的其他设备如显示器、音箱等也进行断电，从而减少待机功耗，提高用电安全性。（４）遥控型智能插座。插座中的每一路都可以由无线遥控器进行远程控制，该类插座一般需要同时配一个无线遥控器，通信方式一般为红外或小无线，也可声控。（５）计量型智能插座。这类插座的功能类似于单相多功能电表，它可以计量插座中用电设备的电压、电流、功率、电能值等。该类插座一般配有按键和ＬＣＤ屏，也可将数据传送到电脑上，分析设备的用电情况。图１中的智能插座即为此类。由以上几类智能插座的分析可以得知，智能插座内部均集成了微处理器芯片，可进行智能处理，但目前的智能插座设计以提供单一的保护、监测或控制为主，产品功能较为单一，很难实现信息化和远程控制，还无法达到智能家居系统的应用要求。３智能插座与智能家居智能插座的未来发展是成为智能家居的组成部分，智能家居是物联网的重要应用，它将融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备如家电设备、照明系统、安防系统、网络家电等通过智能家庭网络联网实现自动化，图２为一个智能家居系统的典型框图。由图２可知，一个典型的智能家居系统一般包括以下几部分。万方数据ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ甲阅俄嚣便是２０１０年第１０期图２智能家居系统框图（１）智能模块。包括智能插座、智能安防系统、智（２）主控制器。主控制器包括嵌入式控制器和手的状态，如对电器开关、状态监测、灯光控制、安防控（３）本地和远程控制端。本地计算机可通过有的监控软件，可以方便地在计算机上对家居系统进行网登录Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，实现远程操作。远程操作必须有相应的接入许可措施，保证智能家居系统的安全性。能灯光系统、网络家电等，智能插座主要用于监测插座上电器的用电状态、控制电器的供电，在电器提供支持的前提下，也可以控制电器的工作；智能安防系统和智能灯光系统通过相应的视频探头、传感器监视当前状态，将状态信息实时传送给主控制器，同时自动进行系统报警、灯光开启关闭等；网络家电由于具有网络功能，可直接由主控制器或远程端控制工作。持式控制器，嵌入式控制器一般固定安装在入户处，手持式控制器则可以在户内任意地点使用。主控制器可以通过按键，查看或控制智能家居系统内所有设备制等。线方式与嵌入式主控制器连接通信，结合计算机端参数设置和状态查看。而嵌入式主控制器被连接到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络上，用户可利用远程端的上网计算机进行远程登录设置，同时，用户也可以在手机上利用３Ｇ公４智能插座的功能与实现４．１智能插座功能要求中阑｛ｊＩ嚣低表ＣＨＩＮＡＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ２０１０年第１０期为满足智能家居系统的需求，我们需要设计出新型的智能插座，其必须具有智能化、信息化的特点，除具有电源分配功能外，还应该具备以下功能：１）控制功能。智能插座应能通过开断电源，来控制插座上电器的供电，或对电器的通信口发命令帧控制，控制的家电包括空调、电饭煲、电热水器等。２）通信功能。智能插座要与主控制器进行通信，将数据传送给主控制器或响应主控制器的命令，保证智能家居系统的正常工作。智能插座与主控制器构成有效的通信网络，通信应快速稳定。３）监测功能。该功能可以监测负载当前的工作状态，如电压、电流、功率、用电量等，用户可以分析电器的负荷情况、运行功率、待机功耗等，为用电提供参考。４）其它功能。如定时供电，异常保护等。４．２智能插座设计实现智能插座的硬件原理框图如图３所示，可以看出整个电路系统以微处理器（ＭＣＵ）为核心，包括功率控制、信号测量、电源转换、通信模块等部分。图３智能插座电路框图４．２．１微处理器微处理器为电路系统的核心，负责整个系统的测量、控制、通信、管理，我们需要选择电磁兼容性能较好的１６ｂｉｔ或３２ｂｉｔ微处理器，女ｇＳＴＲ７１１，并加硬件开门狗防止死机。４．２．２电源转换该部分将２２０Ｖ的交流电压进行ＡＣ—ＤＣ变换，输出电路系统中需要的直流电压，女Ｈ＋５Ｖ、＋３．３Ｖ，输出功率要满足系统工作要求，并考虑电磁兼容性能。４；２．３功率控制万方数据ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＲＥＳＥＡＲＣＨＩ应用研究由微处理器控制继电器的开合，来改变负载的供电，继电器的容量要高于负载的最大功率，继电器回路需加二极管和电容器件，吸收开合瞬间的反向电流和高压，防止对内部电路造成冲击。４．２．４信号测量输入的电压、电流强电信号先通过分压电阻、锰铜片等转换为弱电信号，再输入给专用的计量芯片，如ＡＴＴ７０２２Ｂ，其内部具有Ａ／Ｄ转换、数字运算电路，可自动完成多路电压电流有效值、功率等计算，生成的数据由ＭＣＵ抄取后处理。测量精度等级可达１．０级。４．２．５通信模块智能插座通过有线或无线通信与主控制器进行数据交互，组成通信网络。有线通信可采用低压电力线载波方式，低压载波通信利用电力线资源，方便组网，但由于低压线路的强干扰噪声，通信可靠性和速率不高。无线通信可选择ＺｉｇＢｅｅ等微功率无线技术，通信速率和通信可靠性高。智能插座的软件采用前台中断加后台处理的方式，后台程序包括通信帧处理、测量数据处理、电源控制等几个部分，前台采用中断快速响应主控制器的命令。智能插座需要指定通信网络地址和设备地址，网络地址需与主控制器一致，设备地址在网络中具有唯一性。５总结本文介绍了新一代智能插座的功能和设计方法，它具有智能控制、本地监测、通信组网等多种功能，将满足智能家居系统和物联网的发展需求。智能插座的应用不能单一实现，它必须与智能家居系统相配套，并在系统中发挥作用。随着智能家居系统的快速发展，智能插座的应用将越来越广泛。参考文献１齐楠，韩波，李平．基于ＺｉｇＢｅｅ的智能家庭无线传感网络．机电工程，２００７，２４（２）．２郑娴，姚铭．智能家庭网络的研究现状与发展趋势．智能建筑与城市信息，２００６（８）．作者简介：徐伟（１９８０．），男，工程师，硕士。目前主要从事通信及信息产品的研发工作。４７