基于RFID的智能型安全插座

洪达驰，陈家兴，张 榆，王卫星

（1.华南农业大学 广东 广州 510642；2.华南理工大学 广东 广州 510641）

近年来，因家用电器引起的火灾事故造成了巨大的经济损失。根据公安消防局的统计数据看，每年我国因为电器火灾发生的事故都超过30 000起，其中由家用电器故障引起的火灾占到火灾事故总数的20%以上[1-3]。然而，国内插座自动断电效果并不明显，例如，传统插座的自动断线是依靠插座内部自带的保险丝，在用电器超过其额定电流而没有超过保险丝的熔断电流值时，用电器因短路而自燃；定时插座依靠设定自动断电的时间，让插座在设定的时间内实现自动断电的功能，但没有实现实时检测用电器的电流值；功率测量插座可以对用电器实时的功率进行测量并且可以设定自动断电的电流值，但不能够实现检测用电器实时电流值。所述的插座不能够根据各种用电器的额定电流进行实时的监测与自动断电。

针对上述问题，文中设计一种基于RFID的智能型安全插座，采用电子标签嵌入在各用电器插头中，通过RFID无线射频技术读取电子标签额定电流值，采用电流互感器模块实时测量交流电流值，进而实现自动断电功能。

1 系统概述与结构

当各用电器的电子标签进入插座RFID阅读器的读写区域，RFID阅读器将信号反馈到微控器STC12C5A60S2[4]，微控制器通过LCD1602显示模块显示电子标签各用电器的额定电流值，并且实时通过A/D转换[5]与电流互感器模块读取当前各用电器实时的电流值。当用电器实时的电流值超过电子标签上的额定电流值时，实现自动断电功能，从而实现对家庭电路的保护功能并且有效的避免火灾的发生。图1是系统整体结构图。

图1 系统结构框图Fig.1 System block diagram

微控制电路：由STC12C5A60S2微控制器、RFID阅读器、电流互感器模块、LCD1602显示模块与继电器构成。

用电器插头结构：各种用电器插头依附标志着各种用电器额定电流的电子标签。

2 微控制硬件电路设计

2.1 微控制器

微控制器是微控制电路的核心，微控制电路要求低功耗且抗干扰能力强，同时要能够通过A/D转换实时读取电流互感器模块。本文采用宏晶公司的STC12C5A60S2，工作正常电压在3.5～5.5 V范围内[6]，满足低功耗要求。

2.2 RFID阅读器模块

本文采用NXP公司MFRC522高度集成的非接触式IC读写卡芯片，工作正常电压在2.5～3.3 V范围内，无需外部电路并且支持SPI接口，满足电路工作要求[7－8]。

2.3 电流互感器模块

文中采用思修电子工作室SX－AC－A05交流电流互感器模块，测量额定电流在0～5 A范围内，测量时只需将被测信号导线穿过互感器圆孔，并且具有体积小与精度高的特点，适用于电力测量与保护。

2.4 电源管理模块

系统采用24 V电源适配器对电流互感器模块进行供电，经过低压差线性稳压器LM7812与LM7805降压为5 V为微控制器STC12C5A60S2供电，再经过AMS1117降压为3.3 V为RFID阅读器进行供电。

3 插头结构设计

电子标签选用非接触式IC卡并且存储各用电器额定电流值，将电子标签嵌入各种用电器插头，图2为用电器插头示意图。

图2 用电器插头示意图Fig.2 Electrical plug diagram

4 软件设计

初始化微控制器端口、RFID阅读器、LCD1602显示模块、A/D转换以及定时器，当附有电子标签插头进入RFID阅读器读写区域时，RFID阅读器将信号反馈到微控制器，微控制器读取电子标签存储的额定电流值，通过LCD1602显示模块显示用电器的额定电流值并且开启继电器。当用电器开启工作后，微控制器通过电流互感器实时检测用电器的工作电流值。当用电器工作电流值超过额定电流值时，微控制器立即关闭继电器停止供电。图3为主程序流程图。

5 实验结果与分析

实验电压为交流电220 V，智能型安全插座与福禄克型号17B的数字万用表对各用电器的工作电流进行测量，共实验5次，记录各测量电流值，计算智能型安全插座与实测电流值的误差结果，实验结果如表1所示。

图3 主程序流程图Fig.3 Main program flow

表1 基于RFID的智能安全插座测试Tab.1 Security socket RFID-based intelligent

通过上述测试，可知基于RFID的智能安全插座的测量电流的平均相对误差为3.412%。从上述实验可得基于RFID的智能安全插座的电流测量效果好，从而实现对家庭线路的保护。

6 结 论

文中针对传统插座不能够实现超过额定电流断电功能，从RFID无线射频技术以及用电器插头结构出发，将电子标签嵌入各用电器插头结构中，能够实现对不同的用电器进行智能断电功能，从而保护用电器与家庭用电线路。本文分别从微控制硬件电路设计、插头结构设计、软件设计等方面阐述基于RFID智能型安全插座的设计方案与实现过程。本设计解决传统插座不能够智能断电的问题，解决用电器的短路问题，从而避免了因家用电器短路而引起的火灾。

[1]殷小东.家用电器火灾原因和调查方法的研究[J].中国西部科技，2013（9）:91，96.YIN Xiao-dong.Study of fire cause and investigationmethod for home appliance[J].West China Technology，2013（9）:91，96.

[2]刘肖岩.电器产品火灾危险性统计数据分析[J].消防技术与产品信息，2011（10）:83-85.LIUXiao-yan.Analysisofappliances fire risk statisticaldata[J].Fire Technique and Products Information，2011（10）:83-85.

[3]王俊辉.家用电器火灾原因及预防技术 [J].中国科技财富，2010（12）:121.WANG Jun-hui.Fire cause and prevention technology of household appliances[J].China Technology Fortune，2010（12）:121.

[4]王卫星.单片机原理与开发技术[M].2版.北京:中国水利水电出版社，2012.

[5]杨峰，胡彬，罗青青.STC单片机AD转换及EEPROM使用[J].数字技术与应用，2011（9）:169-171.YANG Feng，HU Biao，LUO Qing-qing.Conversion of STC microcontroller AD and use of EEPROM[J].Digital Technology and Application，2011（9）:169-171.

[6]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机手册[EB/OL].（2012）.http://www.stcmcu.com/.2012.

[7]周立功单片机发展有限公司.MFRC522非接触式读卡器手册[EB/OL].（2007）http://www.zlgmcu.com.

[8]恩智浦.MFRC522数据手册[EB/OL].（2013）.http://www.www.nxp.com.