智能插座的设计与实现

2021-10-10朱旭东

物联网技术 2021年9期

夏力，朱旭东

（无锡工艺职业技术学院，江苏宜兴 214221）

0 引言

随着社会与科技的发展，如何对高校的实验实训室和宿舍用电进行优化管理正成为当前高校管理的痛点。学生有实训室机房24小时全天开放的需求，需要随时随地可以进行上机训练技能；而在宿舍管理方面如何有效地管控大功率电器的使用防止火灾的发生也是高校管理者迫切需要解决的问题[1]。传统的实训室解决模式和宿舍管理方法都不能有效的解决问题，因此，本文提出了一种智能插座设计方案，该方案基于NB-IoT模块与蓝牙技术，软件采用安卓平台来设计。融合后的插座检测器可以简单、准确、有效地检测、统计插座使用量以及控制电路的断电，续电灯功能[2]。通过智能插座的使用，可以有效解决实训室24小时开放问题，并通过后台系统对用电的实时统计监控宿舍是否有大功率电器使用情况，及时制止大功率电器使用。

1 基本思路

本文介绍的方案主要解决高校实验实训室不能全天开放的问题[3]。因为大多数高校的实验实训室或机房考虑安全用电方面的隐患，在不能安排管理员全天管理的情况并不能做到24小时全天候开放，而大部分学生需要24小时全天候开放来进行相关的实验和练习操作。本文设计的智能插座能较好的解决该问题。基于NB-IoT模块可以实现远程的插座检测和控制[4]；另一方面学生可以通过手机的蓝牙模块可以智能插座的上电和断掉，后台可以精确统计到插座是哪个学生在使用，监测用电量和用电安全。通过智能插座系统的远程操作，便可以达到对实训室插座电路的实时控制与管理[5]。本文主要分为4部分：一是把握研究现状，分析智能插座系统的研究背景、意义、现状及趋势；二是系统的硬件选型和设计，提出智能插座系统的硬件模型；三是进行系统软件设计，软件设计包括软件的后台系统设计和手机应用端的APP设计[5]；四是系统的测试与实现。

2 智能插座检测的实现

系统硬件组成主要由电源转换模块、计量模块、NB-IoT通信模块和蓝牙模块等组成。单片机主要负责检测数据的处理，检测的相关数据通过NB-IoT模块与远程后台系统进行数据交互，蓝牙模块与手机APP进行控制交互[6]，相关数据通过单片机处理后传入继电器模块，继电器再传入插座中，达到控制智能插座的目的。硬件框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

2.1 蓝牙通信模块与单片机连接

本方案使用STC89C52型号的单片机作为智能插座的中央控制器。蓝牙通信模块与单片机连接原理图如图2所示。蓝牙模块是系统和手机进行通信的重要载体，通过串口形式也可以和单片机进行数据通信。在此选用的是HC-06蓝牙串口模块[7]，模块上引出了VCC，GND，TXD和RXD四根管脚。

图2 蓝牙通信模块与单片机连接原理图

2.2 系统软件设计流程

手机APP通过蓝牙模块发送数据给单片机微控制器，蓝牙模块通过串口接收数据[8]。手机APP通过蓝牙模块的控制信号控制智能插座断电和续电。APP打开蓝牙后，可以搜索附近的智能插座设备，经过认证的用户搜索到智能插座设备后可以自动接入APP，控制设备的上电与断电等。系统整体设计流程如图3所示。

图3 系统整体设计流程

智能插座通电，智能插座系统终端进行初始化后进行手机与智能插座的蓝牙连接。若未连接成功，继续识别连接。当系统检测到用电量偏高时，智能插座能自动做出判断，发送断开插座电源命令给单片机，并自动报警发送短信给用户，提示用户。如果用电量在正常范围内，则读取电量等相关信息[9]。智能插座应用程序流程如图4所示。

图4 智能插座应用程序流程

2.3 软件系统的实现

本产品中Android手机经过蓝牙模块发送数据，微控制器通过蓝牙模块接收数据。手机端设计3个功能，分别为附近功能、扫一扫功能和刷新功能。附近功能主要为寻找周边的智能插座设备，可以加入APP一同控制；扫一扫功能主要是通过扫描智能插座的二维码来找到该设备，加入APP系统；刷新功能对界面进行刷新。该系统的实现界面如图5所示。