空调节能调控及智能检测插头

2022-12-21唐渊粟湘灿黄添洪王红娟

电子制作 2022年23期

唐渊，粟湘灿，黄添洪，王红娟

（湖南工业大学，湖南株洲，412000）

0 引言

传统的电源插座仅仅是电路的拓展，而智能插座一般都有着相应的智能化的功能，同时智能插座和传统的插座在外观和功能上有着明显的差异。当前的市场上已经出现了多种不同功能的智能插座，他们内部嵌有相关智能集成芯片或微处理器，能够完成初步的智能处理，但是大多数只能通过无线通信对设备进行通断电控制，设备仍处于待机状态，并未达到真正的智能化，并且不能多个插座同时控制，难以与物联网进行相应的契合。本文设计的智能插座能够实现空调的节能控温、功率故障监测、火灾检测、智能化物联以及对后台的统一化管理等。

1 现状分析

阅读近期文献后发现，理论界主要从以下几方面展开了相关研究：

■1.1 节能控温

当前，有关民用建筑节能的政策还不够完善，而节能控温属于建筑节能技术的一种。现有智能插座设计大多是具有定时开关、延时开关、多人共享开关等功能，且内设防雷电、放高压、防漏电等功能[1]，在一定程度上实现了节能控温的功能。

■1.2 智能化物联

无论是国内还是国外，智能化都被看作是是信息化与工业化的融合，其技术的核心无疑就是物联网。据统计显示，2020 年中国家庭智能家居配置率较上年增加15.1%，但该领域仍然具有较大的发展空间。

■1.3 通信方式

物联网信息技术在不断提升,智能插座系统在此环境的影响下完成了升级和改造,将家用电器形成智能与信息系统,能够实现无线通信功能与供电控制的功能[2]。

2 设计的主要内容

本项目通过红外模块、温度检测模块、功率检测模块、WiFi 模块多个模块的协调工作，实现了节能控温、功率故障监测、火灾检测以及智能化物联的功能。如图1 所示。

图1 整体设计图

本项目实际应用场景拓扑图如图2 所示。在大型机构中，插头与空调设备一一对应，并通过插头接入云平台实现后台智能统一化管理。

图2 项目整体拓扑图

■2.1 硬件设计

2.1.1 红外模块

红外模块主要的功能是控制空调开关及温度。此模块中STΜ32F103 会通过接收红外信号接收相应的数据信息，再由其与云平台进行数据的交互，同时相应的指示灯会对其工作状态进行显示。最后STΜ32F103 通过发送红外信号将交互的数据发送到设备，最后对空调开关及空调温度进行控制。目前市面上的两类楼宇控制技术都不符合实际应用的要求。市面上常用的有HC-SR501,而此项目采用YS-IR05F 红外编解码模块，相比之下YS-IR05F 具有使用范围广、兼容性好、收发信号强等优点。

2.1.2 功率检测模块

功率检测模块是一个可以实时监督空调用电量与变化率的一个独立模块并能通过云平台配合将用电度数上传至控制中心进行统计，以达到故障上报与统计的作用。在使用空调的过程中，空调产生不同功率，智能插头通过计量电路，可以对功率进行测算，随后将数据反馈给单片机STΜ32F103，指示灯显示不同工作状态，并将数据与云平台进行交互。功率计量芯片HLW8012 相对INA226 具有可靠性高、精度高、成本低等优点，故本项目选其作为相关电参数的测量元件。

2.1.3 温度检测模块

此模块首先由温度传感器检测智能插头周围环境温度并将相关数据信息传送至STΜ32F103，若温度不在设定阈值范围内STΜ32F103（ARΜ 微处理器）则将触发蜂鸣器，工作状态指示灯能及时显示正异常情况，同时STΜ32F103（ARΜ 微处理器）与云平台实时交互数据。辽宁科技大学电子与信息工程学院的王永华等人采用单片机实现对温度的智能控制，DS18B20 模块测量电机温度，LCD 模块进行温度显示。根据他们的研究，可知该系统采用DS18B20 设计具有降温快，效果好，功耗低等优势。且市面普遍使用DS18B20 模组，说明该模组具有较大的优势。

2.1.4 WiFi 模块

为实现智能插头的智能控制，能够连接网络便成为头号目标。当前有关设计的连接网络方式多种多样：GSΜ 移动通信网短信平台、WiFi、LoRa 技术、蓝牙信息传输等[3～5]。本插头则采用WiFi 连接的方式，服务于企业或者学校等大型机构，此类大型机构普遍覆盖有WiFi 网络，通过使用现有资源，较大的减轻了额外网络连接成本，并且保证了WiFi 网络的稳定性。本模块计划采用ATK-ESP8266。ATKESP8266 是一款高性能的UAR-WiFi（串口-无线）模块。该模块采用串口与ΜCU 通信，内置TCP/IP 协议栈，能够实现串口与WiFi 之间的转换。我们将ATK-ESP8266 的串口与STΜ32F103RCT6 的一个串口进行连接便可以进行数据传输，并将ATK-ESP8266 设定成WIFI-STA 模式，在该模式下TK-ESP8266 通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。

■2.2 软件设计

计划采用阿里云云平台，可以通过后期设置，相关管理展现直观的实时情况表，以便于发生相应事件后管理员能够在第一时间发现并完成其相关工作。

云平台通过整合、处理系统发送的相关数据信息，及时对设备进行管理与控制。软件模块接入了云平台实现后台智能统一化管理，云平台将各模块反馈的数据经处理分析后通过终端的可视化软件展示。并且可以通过终端调节云平台以改变相关模块的状态。节能控温功能首先进行温度的检测，再由CPU（中央处理器）对温度进行判断，如若未超过报警温度，还需对温度继续重复检测；超过则将温度信息上报云平台，进行数据的读取，再进行断电处理。功率检测模块一经触发，则进行功率检测并由CPU 判断空调是否存在功率故障，若未存在故障则继续进行功率检测，否则将相关数据信息上报至云平台进行断电处理直至结束。如图3 所示。

图3 软件设计流程图

■2.3 功能实现

2.3.1 节能控温

通过云平台以及算法配合，自动采取最优温度控制策略并自动检测当日时间安排表，实现智能关机，以达到节能目的。如图4 所示。

图4 节能控温

2.3.2 功率故障

智能插头通过内置的功率检测模块和红外模块相互合作，对接受到的空调的红外数据进行解析后获得空调当前所处的模式，再通过内部程序调节实现不同模式进行不同的功率检测，从而判断空调电机是否正常运行。如图5 所示。

图5 功率检测

2.3.3 火灾检测

智能插头通过内置温度检测模块实现温度检测的作用，是一个可以实时监测插头周围温度，判断插头附近是否有火情出现。如图6所示。

图6 火灾检测

2.3.4 智能化物联

由通讯模块与云平台两个部分实现。通过通讯模块使单片机与互联网进行通讯，并结合云平台实现后端统一化地数据调度与智能管理功能。云平台通过整合、处理系统发送的相关数据信息，及时对设备进行管理与控制。本项目计划采用阿里云，可以通过后期设置，想管理展现直观的实施情况表，以便于发生相应事件后管理员能够在第一时间发现并完成其相关工作。如图7 所示。

3 对现有研究做出的创新

(1)自动节能温度调控。通过云平台以及算法配合，自动采取最优温度控制策略并自动检测当日时间安排表，实现智能关机，以达到节能目的；(2)使非物联空调接入物联系统。通过内置WiFi 芯片与云平台进行连接，实行后台统一化管理；(3)火灾与电机工作状态监测。内置双检测模块，发现问题后及时上报云平台并自动联系相关部门采取措施，减少危险事件的发生。