基于深联华单片机的无线智能插座

我是MT

一、项目设计背景及概述　　物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”，其中智能家居是物联网的一部分。
　　随着人们生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求不断提高，方便快捷是人们永恒追求的目标。在家居娱乐和电器控制方面，智能家居有突出表现，包括背景音乐系统、数字网络客厅、家居综合布线、灯光控制和电器控制等功能在内的系统，使人们的生活从各个方面变得更加安全、舒适、简单。
　　目前市场上，智能家居的主要接受人群仍然是一部分高端人群。业内人士认为，阻挠智能家居发展脚步的主要是价格和消费理念两方面的原因。智能家居还属于高档消费，一套系统要几万元不等。尽管接受度和认同度与以前相比已经大有提高，但仍主要局限于买别墅的高端人群和热爱生活、享受生活的年轻白领一族。另外，目前许多人对智能家居系统功能的认识不足，许多设计师 也缺乏相应的专业知识去向业主推广，导致一部分实际上有需求的业主对智能家居还一无所知。但是近年来，智能家居的普及度正在慢慢提高，随着国外同行业产品不断涌入我国，以及与国内智能家居行业的竞争加剧，客观上逐渐加大了宣传力度，并产生互补。今后我国的智能家居应走品质与服务并重的路线，未来智能家居发 展前景广阔。
　　2013年前三季度，我国网民数量达6.08亿，互联网普及率45.4%，基于以上分析，以及通用性方面的考虑设计了基于深联华单片机的无线智能插座。安装了ADSL宽带的用户简单设置路由器以后就可以将插座接入互联网，通过Android客户端就可以实现远程控制。该插座有四个单独插座，用户可以根据需求将需要控制的电器插到插座上。每个单独的插座都可以单独设定开启和关闭，也可以设定定时开启或者定时关闭，同时无线智能插座还有过流保护的功能，通过Android客户端设定插座最大额定功率（四个单独插座的总功率），如果实际额定功率大于设定额定功率时四个单独插座全部关闭，同时关闭定时功能，这样就能防止过流烧毁线路，避免更大的损失。
　　二、项目设计原理
　　1、原理概述
　　基于深联华单片机的无线智能插座由电源单元、功率输出单元、控制单元、电流采集单元、存储单元、实时时钟单元、WIFI模块以及手机客户端组成。
　　电源单元包括两部分，一部分是将220V交流输入转换成12V直流输出，为整个系统提供电源；另一部分是将12V直流电源转换成正负5V，为控制单元，电流采集单元，存储单元，实时时钟单元，WIFI模块提供电源。功率输出单元控制插座的开启和关闭，为要控制的电器提供220V电源。控制单元是整个系统的核心，为各个单元提供控制信号。电流采集单元用来采集插座的电流，然后将信号输入给控制单元，用于电流检测，防止过流。存储单元用来保存四个单独插座的状态，系统下次上电的时候就会从存储单元读取数据。实时时钟单元为定时功能提供时钟信号，同时这个单元有备用电池保证系统掉电后时钟单元正常计时。WIFI模块负责插座和无线路由器的通信，使用之前将模块的端口号在无线路由上做端口映射，这样就能实现远程控制。
　　手机客户端是基于Android系统的，可以向智能插座发送指令，智能插座接收到指令后执行相应的操作，同时向手机客户端返回数据。

　　2、硬件设计原理
　　电源单元设计原理：
　　电源单元由两部分构成，其中220V交流电源转12V直流电源模块使用的是成品的开关电源模块，可以提供最大1A的电流，满足系统需求，并且开关电源体积小效率高。将这个模块集成在系统上另一个原因是方便用户使用，直接通上220V电源就可以使用。
　　电源单元的另一部分是将12V直流转换为正负5V。这部分使用两片MC34063电源芯片，通过设计合理的外围电路，可实现分别输出+5V电压和-5V电压。其中电流采集单元需要双极性电源，所以其中一路MC43063产生-5V电压。MC34063电源芯片可以达到较高的效率，价格低廉，性能可以满足系统设计要求，故而选该芯片作为电源芯片。
　　功率输出单元设计原理：
　　功率输出单元主要包括继电器，三极管等。继电器用来控制对应插座的电源通断，三极管则用来控制继电器的通断，单片机通过控制三极管进而实现对插座的控制。其中继电器型号为HJR-3FF，240V时可以通过7A电流，该继电器需要12V电源供电，这样可以起到与控制单元电气隔离的作用。三极管采用8050，最大可以提供1A的驱动电流，完全可以满足设计要。
　　控制单元设计原理：
　　该系统的主控芯片选用深联华SC89F5162单片机，SC89F5162是一种高速高效率8051兼容单片机。在同样的震荡频率之下，较之传统的8051单片机它具有更快的速度，性能更优越。
　　该系统的设计使用了单片机的定时器0、SPI、ADC、EUART1、IO资源。定时器是为串口接收数据提供定时时间，用来判断一帧数据是否接收完毕；SPI控制93C46，保存和读出插座的状态数据；ADC用来采集电流采集单元的输出电压，为检测是否过流提供数据；EUART1是和WIFI模块进行通信的，接收来自手机客户端的数据，并向客户端返回数据。IO用来控制时钟单元和功率单元等。
　　控制单元是系统的核心，也是知识产权保护的核心，保护好单片机不被破解是重要方面，深联华单片机采用了多种防破解技术，高达32位的密码生成器，白噪声密码没有规律可循等等这些特点决定了代码的安全性很高，这就能很好的保护开发者的利益。
　　电流采集单元设计原理：
　　对交流电流进行采集需要用到交流互感器，该系统采用DL-CT03C1.0精密电流互感器，变比为1:1000，最大可测电流为10A，输出端最大可接电阻为50欧姆，这里选择47欧姆电阻。由于电阻上电压很低，所以不可以直接对电阻上的交流电压进行整流，因此在整流之前使用LM358对交流电压信号进行7.8倍放大。运放所放大的信号为交流信号，需要一个双极性电源进行供电，正好使用电源模块提供的正负5V电源。将放大的电压信号通过桥整流电路进行整流，然后使用电容滤波，再通过一个低通滤波电路将信号送入单片机AD引脚。
　　存储单元设计原理：
　　存储芯片选用93C46芯片，该芯片使用SPI通信方式，具有128个字节的容量。系统需要保存的数据量小，该芯片可以满足需求。
　　实时时钟单元设计原理：
　　实时时钟单元采用DS1302芯片，该芯片在掉电时可以使用备用电源，数据通信使用串行方式，占用IO较少，芯片价格低廉计时精确，完全能满足系统设计需求。
　　WIFI模块单元：
　　WIFI模块使用的是成品模块，通过串口与单片机通信。该模块可通过电脑设置参数，使用方便。
　　3、软件设计原理
　　在单片机软件设计时采用模块化编程的方法以及分层设计的思想。首先设计使用到的单片机资源的驱动程序，然后设计使用到的芯片的驱动程序，最后设计应用层的程序。
　　下面介绍各个.c文件的主要内容：
　　Initial.c文件主要是单片机系统时钟、定时0、串口1的初始化函数，以及串口发送数据的函数。
　　SPI.c文件包括单片机SPI资源的初始化，以及93C46芯片的驱动程序。
　　DS1302.c文件包括DS1302芯片的驱动程序，主要是对芯片的初始化，读写函数等。
　　ADC.c文件主要包括对单片机ADC资源的初始化函数，以及对采集到的数据进行处理的函数，文件使用的是官网提供的，但是有些地方有问题，进修改后可以正常使用。
　　OutletStatuePro.c文件主要是对插孔的结构体数据进行处理的函数，包括设置插孔的状态，得到插孔的状态，设置插到打开或者关闭的定时时间等等。
　　Main.c文件是项目的主文件，这里首先是调用各个模块的初始化函数，以及调用相应的驱动函数完成对应的功能。
　　下面具体介绍程序执行流程：
　　程序开始运行后首先调用各个模块的初始化函数，完成对单片机以及其他芯片的初始化工作。下一步就是读取93C46中数据，然后就是就如主循环。在主循环中首先判断串口是否正在接收数据，如果正在接收数据则不执行解析，如果接收完毕则开始解析接收到的数据。根据不同的指令执行相应的操作，具体操作可看代码注释。解析工作完成后读取一次DS1302的数据，然后开始根据各个插孔的当前状态执行相应的操作，在这个处理过程中使用了状态机的概念，根据插孔的状态执行相应的操作，并且判断是否有插座处于开启状态，如果有的话就启动AD，判断当前功率是否超过设定功率，如果超过了设定功率则关闭所有插孔。

　　4、通信数据帧设计原理
　　手机客户端与智能插座的通信是通过互联网实现的，在这个系统的设计中我们采用UDP协议，在这个基础上设计了简单的通信协议，下面就具体说明一下数据格式的定义。
　　帧头指令数据

　　表2.41 帧结构

　　表2.41表示的是基本的帧结构，一帧数据由三部分构成，帧头为0xFF占用一个字节。指令占用一个字节，用来表示该帧数据的作用。数据部分表示传输的数据，占用的字节数不固定。

表2.42 指令和数据说明

　　表2.42详细说明了各个指令的作用，以及指令后要跟的数据的作用，通过简单的协议可以实现智能插座功能。指令和数据都是以一个字节为单位，方便程序处理。

　　5、手机客户端与智能插座的通信过程
　　这里具体说明一下手机客户端与智能插座的通信过程，并非讲解手机客户端如何使用，手机客户端的使用说明可以查看手机客户端说明书。
　　手机客户端可以通过域名和IP地址两种方式与插座通信，在这里使用的是花生壳的域名解析服务。使用域名的好处是即使ADSL拨号的IP地址改变了也能与插座通信（具体原理不做解释），但是网络状况不好的情况下域名解析服务会有一些延时。使用IP地址的好处是速度快一些，不需要域名解析服务，但是一旦ADSL重新拨号就不知道新的IP地址是什么。所以可以根据实际情况作出选择。
　　手机客户端打开以后做一些基本设置，然后客户端就是周期性的向智能插座发送查询插座状态的指令，保持客户端与智能插座状态保持同步。如果不能正常通信，客户端的插座列表是无法列出的。用户可以根据需求设定各个插孔的状态，设定完成后就可以关闭客户端。如果想知道插座的状态可以打开客户端，刷新一下可以获取插座状态。客户端与智能插座在同一个局域网内也实现通信，将客户端与智能插座连接到同一个路由上，设置客户端的IP地址为插座的IP地址即可，这样客户端与插座便可实通信。

　　三、项目设计框图
　　1、硬件设计框图

　　2、软件设计框图

　　四、测试结果
　　四个插座基本开关功能可以实现，关闭状态下定时开启的功能可以实现，开启状态下定时关闭功能可以实现，关闭后定时开始和定时关闭同时设定功能可以实现。实际功率大于额定功率后所有插座关闭，删除定时器功能可以实现，也就是过流保护功能可以实现。
　　通过视频可以查看具体功能实现。
　　五、软硬件及客户端待优化和改进方面
　　由于时间关系一些地方做的不够完善，以下说明为下一步的改进方向：
　　硬件方面：原理图上面设计了按键功能，通过按键可以打开和关闭，但是作品中并没有加上这个功能，下一步将按键加上，这样更方便使用。
　　将手工焊接的板子设计成PCB，向实际产品靠近。
　　将8050三极管换成8550三级，避免上电后关闭的插座会接通一下。
　　软件方面：进一步优化代码，实际中不用实时检测各个插座的状态，一秒钟检测三到四次即可，其他时间让单片机进入低功耗状态，降低功耗。
　　使用看门狗功能，保证系统的稳定性。
　　客户端方面：客户端上可以增加登陆验证，登陆的时候必须输入码，保证安全。另一方面客户端与插座之间也可以增加通信验证，进一步提供安全性。
　　以上就是基于目前情况提出的改进措施。
　　由于比赛侧重单片机的使用，所以这个文档中没有具体介绍手机客户端的开发，只提供了手机客户端app和使用说明书。手机客户端是有夏胜飞同学完成，我主要做硬件方面的工作。在这个系统的开发过程中我们共同讨论客遇到的问题，合作很默契，虽然作品有待改进，但是主要功能都已经上实现。