基于STM32F107的能耗管控型物联网WiFi插座的设计

引 言

由于人们生活水平的不断提高，越来越多的普通民众购买了各式各样的家用电器，但随着家用电器的过度涌现，致使生活矛盾凸显。比如由于电视机和空调遥控器的红外编码不同，导致遥控器之间无法通用 [1-2] ；由于通信组件较为单一，一旦发生故障，就会令整个通信部分出现故障，遥控器无法使用。因此，终端通信协议标准的统一已成为人们的迫切愿望，但在诸多厂商利益冲突和节约成本的前提下，很难在现有技术水平下实现传统家电的智能化和统一控制。

近几年，由于智能家居的大力推广，市场上涌现出了大量智能设备，新技术的出现未考虑旧家电的接口，导致新旧家电通信协议不匹配。因此人们迫切需要一种智能设备来实现对所有或绝大多数家用电器的智能化和统一控制。

本文设计的智能插座安装便捷、使用方便、配置灵活， 可快速通过互联网接入云服务平台，为用户推送各项能耗数据，提供用能控制策略，分享和交流节能经验。同时，为政府和管理部门提供数据接口，从而改善诸多行业的节能管理水平。“小插座，大能量”，物联网 WiFi插座将为“全民节能”事业添砖加瓦。

1 硬件设计

能耗管控型物联网WiFi 插座的硬件架构如图 1 所示。物联网 WiFi 插座设备的硬件结构由传感器系统、控制系统、电源系统、主控芯片、服务器、个人手机和 PC 端组成。其工作原理是将传感器系统所采集的能耗数据和用户操作数据通过无线通信模块将信息传输至主控芯片STM32F107，然后将接收到的数据与原数据库做对比[3]，分析能源消耗是否正常，之后再将比对结果上传至云平台或服务器中。用户可通过个人手机或 PC 端登录服务器和云平台进行实时查询。还可通过服务器对控制系统发送命令，实现开关插座、电源保护等功能。主控芯片由控制模块、通信模块和传感器组成，控制模块主要实现对数据存储、信息处理和用户操作的管理，通过数据平台为用户提供能耗管理的方案和处理建议，用户可利用现有的互联网基础设施，在任何时间、地点通过手机或 PC 实现实时查询和控制。

1.1 传感系统

无线通信模块（WiFi 模块，蓝牙模块）和无线模块（RF 无线模块）是指由 DSP 技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输无线电模块。无线模块可扩展到诸多系统，工业控制开关容量 I/O 设备，模拟数量获取和控制设备。从最早使用的关键代码、电报、模拟无线电模块和无线调制解调器，到目前的数字无线电模块和 DSP 软件无线电，传输信号也从代码、低速数据（300 ～1 200 bps）发展到高速数据（N*64K ～ N*E1）[4]。

红外模块是指两种驱动模式，即电平和脉冲。一个独立的光电传感器由红外线电子管阵列组成，该传感器能够承受来自外界强烈的光干扰。太阳射线含有红外线，会干扰红外线， 将红外线传输至二极管，导致系统误判甚至瘫痪。该传感器的优势在于可设置多点采集，数组间距和数量可根据需求选择。

1.2 控制系统

物联网 WiFi 插座设备的控制系统如图 2 所示。控制系统主要包括电能计量系统、人工智能自学系统、节电系统、连接传感器和智能设备的控制系统。主控芯片接收个人手机或 PC 端发送的信号，实现对设备的远程控制。主要使用控制节点、继电器扩展模块和相应的系统执行器实现对节能和用户的个性化操作。

                                                                                                               图 2 控制结构图

1.3 主控模块

主控制模块选用 STM32F107 芯片，其含有 10 个定时器，24 个 1 m/s 的 A/D 采样（模数转换器， 快速交替模式采样m/s），24个 D/A（dac），两个 I2C接口，5个 USART接口，个 SPI端口和高质量的数字接口。此外，STM32F107还拥有全速度 USB（OTG）接口、2个 CAN2.0B接口和以太网10/100MAC模块。芯片可满足工业需要与医疗、建筑自动化、家庭音响、家电市场等场景 [5]。

基于 STM32F107 以上特性，将其作为主要控制芯片，对无线通信数据进行处理，并与数据库系统的标准值进行比较， 然后处理数据并上传。数据传输到服务器或云，芯片负责数据存储、信息处理和命令控制。通过数据平台控制系统，为用户提供管理建议和社交娱乐服务。用户可在任何时间、地点， 利用个人手机和 PC 对能耗进行实时查询和控制。

1.4 用户控制系统模块

使用用户的个人手机或者 PC 机来实现用户的控制操作。通过手机或者PC 机，用户可登录服务器或云平台以查询或修改服务器，使用 MQTT 协议、TC/IP 协议实现 Socket 通信。

2 软件设计

能耗管控型物联网 WiFi 插座软件系统架构如图 3 所示。主要通过传感器采集数据，经由WiFi 或 Bluetooth 传输，使得 STM32F107 收到数据并根据相应的操作命令执行动作。

2.1 现有采集的耗电数据

(1) 绘制能耗曲线图，可通过手机或电脑查看；

(2) 形成日、周、月用电报告 ；

(3) 监测用电是否出现异常，实时通过 APP向用户发出预警，以便用户操作 ；

（4）长期过载或负载，自动断电 ；

（5）用户排名，形成奖励机制。

2.2 现有采集的操作数据

(1) 长期采集用电数据、用户操作数据，并上传至云，进行大数据分析；

(2) AI模块记录用户常用操作后可自操作 ；

(3) 形成社交平台，用于分享。

2.3 现有采集的温度值

具有安全预警（火灾等）功能，可通过 APP，PC 端显示， 方便用户实时操作。

能耗管控型物联网 WiFi 插座的软件流程如图 4 所示。检测的 AD 值主要包括 AD 温度值，AD 能源消耗值以及 AD 操作值。当系统接收到相关 AD 值时，就会将其与云平台中的值进行比较，一旦高于或低于标准值均会发出警告指令。

3 结 语

随着传统能源的消耗和不断减少，未来用电成本必将逐年提升，电力能源是一种有限资源，节约能源必将成为未来的主流需求。中国是一个人口大国，更是一个能源消耗大国，因 此，对于新兴节能设备的研发，进行全面普及与低成本投入使用将是未来的发展研究趋势 [6]。如何把握技术发展趋式，整合应用方式也是我国在这方面的首要任务。在当今全球智能化发展趋势中，中国的大城市一直紧跟世界潮流开始了节能减排行动和绿色能源的使用 [7]。“小插座，大能量”，希望我们的能耗采集和管理方案能够为社会节约能源贡献力量。