王灿田，陈育中

（江苏联合职业技术学院南京分院，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着物联网技术的快速发展，人们开始追求高科技和高品质的生活。智能化电子设备逐渐走进人们的日常生活，极大地方便了人们对家用电器设备的管理和使用。电器已经成为每个家庭必备的家居设备，插座作为电器设备连接电源必须使用的设备，若能够对其进行智能化控制管理，那么将在很大程度上借助对插座的管理实现对家电的智能控制，使生活更加便利。但与此同时，身边的安全隐患也越来越多。为了更好地保障用电安全并排除用电隐患，近年来，国内外的科研技术人员对智能插座的设计进行了较多的研究[1-2]。

目前市面上大多数产品都是基于WiFi模块实现智能插座与手机端的通信[3-4]，弊端是该类型的产品仅具有无线控制智能插座通断的功能，无法控制带红外遥控的主流家电设备。同时，由于受墙壁等障碍物的影响，部分区域的智能插座由于无法正常接收信号，导致时常出现无法控制的情况。

因此，设计一种基于STM32和4G传输的红外智能插座系统，可有效解决联网异常问题。系统主节点上的大功率红外发射模块可以有效辐射各个角落，且红外发射模块价格低廉，可以大幅降低智能插座的成本，因此具有很大的实际使用意义。

1 系统方案设计

系统整体设计方案如图1所示。系统主要包括手机端、云平台、主节点和智能插座子节点。本系统的主控芯片采用STM32F103单片机，该芯片具有体积小、处理速度快、造价成本低等优势。用户使用时，将手机端的控制信号发送给云平台，云平台通过4G模块转发给绑定的主节点，主节点接收到指令并解析，通过红外发射管向智能插座发送控制信号，从而实现远程控制[5-6]。

图1 系统整体设计框架

本系统采用阿里云物联网平台。通过阿里云物联网平台的消息流转功能，实现消息的快速流转，一般不会出现消息卡顿或者丢包的情况。

手机和主节点均通过阿里云的三元组信息连接阿里云虚拟设备，然后借助阿里云消息流转功能实现消息的流转与发送[7]。

2 硬件设计

智能插座系统硬件由主节点和智能插座从节点构成。

2.1 主节点设计

插座节点的硬件原理如图2所示。可以看出，智能插座硬件由STM32F103单片机、红外模块、EC200S、AC-DC电源构成。

图2 主节点原理

（1）主控芯片

本系统的主控芯片采用基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微处理器 STM32F103RCT6。Cortex-M3内核的设计集高性能、低功耗、实时应用等优点于一体，满足嵌入式领域的要求。STM32F103RCT6最高工作频率可达72 MHz，内置高速存储器（高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口，4个通用16位定时器和2个PWM定时器。还包含先进的通信接口：2个I2C，3个SPI，2个I2S，1个SDIO，5个USART，1个USB和1个CAN，其丰富的片上资源大大简化了系统硬件，降低了设计成本。

本文所设计的系统主要以STM32F103RCT6作为主控芯片，通过串口接收并处理数据，从而实现系统功能。

（2）红外发射模块

红外发射与接收电路采用三极管、红外发射与接收对管实现，其原理如图3所示。Q2三极管产生基波信号，对其门极提供38 kHz的方波基波信号。Q1三极管为发送控制三极管，将其接在串口发送引脚上，可将发送的消息加载在基波信号上。

图3 红外模块电路

需要注意的是，由于该电路由发射管和接收管构成，且串口通信为异步通信，因此接收和发送相互独立。在发送时，需要注意关闭接收中断，或者使用隔档将发射管和接收管隔离开，以避免发送端自接收的情况出现。

（3）EC200S模块

“你还想怎么复杂？”苏秋琴笑道，“烂眼阿根的死跟我有啥关系？我家的玉米地不遮不拦的，谁都可以死在那儿。”

EC200S-CN是移远通信推出的LTE Cat 1无线通信模块，支持最大下行速率10 Mb/s和最大上行速率5 Mb/s，具有超高的性价比。如图4所示，主节点与子节点的通信采用4G模块EC200S实现。由于4G模块在使用时，启动天线需要约1 A的启动电流，会对嵌入式系统造成瞬间冲击响应，容易使线性电源电压拉低，导致单片机和4G模块重启的现象出现，因此在使用时需要为4G模块配备一个47 μF的钽电容进行储能，为芯片启动瞬间提供足够的电流支持，以保障嵌入式系统能够稳定工作，并增强其抗干扰能力。SIM模块的信号脚使用PVS二极管进行保护，防止击穿，选择滤波电容为信号提供保障。

图4 EC200S模块电路

（4）AC-DC模块

电源部分采用金升阳出品的AC-DC电源转换模块，将220 V交流电改为5 V直流电，再使用线性电源芯片AMS1117和LM1085将5 V电压降为3.3 V，为单片机和EC200S模块供电。AC-DC电源模块电路如图5所示。

图5 AC-DC电源模块电路

2.2 智能插座从节点设计

智能插座从节点原理如图6所示，主要包括STM32F103单片机、继电器模块、红外模块、AC-DC电源模块。智能插座接收主节点下发的控制指令，接收后解析消息指令，判断地址位的地址是否与其地址相同，若相同则执行该指令，反之则不执行指令[8-9]。

图6 智能插座从节点原理框图

智能插座从节点继电器电路如图7所示。由于使用场景为控制家用电器的继电器开关，因此可直接插在插座上使用，使用市电为控制器供电。利用转换芯片将220 V交流电转换为5 V直流电给单片机供电，并驱动继电器吸合和关断。系统使用联动继电器，一个继电器联动两路信号，触电可承受阈值为AC 10 A。为防止吸合瞬间浪涌破坏单片机，加装续流二极管保护电源。

图7 智能插座从节点继电器电路

3 软件设计

系统软件设计整体上可分为主节点联网、红外传输消息编码、上位机绑定主节点、智能插座从节点自动组网。

3.1 主节点联网

图8所示为4G模块连接阿里云物联网平台流程。单片机通过串口对4G模块串口发送AT指令控制4G模块打开MQTT协议，并输入阿里云物联网平台的设备账号、密码和IP地址。连接成功后，命令模块设置为发布模式，返回成功后，尝试推送消息，若推送成功，则表示已成功连入阿里云物联网平台。

图8 连接阿里云物联网平台流程

3.2 红外传输消息编码

图9所示为红外编码的消息指令格式。包头表示数据开始传输。中间夹着6个重复数据包。接收设备接收到后解析数据包和校验位，如果错误则解析下一个数据包，直到解析到正确的数据包为止。这样可以有效降低环境光的干扰，还能提高容错率，使系统更加稳定。

图9 红外消息指令格式

3.3 上位机绑定主节点

图10所示为用户通过手机端绑定主节点UML图。用户在使用手机软件时，第一次登录需要绑定主节点MAC地址，建立手机端与主节点的通信线路。搭建好手机端与主节点的通信线路后，主节点会将其下所有子节点发送到手机端并显示在列表中，用户可以对其命名或进行控制，实现远程单一控制或者场景控制等联控效果。

图10 绑定主节点UML图

3.4 智能插座从节点自动组网

图11所示为新设备连接进入主节点的UML图。当用户将新购买的智能插座加入家中节点时，只需将智能插座插在插座上即可供电。此时，智能插座发送红外信号，向主节点请求地址码，主节点收到请求消息后，会为智能插座分配本网络下唯一的地址码，以实现不同智能插座之间的单独控制。

图11 智能插座绑定主节点UML图

4 实验结果

在主节点中，由于受用户使用环境的影响，如信号不佳或网络卡顿等原因导致设备掉线，从而产生手机端无法控制设备的现象出现，因此在主节点中专门采用独立的线程用来处理异常情况，例如，设备连接失败或者设备掉线等，考虑采取相应的代码重连接。

经过测试，设备稳定运行时长十天未出现掉线重连情况。

在红外通信过程中，由于该方式容易出现错码，考虑采用连发5次的方式实现容错，准确率可以达到99.99%。在光线环境较为恶劣的情况下，依旧可以实现95%以上的准确率。表1为5次发送和接收数据的结果。

表1 测试结果

5 结 语

本文介绍了一种基于STM32和4G技术的红外智能插座系统。该设计可以依托现有家中电气，无需更换为智能物联网家电，即可实现简单的开关断电控制，从而有效实现设备重启或者关闭耗电设备，通过远程操控，为工作繁忙的年轻人或者差旅人士提供了方便、快捷的家用电气远程控制解决方案。

由于红外模块价格低廉，使用方便，因此可以大幅降低无线控制设备的成本，受到市场欢迎。随着智能家居系统的快速发展，该智能插座系统的应用将越来越广泛，推广前景和应用价值良好。