郑洲

摘   要：本文介绍了课题的背景和现实意义，通过分析国内外的发展现状，我们可以了解到智能插座的发展具有巨大潜力。人们通过它可以更好地享受生活带来的美好。文章将智能插座的设计分成多个方面：插座的智能化由硬件设备、云技术平台、客户端3部分组成，其中，硬件设备是以STC单片机为中央处理器。其次，介绍了智能插座的软件设计部分。最后，阐述了插座需要的相关技术，包括无线通信技术、云技术平台、软件的开发环境、软件的程序代码，软件的界面设计。通过手机APP来控制插座的开关。

关键词：智能家居;智能插座;WiFi;Android

1    课题的研究背景与意义

信息技术时代，智能家居越来越受到更多地关注。在智能家居中，智能插座由于其普遍性与不可或缺性，也逐渐被人们熟知，传统插座所带来的安全隐患影响较大，其主要原因是超负荷、短路等引起的插座事故。为防止更多意外的发生和自身的安全，通过对传统插座进行智能化改造，研制设计一款智能插座来减少事故的发生概率，让人们可以更放心更安全地使用插座[1]。

现如今，市场上大多数插座不具备任何智能功能，故研究设计一款新型智能插座具有重要意义。设计思想是设计以Android为信息管理及处理中心的设计系统。利用WiFi网络与手机建立连接，从而控制一些家电的开关操作，通过对智能插座的智能化控制，传统类插座由原来的只要不拔，就会一直耗电的情况，转化成自由环保的智能耗电，也同时保证人们的人身安全[2]。

2    分析内容及结构安排

为了适应智能家居的快速发展，巩固互联通信技术和家居的智能化环境，有效为用户服务，根据目前的发展情况，我们决定使用安卓系统的开发环境。由目前的开发背景情况来设计我们所需的设计、开发背景、所需的功能和技术架构，来论述本文的内容结构。

首先，通过介绍开发的原始意图，可以查看出安卓开发技术所需的技能，梳理了家居智能化环境的发展历史和国内外的发展情况[3]。

其次，根据设计需求，我们了解到设计所需的硬件化设计和软件式设计发展。硬件化设计包括电源转换模块、电能计量模块、串口切换WiFi模块等，结合智能插座的日常需求，完成了智能插座的需求的功能设计，并根据市场调研的结构提高了当前市场的用户需求。设计已经完成。

最后，根据现实情况完成具体设计，即设计一款基于Android系统的APP，智能插座设计最大的特点是将节能环保、用电安全、随时定时等功能完美融合在一起，使其成为一个整体[4]。

3    需求设计

智能家居百花齐放的发展，促使科技飞速发展，根据设计的需要，我们总结出下面的几种现实需要。

3.1  开关功能

智能插座的客户端和终端相互融合的情况下，可以自由控制关闭与打开。在外观设计上，保留了传统的手动控制开关的设计[5]。

3.2  电能计量

智能插座接收到手机发送过来的控制命令，在开与关的选项中，接收到的任务状态可以轻松查看电量的使用，这样就可以看出来使用了多少电[6]。

3.3  无线控制

智能插座最大的特点就是可以使用手机APP通过无线来远程控制插座的开关，当用户将控制命令发送到智能插座所使用的路由器网络中时，指定的电器控制其开关，方便快捷地提高了人们的生活质量。

3.4  自由定时

以空调为例，虽然现在空调都有定时关闭的功能，但是空调关了之后，它的插头还处于通电状态。为了更安全地使用电能，可以通过智能插座来断开空调的电，可以在定时睡眠后的两小时内，把插座的电源关掉。

4    方案设计

通过手机连接网络扫描到无线网络环境，可控制智能插座，当然也可以是移动网络，这样可以方便用户管理，连接上网络后，我们就可以查看智能插座所收集到的能源消耗和任一插座的工作状态，发送到APP上，由此实现对智能插座的实时控制。智能插座的工作状态如图1所示。

4.1  步骤设计

因为该智能插座所需的硬件设计包括发送传输、数据采集部分等。其中，将硬件采集到的能源耗费信息、开闭的状态发送到控制器，由无线模块通过控制器发出去。手机APP发信息给路由器，接收模块通过控制器来接收相应的家电使用情况，决定各个家电的关闭与打开以及电能的使用信息。

（1）设计APP。通过Android studio软件来设计智能插座的APP控制软件，完成APP的开发。

（2）智能手机APP为整个智能插座控制的中心部件，要考虑到软件的更新换代，与智能手机是否兼容的问题。

（3）每个电器在APP中都应该有自己独有的标志，不会使用户搞混，也方便用户决定是否使用这款家电，在何时打开使用，何时关闭使用。

4.2  智能插座的硬件设计

在电路的物质基础实现硬件设计。它在软件的协调配合下运行，实现系统功能控制，完成控制任务。控制类系统的软件，分别是系统类软件和应用类软件两大类。

硬件设计电路是智能插座不可缺少的部分，是智能插座实现定时控制、能耗信息、开关的关闭与打开操作的基础设备，硬件设计包括电源转换、能源耗费信息、继电器的开关部分、WiFi转串口等。

4.3  STC单片机的结构

STC单片机与STM32单片机相比，内部架构要简单得多，STC单片机的寄存器仅有几十个。而STM32单片机的寄存器有几百个，支持加速器和DMA的系统级相关性，进一步提高性能，并降低系统低级功耗，为当今的手机提供显著的性能提升的可綜合ARM处理器。Cortex-A73或者MIPS等单片机内核及片内外设，都是通过程序操作寄存器实现特定功能的，所以，寄存器数量只有几十个的STC单片机。

智能插座的硬件设计以主芯片是STC12C5A60S2高速单片机，220 V的交流电，通过STC芯片的继电器和USB部分的处理，选择ESP8266芯片作为WiFi模块。无线网络接收模块是超外差接收芯片SYN500R。在安卓开发环境下， 搭建了手机远程控制功能平台[7]。有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰性强。基于各种需求给出了硬件设计方案。

4.4  电量的估计

实现智能插座对家电使用的情况简要概说，使用单相计量EEM101多功能高精专用计量模块，该款能量损耗模块能够较为准确的测出有功功率，有功电量，无功电量，还可测量出电压、电流等各种电参数信息。

损耗模块集成的MCU计量芯片，都是插拔串口和单片机来通信，获得能量损耗的信息。能量损耗模块测量端与交流220 V直接连接，芯片电源电路使用供电电源转换模块，通过电流使用电路的软硬件，搜集的数据通过电路发送到智能芯片的单片机处理器中，完成电能采集数据的任务。

4.5  电器模块

智能插座选用5 V继电器，它通常应用于自动控制电路，实际上是一种自动开关，使用较小的电流来控制最大电流，具有控制系统和被控制系统两种。在电路中起到自身调动、安全性保护、转换电路等作用。它不同于一般的开关，点加法器不是通过机械方式控制，而是通过电磁力来控制开关方向。当线圈通电时，中心软铁芯被磁化，横向的摆臂吸引下来，而右侧的摆动臂将连接阀触点，两点连接形成一条路径。

4.6  安卓APP的程序设计

智能插座的开发环境采用现在流行的Android系统创建的应用程序，用于移动互联设备，它由中间件、操作系统、应用软件和用户界面等部分构成。打开手机APP后，APP进入初始化设置，首先，与外联设备路由器进行连接。其次，判断路由器是否连接。最后，连接成功后，找到要连接的路由器信息，智能插座开始工作设置，工作内容有以下4个：网关设备的采集数据，信息的采集，控制、执行网关设备发送的控制命令。

智能插座的具体操作界面如图3所示。从界面上可以看出，智能插座具有定时和倒计时功能，还能查看操作记录。可以随时改变智能插座原本控制的电器名称，检查用电情况，随时了解家电设备的工作状态，并且根据用户自己的需求可以任意改变家电的工作状态。

5    结语

本文在智能家居迅速兴盛的时代背景下，提出了基于Android智能插座的设计方案。文章首先提出了智能插座所需的技术，介绍了Android的平台以及智能插座给生活带来的便利。其次，介绍了智能插座的硬件设计，对所需的各种模块、功率转换和计量消耗、WiFi串口、继电器模块等进行了设计。最后，是智能插座的软件设计，包括智能插座的程序编写、对设计出的APP界面的设计及功能的介绍。如今时代发展如此之快，智能时代的来临将是掀起新的篇章。

[参考文献]

[1]张力平.智能家居定义未来生活[J].上海信息化，2018（12）：10.

[2]张新星.基于Android手机的智能插座设计[D].杭州：浙江大学，2014.

[3]张水平，陈 辉，李 敏.基于“云计算”的电力行业IT服务管理[J].电子技术与软件工程，2018（12）：13.

[4]张小红.基于Android的无线智能家居系统设计与研究[D].成都：电子科技大学，2016.

[5]张春龙.基于智能手机的智能家居控制系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[6]蔡凌云，方 振，李铭祥，等.自动增益控制技术应用[J].电子工程师，2002，28（4）：22-23.

[7]李宏年.一種手机遥控的智能插座的设计[J].信息与电脑（理论版），2017（23）：111-112.