一、項目設計背景及概述

　　物聯網是新一代信息技術的重要組成部分。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。物聯網就是“物物相連的互聯網”，其中智能家居是物聯網的一部分。

　　隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生活質量的要求不斷提高，方便快捷是人們永恒追求的目標。在家居娛樂和電器控制方面，智能家居有突出表現，包括背景音樂系統、數字網絡客廳、家居綜合布線、燈光控制和電器控制等功能在內的系統，使人們的生活從各個方面變得更加安全、舒適、簡單。

　　目前市場上，智能家居的主要接受人群仍然是一部分高端人群。業內人士認為，阻撓智能家居發展腳步的主要是價格和消費理念兩方面的原因。智能家居還屬于高檔消費，一套系統要幾萬元不等。盡管接受度和認同度與以前相比已經大有提高，但仍主要局限于買別墅的高端人群和熱愛生活、享受生活的年輕白領一族。另外，目前許多人對智能家居系統功能的認識不足，許多設計師 也缺乏相應的專業知識去向業主推廣，導致一部分實際上有需求的業主對智能家居還一無所知。但是近年來，智能家居的普及度正在慢慢提高，隨著國外同行業產品不斷涌入我國，以及與國內智能家居行業的競爭加劇，客觀上逐漸加大了宣傳力度，并產生互補。今后我國的智能家居應走品質與服務并重的路線，未來智能家居發 展前景廣闊。

　　2013年前三季度，我國網民數量達6.08億，互聯網普及率45.4%，基于以上分析，以及通用性方面的考慮設計了基于深聯華單片機的無線智能插座。安裝了ADSL寬帶的用戶簡單設置路由器以后就可以將插座接入互聯網，通過Android客戶端就可以實現遠程控制。該插座有四個單獨插座，用戶可以根據需求將需要控制的電器插到插座上。每個單獨的插座都可以單獨設定開啟和關閉，也可以設定定時開啟或者定時關閉，同時無線智能插座還有過流保護的功能，通過Android客戶端設定插座最大額定功率（四個單獨插座的總功率），如果實際額定功率大于設定額定功率時四個單獨插座全部關閉，同時關閉定時功能，這樣就能防止過流燒毀線路，避免更大的損失。

　　二、項目設計原理

　　1、原理概述

　　基于深聯華單片機的無線智能插座由電源單元、功率輸出單元、控制單元、電流采集單元、存儲單元、實時時鐘單元、WIFI模塊以及手機客戶端組成。

　　電源單元包括兩部分，一部分是將220V交流輸入轉換成12V直流輸出，為整個系統提供電源；另一部分是將12V直流電源轉換成正負5V，為控制單元，電流采集單元，存儲單元，實時時鐘單元，WIFI模塊提供電源。功率輸出單元控制插座的開啟和關閉，為要控制的電器提供220V電源。控制單元是整個系統的核心，為各個單元提供控制信號。電流采集單元用來采集插座的電流，然后將信號輸入給控制單元，用于電流檢測，防止過流。存儲單元用來保存四個單獨插座的狀態，系統下次上電的時候就會從存儲單元讀取數據。實時時鐘單元為定時功能提供時鐘信號，同時這個單元有備用電池保證系統掉電后時鐘單元正常計時。WIFI模塊負責插座和無線路由器的通信，使用之前將模塊的端口號在無線路由上做端口映射，這樣就能實現遠程控制。

　　手機客戶端是基于Android系統的，可以向智能插座發送指令，智能插座接收到指令后執行相應的操作，同時向手機客戶端返回數據。

　　2、硬件設計原理

　　電源單元設計原理：

　　電源單元由兩部分構成，其中220V交流電源轉12V直流電源模塊使用的是成品的開關電源模塊，可以提供最大1A的電流，滿足系統需求，并且開關電源體積小效率高。將這個模塊集成在系統上另一個原因是方便用戶使用，直接通上220V電源就可以使用。

　　電源單元的另一部分是將12V直流轉換為正負5V。這部分使用兩片MC34063電源芯片，通過設計合理的外圍電路，可實現分別輸出+5V電壓和-5V電壓。其中電流采集單元需要雙極性電源，所以其中一路MC43063產生-5V電壓。MC34063電源芯片可以達到較高的效率，價格低廉，性能可以滿足系統設計要求，故而選該芯片作為電源芯片。

　　功率輸出單元設計原理：

　　功率輸出單元主要包括繼電器，三極管等。繼電器用來控制對應插座的電源通斷，三極管則用來控制繼電器的通斷，單片機通過控制三極管進而實現對插座的控制。其中繼電器型號為HJR-3FF，240V時可以通過7A電流，該繼電器需要12V電源供電，這樣可以起到與控制單元電氣隔離的作用。三極管采用8050，最大可以提供1A的驅動電流，完全可以滿足設計要。

　　控制單元設計原理：

　　該系統的主控芯片選用深聯華SC89F5162單片機，SC89F5162是一種高速高效率8051兼容單片機。在同樣的震蕩頻率之下，較之傳統的8051單片機它具有更快的速度，性能更優越。

　　該系統的設計使用了單片機的定時器0、SPI、ADC、EUART1、IO資源。定時器是為串口接收數據提供定時時間，用來判斷一幀數據是否接收完畢；SPI控制93C46，保存和讀出插座的狀態數據；ADC用來采集電流采集單元的輸出電壓，為檢測是否過流提供數據；EUART1是和WIFI模塊進行通信的，接收來自手機客戶端的數據，并向客戶端返回數據。IO用來控制時鐘單元和功率單元等。

　　控制單元是系統的核心，也是知識產權保護的核心，保護好單片機不被破解是重要方面，深聯華單片機采用了多種防破解技術，高達32位的密碼生成器，白噪聲密碼沒有規律可循等等這些特點決定了代碼的安全性很高，這就能很好的保護開發者的利益。

　　電流采集單元設計原理：

　　對交流電流進行采集需要用到交流互感器，該系統采用DL-CT03C1.0精密電流互感器，變比為1:1000，最大可測電流為10A，輸出端最大可接電阻為50歐姆，這里選擇47歐姆電阻。由于電阻上電壓很低，所以不可以直接對電阻上的交流電壓進行整流，因此在整流之前使用LM358對交流電壓信號進行7.8倍放大。運放所放大的信號為交流信號，需要一個雙極性電源進行供電，正好使用電源模塊提供的正負5V電源。將放大的電壓信號通過橋整流電路進行整流，然后使用電容濾波，再通過一個低通濾波電路將信號送入單片機AD引腳。

　　存儲單元設計原理：

　　存儲芯片選用93C46芯片，該芯片使用SPI通信方式，具有128個字節的容量。系統需要保存的數據量小，該芯片可以滿足需求。

　　實時時鐘單元設計原理：

　　實時時鐘單元采用DS1302芯片，該芯片在掉電時可以使用備用電源，數據通信使用串行方式，占用IO較少，芯片價格低廉計時精確，完全能滿足系統設計需求。

　　WIFI模塊單元：

　　WIFI模塊使用的是成品模塊，通過串口與單片機通信。該模塊可通過電腦設置參數，使用方便。

　　3、軟件設計原理

　　在單片機軟件設計時采用模塊化編程的方法以及分層設計的思想。首先設計使用到的單片機資源的驅動程序，然后設計使用到的芯片的驅動程序，最后設計應用層的程序。

　　下面介紹各個.c文件的主要內容：

　　Initial.c文件主要是單片機系統時鐘、定時0、串口1的初始化函數，以及串口發送數據的函數。

　　SPI.c文件包括單片機SPI資源的初始化，以及93C46芯片的驅動程序。

　　DS1302.c文件包括DS1302芯片的驅動程序，主要是對芯片的初始化，讀寫函數等。

　　ADC.c文件主要包括對單片機ADC資源的初始化函數，以及對采集到的數據進行處理的函數，文件使用的是官網提供的，但是有些地方有問題，進修改后可以正常使用。

　　OutletStatuePro.c文件主要是對插孔的結構體數據進行處理的函數，包括設置插孔的狀態，得到插孔的狀態，設置插到打開或者關閉的定時時間等等。

　　Main.c文件是項目的主文件，這里首先是調用各個模塊的初始化函數，以及調用相應的驅動函數完成對應的功能。

　　下面具體介紹程序執行流程：

　　程序開始運行后首先調用各個模塊的初始化函數，完成對單片機以及其他芯片的初始化工作。下一步就是讀取93C46中數據，然后就是就如主循環。在主循環中首先判斷串口是否正在接收數據，如果正在接收數據則不執行解析，如果接收完畢則開始解析接收到的數據。根據不同的指令執行相應的操作，具體操作可看代碼注釋。解析工作完成后讀取一次DS1302的數據，然后開始根據各個插孔的當前狀態執行相應的操作，在這個處理過程中使用了狀態機的概念，根據插孔的狀態執行相應的操作，并且判斷是否有插座處于開啟狀態，如果有的話就啟動AD，判斷當前功率是否超過設定功率，如果超過了設定功率則關閉所有插孔。

　　4、通信數據幀設計原理

　　手機客戶端與智能插座的通信是通過互聯網實現的，在這個系統的設計中我們采用UDP協議，在這個基礎上設計了簡單的通信協議，下面就具體說明一下數據格式的定義。

　　幀頭指令數據

　　表2.41 幀結構

　　表2.41表示的是基本的幀結構，一幀數據由三部分構成，幀頭為0xFF占用一個字節。指令占用一個字節，用來表示該幀數據的作用。數據部分表示傳輸的數據，占用的字節數不固定。

表2.42 指令和數據說明

　　5、手機客戶端與智能插座的通信過程

　　這里具體說明一下手機客戶端與智能插座的通信過程，并非講解手機客戶端如何使用，手機客戶端的使用說明可以查看手機客戶端說明書。

　　手機客戶端可以通過域名和IP地址兩種方式與插座通信，在這里使用的是花生殼的域名解析服務。使用域名的好處是即使ADSL撥號的IP地址改變了也能與插座通信（具體原理不做解釋），但是網絡狀況不好的情況下域名解析服務會有一些延時。使用IP地址的好處是速度快一些，不需要域名解析服務，但是一旦ADSL重新撥號就不知道新的IP地址是什么。所以可以根據實際情況作出選擇。

　　手機客戶端打開以后做一些基本設置，然后客戶端就是周期性的向智能插座發送查詢插座狀態的指令，保持客戶端與智能插座狀態保持同步。如果不能正常通信，客戶端的插座列表是無法列出的。用戶可以根據需求設定各個插孔的狀態，設定完成后就可以關閉客戶端。如果想知道插座的狀態可以打開客戶端，刷新一下可以獲取插座狀態。客戶端與智能插座在同一個局域網內也實現通信，將客戶端與智能插座連接到同一個路由上，設置客戶端的IP地址為插座的IP地址即可，這樣客戶端與插座便可實通信。

　　三、項目設計框圖

　　1、硬件設計框圖

　　2、軟件設計框圖

　　四、測試結果

　　四個插座基本開關功能可以實現，關閉狀態下定時開啟的功能可以實現，開啟狀態下定時關閉功能可以實現，關閉后定時開始和定時關閉同時設定功能可以實現。實際功率大于額定功率后所有插座關閉，刪除定時器功能可以實現，也就是過流保護功能可以實現。

　　通過視頻可以查看具體功能實現。

　　五、軟硬件及客戶端待優化和改進方面

　　由于時間關系一些地方做的不夠完善，以下說明為下一步的改進方向：

　　硬件方面：原理圖上面設計了按鍵功能，通過按鍵可以打開和關閉，但是作品中并沒有加上這個功能，下一步將按鍵加上，這樣更方便使用。

　　將手工焊接的板子設計成PCB，向實際產品靠近。

　　將8050三極管換成8550三級，避免上電后關閉的插座會接通一下。

　　軟件方面：進一步優化代碼，實際中不用實時檢測各個插座的狀態，一秒鐘檢測三到四次即可，其他時間讓單片機進入低功耗狀態，降低功耗。

　　使用看門狗功能，保證系統的穩定性。

　　客戶端方面：客戶端上可以增加登陸驗證，登陸的時候必須輸入碼，保證安全。另一方面客戶端與插座之間也可以增加通信驗證，進一步提供安全性。

　　以上就是基于目前情況提出的改進措施。

　　由于比賽側重單片機的使用，所以這個文檔中沒有具體介紹手機客戶端的開發，只提供了手機客戶端app和使用說明書。手機客戶端是有夏勝飛同學完成，我主要做硬件方面的工作。在這個系統的開發過程中我們共同討論客遇到的問題，合作很默契，雖然作品有待改進，但是主要功能都已經上實現。