基于STM32F103的智能插座系统设计
摘要本项目设计并实现了一种基于STM32F103的多功能智能插座，以智能插座为前端，再结合Zigbee技术进行无线收发，且具有定时开启和关闭以及过电流保护与断电保护的功能，可以有效降低现在家用电器的待机消耗。而且用户还可以通过计算机或者手持设备远程登录智能家居管理系统对家庭用电设备进行信息查询和控制，为我们提供了很大的方便。除此之外，该智能插座具有可靠性高、实用性强的特点，满足了智能家居的需要。
关键词STM32F103；智能插座；zigbee
1 引言
随着科学技术的迅猛发展，电子产品发展也越来越快。但是与电子产品配套使用的插座的实用性还不是很强，比如说常用的电器插线板并不具备定时开启和关闭以及过电流保护与断电保护的功能，即非智能化。这种现象给人们生活带来的影响是不容忽视的。在平常生活中，因为电器插线板的非智能化往往给人们的生活或工作带来一些困扰。比如：家中的水塔忘记抽水而造成生活的一时不便；临时离开家时电器设备处于待机状态；一些电器的定时时间过短，不便于定时使用等等。这一类问题所造成的影响，往小方面考虑是给人们的生活带来不便，往大方面考虑是浪费了国家的电能。因此，为解决这类问题，可以尝试研究出一种具有定时开启和关闭功能的智能插座，争取让以上类问题对人们和国家造成的影响降到最低[1]。
2 智能插座的功能设计
智能插座为家庭智能用电的节点，用于实现对家用电器的电量测量、状态监控、过压过流保护以及定时开、关控制。该节点通过Zigbee协议与家庭网关通信，实现家庭用电的智能化。智能插座系统结构图如图1所示。
设计的智能插座的主要功能有：
a.电能计量：可以对电能进行累计和复位。
b.保护功能：电压过高或过低以及电流过大时智能插座可以自动切断电源，保护家用电器的安全。
c.通信功能：采用Zigbee协议进行组网，实现各个节点与家庭网关通信。
d.遥控功能。用户可以通过家庭网关对电器进行开关控制。
e.时钟功能。节点有自己的时钟电路，超过半年以上市电断电的情况下，可以保持数据不丢失。
3 智能插座的设计和实现
3.1 硬件結构设计
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。具有短时延、网络容量大、可靠、安全等特点，非常适合作为智能插座与网关的通信方式。本项目选用基于ZigBee 技术的CC2530芯片为通信硬件；MCU采用具有ARM7Cortex-m3内核的STM32F103。智能插座的硬件结构图如图2所示。
3.2 模块电路设计
本项目设计的智能插座有5部分模块电路：电源电路模块、电压电流采样电路模块、电能计量模块、STM32控制芯片模块、CC2530无线通信模块。其中STM32F103微处理器为系统的核心负责协调各个模块之间的运行，CC2530负责完成无线通信和无线组网的功能。
电源电路模块：
使用LNK304设计的AC-DC非隔离电源，L与N分别是交流火线与零线，以零线作为地线。此电路无须变压器，稳压5V，可以提供150mA左右的电流，能够保证在AC85V～265V的交流范围内，实现稳定的电压输出，纹波也很小，在50mV左右。此电源为所有模块提供工作电压。
电网电压采样电路模块：
如图3所示同步电路由两部分组成，第一部分是由电阻、电容组成的RC滤波环节，为减小系统与电网的相位误差，该滤波环节主要是滤除电网的谐波干扰。滤波电路造成的延时可在程序中补偿起来。其中凡R341=1K?，C341=0.luF；
第二部分由电压比较器LM3ll构成，实现过零比较，同时设计了一个滞环来抑制干扰和信号的振荡。
电能计量模块
如图4所示，电能计量电路使用HLW8012，实现功率、电压、电流等数据通过CF、CF1引脚以脉冲的方式输出。CF脚输出的脉冲频率大小即表示有功功率值，CF输出的脉冲个数表示的是用电量的信息。当SEL为高电平时，CF1输出的脉冲频率表示电压有效值，当SEL为低电平时，CF1输出的是电流有效值。HLW8012集成内置振荡器、参考电源，外围简单，包括电流、电压的采样。
STM32控制芯片模块
本项目选用属于STM32系列的STM32F103VET6单片机作为控制电路的核心部件，它属于32位高性能、低成本、低功耗的增强型系列单片机，其内核采用了Cortex-M3架构，满足了用户对高性能、低功耗和经济实用的要求，此模块在项目中主要负责协调各个模块之间的运行。
CC2530无线通信模块
本项目采用了TI 公司的CC2530 芯片作为通信模块，它可以建立强大的网络节点，而且成本低，而且具有不同的运行模式，使它适应超低功耗要求的系统[2]。
4 小结
这种智能插座系统实现了以STM32F103为核心、相关辅助模块共同发挥作用的过程，其核心就是通过对外部设备的工作状态来实现智能插座的开启和关闭。这样一来，家中的水塔忘记抽水、临时离开家时电器设备处于待机状态、一些电器的定时时间过短等给人们所带来的不利影响，将在智能插座的参与之下降到最低。
参考文献
[1] 余文俊，凌志浩.一种物联网智能家居系统的研究[J].自动化仪表，2011，32（8）：56-59.
[2] 张捷.浅析ZigBee技术在物联网的应用[J].无线互联科技，2012，（3）：33-34.
胡锦涛，衢州学院2014级电气工程及其自动化本科学生；指导教师：陈佳泉。
