洪達(dá)馳，陳家興，張 榆，王衛(wèi)星

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣東 廣州 510642；2.華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641）

近年來，因家用電器引起的火災(zāi)事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)公安消防局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，每年我國因?yàn)殡娖骰馂?zāi)發(fā)生的事故都超過30 000起，其中由家用電器故障引起的火災(zāi)占到火災(zāi)事故總數(shù)的20%以上[1-3]。然而，國內(nèi)插座自動(dòng)斷電效果并不明顯，例如，傳統(tǒng)插座的自動(dòng)斷線是依靠插座內(nèi)部自帶的保險(xiǎn)絲，在用電器超過其額定電流而沒有超過保險(xiǎn)絲的熔斷電流值時(shí)，用電器因短路而自燃；定時(shí)插座依靠設(shè)定自動(dòng)斷電的時(shí)間，讓插座在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電的功能，但沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測用電器的電流值；功率測量插座可以對用電器實(shí)時(shí)的功率進(jìn)行測量并且可以設(shè)定自動(dòng)斷電的電流值，但不能夠?qū)崿F(xiàn)檢測用電器實(shí)時(shí)電流值。所述的插座不能夠根據(jù)各種用電器的額定電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測與自動(dòng)斷電。

針對上述問題，文中設(shè)計(jì)一種基于RFID的智能型安全插座，采用電子標(biāo)簽嵌入在各用電器插頭中，通過RFID無線射頻技術(shù)讀取電子標(biāo)簽額定電流值，采用電流互感器模塊實(shí)時(shí)測量交流電流值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能。

1 系統(tǒng)概述與結(jié)構(gòu)

當(dāng)各用電器的電子標(biāo)簽進(jìn)入插座RFID閱讀器的讀寫區(qū)域，RFID閱讀器將信號(hào)反饋到微控器STC12C5A60S2[4]，微控制器通過LCD1602顯示模塊顯示電子標(biāo)簽各用電器的額定電流值，并且實(shí)時(shí)通過A/D轉(zhuǎn)換[5]與電流互感器模塊讀取當(dāng)前各用電器實(shí)時(shí)的電流值。當(dāng)用電器實(shí)時(shí)的電流值超過電子標(biāo)簽上的額定電流值時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能，從而實(shí)現(xiàn)對家庭電路的保護(hù)功能并且有效的避免火災(zāi)的發(fā)生。圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

微控制電路：由STC12C5A60S2微控制器、RFID閱讀器、電流互感器模塊、LCD1602顯示模塊與繼電器構(gòu)成。

用電器插頭結(jié)構(gòu)：各種用電器插頭依附標(biāo)志著各種用電器額定電流的電子標(biāo)簽。

2 微控制硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

微控制器是微控制電路的核心，微控制電路要求低功耗且抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)要能夠通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)讀取電流互感器模塊。本文采用宏晶公司的STC12C5A60S2，工作正常電壓在3.5～5.5 V范圍內(nèi)[6]，滿足低功耗要求。

2.2 RFID閱讀器模塊

本文采用NXP公司MFRC522高度集成的非接觸式IC讀寫卡芯片，工作正常電壓在2.5～3.3 V范圍內(nèi)，無需外部電路并且支持SPI接口，滿足電路工作要求[7－8]。

2.3 電流互感器模塊

文中采用思修電子工作室SX－AC－A05交流電流互感器模塊，測量額定電流在0～5 A范圍內(nèi)，測量時(shí)只需將被測信號(hào)導(dǎo)線穿過互感器圓孔，并且具有體積小與精度高的特點(diǎn)，適用于電力測量與保護(hù)。

2.4 電源管理模塊

系統(tǒng)采用24 V電源適配器對電流互感器模塊進(jìn)行供電，經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LM7812與LM7805降壓為5 V為微控制器STC12C5A60S2供電，再經(jīng)過AMS1117降壓為3.3 V為RFID閱讀器進(jìn)行供電。

3 插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽選用非接觸式IC卡并且存儲(chǔ)各用電器額定電流值，將電子標(biāo)簽嵌入各種用電器插頭，圖2為用電器插頭示意圖。

圖2 用電器插頭示意圖Fig.2 Electrical plug diagram

4 軟件設(shè)計(jì)

初始化微控制器端口、RFID閱讀器、LCD1602顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換以及定時(shí)器，當(dāng)附有電子標(biāo)簽插頭進(jìn)入RFID閱讀器讀寫區(qū)域時(shí)，RFID閱讀器將信號(hào)反饋到微控制器，微控制器讀取電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的額定電流值，通過LCD1602顯示模塊顯示用電器的額定電流值并且開啟繼電器。當(dāng)用電器開啟工作后，微控制器通過電流互感器實(shí)時(shí)檢測用電器的工作電流值。當(dāng)用電器工作電流值超過額定電流值時(shí)，微控制器立即關(guān)閉繼電器停止供電。圖3為主程序流程圖。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)電壓為交流電220 V，智能型安全插座與福祿克型號(hào)17B的數(shù)字萬用表對各用電器的工作電流進(jìn)行測量，共實(shí)驗(yàn)5次，記錄各測量電流值，計(jì)算智能型安全插座與實(shí)測電流值的誤差結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow

表1 基于RFID的智能安全插座測試Tab.1 Security socket RFID-based intelligent

通過上述測試，可知基于RFID的智能安全插座的測量電流的平均相對誤差為3.412%。從上述實(shí)驗(yàn)可得基于RFID的智能安全插座的電流測量效果好，從而實(shí)現(xiàn)對家庭線路的保護(hù)。

6 結(jié) 論

文中針對傳統(tǒng)插座不能夠?qū)崿F(xiàn)超過額定電流斷電功能，從RFID無線射頻技術(shù)以及用電器插頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，將電子標(biāo)簽嵌入各用電器插頭結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同的用電器進(jìn)行智能斷電功能，從而保護(hù)用電器與家庭用電線路。本文分別從微控制硬件電路設(shè)計(jì)、插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面闡述基于RFID智能型安全插座的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)過程。本設(shè)計(jì)解決傳統(tǒng)插座不能夠智能斷電的問題，解決用電器的短路問題，從而避免了因家用電器短路而引起的火災(zāi)。

[1]殷小東.家用電器火災(zāi)原因和調(diào)查方法的研究[J].中國西部科技，2013（9）:91，96.YIN Xiao-dong.Study of fire cause and investigationmethod for home appliance[J].West China Technology，2013（9）:91，96.

[2]劉肖巖.電器產(chǎn)品火災(zāi)危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2011（10）:83-85.LIUXiao-yan.Analysisofappliances fire risk statisticaldata[J].Fire Technique and Products Information，2011（10）:83-85.

[3]王俊輝.家用電器火災(zāi)原因及預(yù)防技術(shù) [J].中國科技財(cái)富，2010（12）:121.WANG Jun-hui.Fire cause and prevention technology of household appliances[J].China Technology Fortune，2010（12）:121.

[4]王衛(wèi)星.單片機(jī)原理與開發(fā)技術(shù)[M].2版.北京:中國水利水電出版社，2012.

[5]楊峰，胡彬，羅青青.STC單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換及EEPROM使用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）:169-171.YANG Feng，HU Biao，LUO Qing-qing.Conversion of STC microcontroller AD and use of EEPROM[J].Digital Technology and Application，2011（9）:169-171.

[6]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)手冊[EB/OL].（2012）.http://www.stcmcu.com/.2012.

[7]周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.MFRC522非接觸式讀卡器手冊[EB/OL].（2007）http://www.zlgmcu.com.

[8]恩智浦.MFRC522數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2013）.http://www.www.nxp.com.