基于Android程序開發(fā)的智能插座

鄭洲

摘? ?要：本文介紹了課題的背景和現(xiàn)實(shí)意義，通過分析國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，我們可以了解到智能插座的發(fā)展具有巨大潛力。人們通過它可以更好地享受生活帶來的美好。文章將智能插座的設(shè)計(jì)分成多個(gè)方面：插座的智能化由硬件設(shè)備、云技術(shù)平臺(tái)、客戶端3部分組成，其中，硬件設(shè)備是以STC單片機(jī)為中央處理器。其次，介紹了智能插座的軟件設(shè)計(jì)部分。最后，闡述了插座需要的相關(guān)技術(shù)，包括無線通信技術(shù)、云技術(shù)平臺(tái)、軟件的開發(fā)環(huán)境、軟件的程序代碼，軟件的界面設(shè)計(jì)。通過手機(jī)APP來控制插座的開關(guān)。

關(guān)鍵詞：智能家居;智能插座;WiFi;Android

1? ? 課題的研究背景與意義

信息技術(shù)時(shí)代，智能家居越來越受到更多地關(guān)注。在智能家居中，智能插座由于其普遍性與不可或缺性，也逐漸被人們熟知，傳統(tǒng)插座所帶來的安全隱患影響較大，其主要原因是超負(fù)荷、短路等引起的插座事故。為防止更多意外的發(fā)生和自身的安全，通過對(duì)傳統(tǒng)插座進(jìn)行智能化改造，研制設(shè)計(jì)一款智能插座來減少事故的發(fā)生概率，讓人們可以更放心更安全地使用插座[1]。

現(xiàn)如今，市場(chǎng)上大多數(shù)插座不具備任何智能功能，故研究設(shè)計(jì)一款新型智能插座具有重要意義。設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)以Android為信息管理及處理中心的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用WiFi網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)建立連接，從而控制一些家電的開關(guān)操作，通過對(duì)智能插座的智能化控制，傳統(tǒng)類插座由原來的只要不拔，就會(huì)一直耗電的情況，轉(zhuǎn)化成自由環(huán)保的智能耗電，也同時(shí)保證人們的人身安全[2]。

2? ? 分析內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排

為了適應(yīng)智能家居的快速發(fā)展，鞏固互聯(lián)通信技術(shù)和家居的智能化環(huán)境，有效為用戶服務(wù)，根據(jù)目前的發(fā)展情況，我們決定使用安卓系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。由目前的開發(fā)背景情況來設(shè)計(jì)我們所需的設(shè)計(jì)、開發(fā)背景、所需的功能和技術(shù)架構(gòu)，來論述本文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

首先，通過介紹開發(fā)的原始意圖，可以查看出安卓開發(fā)技術(shù)所需的技能，梳理了家居智能化環(huán)境的發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況[3]。

其次，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，我們了解到設(shè)計(jì)所需的硬件化設(shè)計(jì)和軟件式設(shè)計(jì)發(fā)展。硬件化設(shè)計(jì)包括電源轉(zhuǎn)換模塊、電能計(jì)量模塊、串口切換WiFi模塊等，結(jié)合智能插座的日常需求，完成了智能插座的需求的功能設(shè)計(jì)，并根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)構(gòu)提高了當(dāng)前市場(chǎng)的用戶需求。設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。

最后，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況完成具體設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)一款基于Android系統(tǒng)的APP，智能插座設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是將節(jié)能環(huán)保、用電安全、隨時(shí)定時(shí)等功能完美融合在一起，使其成為一個(gè)整體[4]。

3? ? 需求設(shè)計(jì)

智能家居百花齊放的發(fā)展，促使科技飛速發(fā)展，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，我們總結(jié)出下面的幾種現(xiàn)實(shí)需要。

3.1? 開關(guān)功能

智能插座的客戶端和終端相互融合的情況下，可以自由控制關(guān)閉與打開。在外觀設(shè)計(jì)上，保留了傳統(tǒng)的手動(dòng)控制開關(guān)的設(shè)計(jì)[5]。

3.2? 電能計(jì)量

智能插座接收到手機(jī)發(fā)送過來的控制命令，在開與關(guān)的選項(xiàng)中，接收到的任務(wù)狀態(tài)可以輕松查看電量的使用，這樣就可以看出來使用了多少電[6]。

3.3? 無線控制

智能插座最大的特點(diǎn)就是可以使用手機(jī)APP通過無線來遠(yuǎn)程控制插座的開關(guān)，當(dāng)用戶將控制命令發(fā)送到智能插座所使用的路由器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，指定的電器控制其開關(guān)，方便快捷地提高了人們的生活質(zhì)量。

3.4? 自由定時(shí)

以空調(diào)為例，雖然現(xiàn)在空調(diào)都有定時(shí)關(guān)閉的功能，但是空調(diào)關(guān)了之后，它的插頭還處于通電狀態(tài)。為了更安全地使用電能，可以通過智能插座來斷開空調(diào)的電，可以在定時(shí)睡眠后的兩小時(shí)內(nèi)，把插座的電源關(guān)掉。

4? ? 方案設(shè)計(jì)

通過手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)掃描到無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可控制智能插座，當(dāng)然也可以是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，這樣可以方便用戶管理，連接上網(wǎng)絡(luò)后，我們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狀態(tài)，發(fā)送到APP上，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)智能插座的實(shí)時(shí)控制。智能插座的工作狀態(tài)如圖1所示。

4.1? 步驟設(shè)計(jì)

因?yàn)樵撝悄懿遄璧挠布O(shè)計(jì)包括發(fā)送傳輸、數(shù)據(jù)采集部分等。其中，將硬件采集到的能源耗費(fèi)信息、開閉的狀態(tài)發(fā)送到控制器，由無線模塊通過控制器發(fā)出去。手機(jī)APP發(fā)信息給路由器，接收模塊通過控制器來接收相應(yīng)的家電使用情況，決定各個(gè)家電的關(guān)閉與打開以及電能的使用信息。

（1）設(shè)計(jì)APP。通過Android studio軟件來設(shè)計(jì)智能插座的APP控制軟件，完成APP的開發(fā)。

（2）智能手機(jī)APP為整個(gè)智能插座控制的中心部件，要考慮到軟件的更新?lián)Q代，與智能手機(jī)是否兼容的問題。

（3）每個(gè)電器在APP中都應(yīng)該有自己獨(dú)有的標(biāo)志，不會(huì)使用戶搞混，也方便用戶決定是否使用這款家電，在何時(shí)打開使用，何時(shí)關(guān)閉使用。

4.2? 智能插座的硬件設(shè)計(jì)

在電路的物質(zhì)基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)。它在軟件的協(xié)調(diào)配合下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能控制，完成控制任務(wù)?？刂祁愊到y(tǒng)的軟件，分別是系統(tǒng)類軟件和應(yīng)用類軟件兩大類。

硬件設(shè)計(jì)電路是智能插座不可缺少的部分，是智能插座實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制、能耗信息、開關(guān)的關(guān)閉與打開操作的基礎(chǔ)設(shè)備，硬件設(shè)計(jì)包括電源轉(zhuǎn)換、能源耗費(fèi)信息、繼電器的開關(guān)部分、WiFi轉(zhuǎn)串口等。

4.3? STC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

STC單片機(jī)與STM32單片機(jī)相比，內(nèi)部架構(gòu)要簡(jiǎn)單得多，STC單片機(jī)的寄存器僅有幾十個(gè)。而STM32單片機(jī)的寄存器有幾百個(gè)，支持加速器和DMA的系統(tǒng)級(jí)相關(guān)性，進(jìn)一步提高性能，并降低系統(tǒng)低級(jí)功耗，為當(dāng)今的手機(jī)提供顯著的性能提升的可綜合ARM處理器。Cortex-A73或者M(jìn)IPS等單片機(jī)內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)，都是通過程序操作寄存器實(shí)現(xiàn)特定功能的，所以，寄存器數(shù)量只有幾十個(gè)的STC單片機(jī)。

智能插座的硬件設(shè)計(jì)以主芯片是STC12C5A60S2高速單片機(jī)，220 V的交流電，通過STC芯片的繼電器和USB部分的處理，選擇ESP8266芯片作為WiFi模塊。無線網(wǎng)絡(luò)接收模塊是超外差接收芯片SYN500R。在安卓開發(fā)環(huán)境下， 搭建了手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能平臺(tái)[7]。有全球唯一ID號(hào)，加密性好，抗干擾性強(qiáng)?；诟鞣N需求給出了硬件設(shè)計(jì)方案。

4.4? 電量的估計(jì)

實(shí)現(xiàn)智能插座對(duì)家電使用的情況簡(jiǎn)要概說，使用單相計(jì)量EEM101多功能高精專用計(jì)量模塊，該款能量損耗模塊能夠較為準(zhǔn)確的測(cè)出有功功率，有功電量，無功電量，還可測(cè)量出電壓、電流等各種電參數(shù)信息。

損耗模塊集成的MCU計(jì)量芯片，都是插拔串口和單片機(jī)來通信，獲得能量損耗的信息。能量損耗模塊測(cè)量端與交流220 V直接連接，芯片電源電路使用供電電源轉(zhuǎn)換模塊，通過電流使用電路的軟硬件，搜集的數(shù)據(jù)通過電路發(fā)送到智能芯片的單片機(jī)處理器中，完成電能采集數(shù)據(jù)的任務(wù)。

4.5? 電器模塊

智能插座選用5 V繼電器，它通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路，實(shí)際上是一種自動(dòng)開關(guān)，使用較小的電流來控制最大電流，具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)兩種。在電路中起到自身調(diào)動(dòng)、安全性保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。它不同于一般的開關(guān)，點(diǎn)加法器不是通過機(jī)械方式控制，而是通過電磁力來控制開關(guān)方向。當(dāng)線圈通電時(shí)，中心軟鐵芯被磁化，橫向的擺臂吸引下來，而右側(cè)的擺動(dòng)臂將連接閥觸點(diǎn)，兩點(diǎn)連接形成一條路徑。

4.6? 安卓APP的程序設(shè)計(jì)

智能插座的開發(fā)環(huán)境采用現(xiàn)在流行的Android系統(tǒng)創(chuàng)建的應(yīng)用程序，用于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備，它由中間件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和用戶界面等部分構(gòu)成。打開手機(jī)APP后，APP進(jìn)入初始化設(shè)置，首先，與外聯(lián)設(shè)備路由器進(jìn)行連接。其次，判斷路由器是否連接。最后，連接成功后，找到要連接的路由器信息，智能插座開始工作設(shè)置，工作內(nèi)容有以下4個(gè)：網(wǎng)關(guān)設(shè)備的采集數(shù)據(jù)，信息的采集，控制、執(zhí)行網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送的控制命令。

智能插座的具體操作界面如圖3所示。從界面上可以看出，智能插座具有定時(shí)和倒計(jì)時(shí)功能，還能查看操作記錄?？梢噪S時(shí)改變智能插座原本控制的電器名稱，檢查用電情況，隨時(shí)了解家電設(shè)備的工作狀態(tài)，并且根據(jù)用戶自己的需求可以任意改變家電的工作狀態(tài)。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文在智能家居迅速興盛的時(shí)代背景下，提出了基于Android智能插座的設(shè)計(jì)方案。文章首先提出了智能插座所需的技術(shù)，介紹了Android的平臺(tái)以及智能插座給生活帶來的便利。其次，介紹了智能插座的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)所需的各種模塊、功率轉(zhuǎn)換和計(jì)量消耗、WiFi串口、繼電器模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，是智能插座的軟件設(shè)計(jì)，包括智能插座的程序編寫、對(duì)設(shè)計(jì)出的APP界面的設(shè)計(jì)及功能的介紹。如今時(shí)代發(fā)展如此之快，智能時(shí)代的來臨將是掀起新的篇章。

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