方案，该插座系统具有远程控制，通信组网，学习红外码，定时控制等多种功能，可以实现对带红外遥控的主流家电设备的智能控制。该系统使用简单，能极大的便利日常生活，促进智能家居推广和普及。
1 系统工作流程及功能介绍
1.1 系统工作流程
系统整体设计方案如图1所示，主要包括插座节点[1]、串口转无线模块和红外收发模块三个部分。结合图1系统整体设计方案来看，该智能插座系统的工作流程如下：
（1） 学习过程。红外收发模块基于STM32内置的I2C通信接口与E2PROM芯片通信，并配合红外接收器和自学习按键实现遥控按键学习功能。当初次使用该插座时，按住红外收发模块上的自学习按键，同时对准红外收发模块上的红外接收器按下设备遥控器的待机/开机按键[2]，此时该设备遥控器的待机/开机键的红外码值就会写入E2PROM中，完成自学习[2]功能。
（2） 控制过程。经过自学习后的插座，用户可以在PC上位机控制终端的操作界面上设置插座节点的工作状态，比如插座编号、插座通断、定时信息等，并通过串口转无线模块将用户指令无线传输给指定的插座节点和红外收发模块；插座节点完成相应的通断动作，红外收发模块向相关设备发送红外信号，将相关设备切入待机状态后延迟5 s自动切断电源[2]，或是接通电源延时5 s后由红外收发模块向相关设备发送红外信号，将设备从待机状态切入开机状态。
1.2 系统功能介绍
为满足智能家居系统的需求，该新型智能插座系统除具有电源分配功能外，还应该具有以下功能：
（1） 控制功能。该智能插座系统能通过插座节点的电源通断控制插座节点上设备的供电，并能对接入设备发送相应的红外信号，从而实现对带红外遥控的主流家电设备，如空调、电视等的远程控制。
（2） 组网功能。在该智能插座系统中，通过对插座节点进行编号，可以实现多个插座节点与PC上位机终端进行无线通信，响应终端的命令，即多通道无线传输。
（3） 定时功能。在PC上位机操作界面中设定时间，即可完成插座节点的定时通断功能。
（4） 学习功能。利用STM32内部自带的I2C通信接口与E2PROM芯片的通信连接，该智能插座系统可以学习带红外遥控的主流家电设备的遥控器上的任意按键，以实现其自学习功能。
2 硬件电路设计
智能插座系统硬件由插座节点、串口转无线模块、红外收发模块三个部分组成。
2.1 微处理器
微处理器选用基于Cortex⁃M3内核的32位增强型闪存微处理器STM32F103RCT6作为控制核心，Cortex⁃M3内核的设计集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体，满足嵌入式领域的要求。STM32F103RCT6最高工作频率可达72 MHz，内置高速存储器（高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口，4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C，3个SPI，2个I2S，1个SDIO，5个USART，1个USB和1个CAN[3]。其丰富的片上资源大大简化了系统硬件，降低了设计成本。
2.2 插座节点设计
插座节点的硬件原理框图如图2所示，可以看出整个电路以STM32单片机作为控制核心，包含电源转换模块、继电器控制电路、2.4 GHz无线传输电路和DS1302时钟电路。
（1）电源转换模块。电源分为三个部分：市电电源220 V；继电器控制电路的5 V电源；单片机等模块的3.3 V电源。
对于市电部分，考虑安全与功率限制，导线较宽，有较好的过流过载能力，插座节点采用三孔式，两相插座供电，标准铜片接触，保证安全性；并通过继电器控制实现插座一端的220 V火线供电，插座的另一端全部连接到220 V的零线上，各个插座的接地端子连接到电源插头的地线上[1]。
对于5 V电源部分，因为开关电源的尺寸远小于降压稳压模块电路[1]，具有很好的输出效果，输出功率满足系统工作要求，因此插座节点采用的供电方式为开关电源模块供电，如图3所示，采用220 V交流供电输入，输出500 mA电流值的5 V电源。
对于3.3 V电源部分，采用AMS1117模块进行电源转换，加入滤波电路，使电源转换更平稳。AMS1117的特点包括：固定输出电压，低漏失电压（1 A输出电流时仅为1.2 V），限流功能，过热切断，工作温度范围宽[1]（-40～125 ℃）。
（2） 继电器控制电路。设计电路如图4所示，考虑插座安全，采用光耦隔离将强电弱电进行分离控制；继电器工作电压为5 V，采用三极管驱动，驱动能力强；IN1为继电器控制接口，接单片机I/O口，低电平吸合，高电平释放。
（3） DS1302时钟电路。插座节点采用DS1302时钟芯片实现基本定时通断功能，时钟电路的时钟晶振是32.768 kHz。DS1302内含有一个实时时钟和31 B的静态RAM，实时时钟提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可以自动调整，并通过同步串行方式与单片机进行通信。
2.3 串口转无线模块设计
串口转无线模块的整个电路以STM32单片机作为控制核心，包含USB接口电路和2.4 GHz无线传输电路。
（1） USB接口电路。USB接口电路如图5所示，该电路基于PL2303设计，PL2303是一种高度集成的RS 232/USB双向接口转换器，可完成RS 232与USB接口之间的协议转换，并为外部串行接口提供电源，从而实现PC机的USB接口与单片机之间的通信问题，通信波特率高达6 Mb/s。STM32F103RCT6提供5个内置的串口通信模块，可方便地与PL2303连接，采用两线连接串口方式，分别将STM32F103RCT6的PA.9（U1_TX），PA.10（U1_RX）与PL2303的P1（TXD），P5（RXD）连接，3.3 V输出为STM32F103RCT6提供电源。
（2） 2.4 GHz无线传输电路。对于实现数据通信的无线模块采用的是2.4 GHz的24L01模块，nRF24L01是NORDIC公司产的一款无线通信芯片，可以实现点对点之间的无线数据通信或是一对六的无线数据通信，其无线通信传输速率为0～10 Mb/s，有125个可选工作频道，且为单片机系统预留5个GPIO和1个中断输入引脚，适用于单片机系统构建无线通信功能。对于单片机控制，所需控制引脚有8个，分别为VDD，VSS，CE（芯片的模式控制线），IRQ（中断信号），SCK（芯片控制的时钟线），MOSI（芯片控制数据线），MISO（芯片控制数据线），CSN（芯片的片选线）[1]。
2.4 红外收发模块设计
红外收发模块的整个电路以STM32单片机作为控制核心，包含红外收发电路、E2PROM接口电路和2.4 GHz无线传输电路。
（1） 红外收发电路。红外收发电路包括红外接收电路、红外发射电路两部分。红外接收电路如图6所示，采用HX1838红外接收器，其载波频率为38 kHz。红外发射电路如图7所示，采用一个与非门和红外发射二极管实现，单片机通过两路信号进行与非运算后，控制二极管下端电平。
（2） E2PROM接口电路。E2PROM（带电可擦可编程只读存储器）是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，通过与单片机的I2C接口进行通信，实现数据存储。电路如图8所示。
3 系统软件设计
系统软件设计整体上可分为：插座节点软件设计；串口转无线模块软件设计；红外收发模块软件设计；上位机控制终端软件设计。本文主要介绍插座节点的程序设计和红外收发模块的程序设计。
3.1 插座节点软件设计
插座节点的整体控制程序主要包括主程序、外部中断。其中主程序主要负责节点数据读取传输功能，程序流程图如图9所示。外部中断用于响应上位机控制终端通过串口转无线模块发送的操作指令；采用中断的方式使节点能够准确响应外部操作命令，避免因查询法丢失用户命令的情况[4]。
3.2 红外收发模块软件设计
整个红外收发模块程序主要包括两部分：红外接收程序和红外发射程序。其中红外接收程序主要负责红外遥控的解码和自学习功能的实现，程序流程图如图10所示；红外发射程序负责响应上位机发送的无线控制信号，将存储在E2PROM中的相应红外码值提取并发射出去，程序流程图如图11所示。
4 结 语
本文介绍了新一代智能插座系统的功能和设计方案，其具有智能控制、定时设置、通信组网、学习存储等多种功能，且具有费用低廉，安装简单，使用方便，可随意扩充插座的数量，控制灵活，可以用PC上位机进行远程控制等优点，这将满足智能家居系统和物联网的发展需求。因此，随着智能家居系统的快速发展，该智能插座系统的应用将越来越广泛，具有十分良好的推广前景和应用价值。
参考文献
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