CN105007298A - 一种互联网远程控制插座系统 - Google Patents
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Abstract
一种互联网远程控制插座系统，由核心主控制部分、网络解析部分、电源电路部分、模式切换开关部分、继电器驱动部分和计算机端的软件部分组成。其主要结构包括单片机、继电器、网络处理芯片、隔离地变压器、电源电路开关，各个模块间通过插接件互相连接。本发明除了互联网协议,其他连接方式的成本较高,比如基于GSM的系统可能要为而外的手机卡号付费,GSM相关芯片的成本也高;部分系统不能支持远程连接控制,比如基于蓝牙或Zigbee协议的控制系统;现有系统一般需要特定的手机系统,比如客户端需要安装在iOS或Android系统,如果用户使用黑莓或Symbian就无法进行控制;协议或是控制方式不能在家电间通用,比如远程控制空调和远程控制热水器使用的不同的系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于互联网协议的远程自动化插座系统。
背景技术
网络的普及使许多设备都享受上了联网的便利。目前,基于 19 世纪末提出的家电联网(即智能家居)的概念已经被研究人员和厂商广为接受,并制作出了一系列的服务与成品,并应用于智能家居中。现有的物联网开关控制系统大多具有以下特点：（1）近距离一般采用蓝牙、Zigbee等通信协议,远距离一般使用 GSM;（2） 具有对应的 iOS 或者 Android 系统的客户端;（3） 不同厂商只针对其特定电器制造远程控制协议。而这些特点往往会对应产生如下问题：（1）使用成本低的协议一般不能实现远程控制，比如蓝牙。可以远程控制的协议使用成本高，比如GSM。（2）不能照顾所有客户端，而且多个客户端维护复杂。（3）要控制家中多个电器，则必须使用多个终端／软件／协议，不能集中管理且用户操作麻烦。
因此，实现一种低通信成本，良好的协议与终端兼容性的远程控制插座系统能更好地促进家电联网系统的推广，具有现实意义与良好的前景。
发明内容
本发明实现一种基于互联网协议的自动化插座系统。使用HTTP、TCP等互联网协议来承载插座与用户终端间的控制信号，降低了使用成本；同时使用网页的形式来控制家电,从而兼容绝大部分手机、电脑及平板等设备的系统；并使用用插座来控制电器,避免不同的电器使用不同的协议。结合路由器使用，可以实现局域网控制或互联网远程控制（互联网远程控制需要路由器支持端口映射）的功能。
本发明说明的系统由核心主控制部分、网络解析部分、电源电路部分、模式切换开关部分、继电器驱动部分和计算机端的软件部分组成。其主要结构包括单片机、继电器、网络处理芯片、隔离地变压器、电源电路开关，各个模块间通过插接件互相连接。
（1）所述核心控制部分采用的单片机为STM32F103C8T6，其工作电压为2.0～3.6V，拥有64KB flash,20KRAM,采用LQFP48封装。具有较小的体积与功耗，同时具有较强的性能，足以满足插座系统的要求。核心控制部的网络服务运行在前后台系统上，前后台系统在满足基本需求的前提下占用内存小，占用代码少，而且结构简单。
（2）所述网络解析部分，使用的是ENC28J60以太网模块和HR911105A网口。ENC28J60符合IEEE 802.3 的全部规范,采用了一系列包过滤机制以对传入数据包进行限制。它还提供了一个内部 DMA 模块,以实现快速数据吞吐和硬件支持的 IP 校验和计算。
（3）所述电源部分，考虑到体积和安全性，电源采用220V 转12V、3.3V 的开关电源模块（如图3）。3.3V 给和网络电路供电，12V 给继电器供电，并做了隔离地处理（数字地与模拟地隔离），防止继电器开关时对主电源的干扰。
在智能插座中，存在模拟信号（继电器控制信号）与数字信号（单片机控制信号）。而数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波。如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开，数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形，而且电路损耗的电压（为（数字信号电流+模拟信号电流）X走线电阻）也会增加。故将数字地与模拟地隔离有利于插座的工作。
（4）所述模式切换开关部分，插座有一个实体的双控开关。分为对应智能插座的两种模式：智能模式和直通模式。在智能模式下,各个插口的开关可以根据指令变化，即可通过登录插座系统的小型WEB服务器通过网页打开或关闭某个插口。在直通模式下,开启所有插口，忽略网络开关控制指令，即三个插口处于打开状态且无法通过网页打开或关闭某个插口。
许多智能开关中大多缺少稳固的安全措施。特别是基于互联网的智能开关，在黑客的攻击下，电源的控制权限可能会被夺取。因此需要一个模式能在加固防火墙或修补网络漏洞时能强制使用物理开关的模式。而且在网络不稳定时，控制控制信号有时候不能正常地传递。因此一个模式切换电路在各种智能插座中具有一定的实用价值。
（5）所述继电器驱动部分，使用3路继电器分别控制三个插口,每个继电器最大输入电压为250V，最大输入电流为10A。控制电路采用PC817光电耦合器来隔离信号,防止干扰,使用D3、D5、D7三个二极管来消除继电器反向电压,保护三极管。
对于控制电路来说，继电器的线圈是一种电感性负载，当流过电感的电流被突然切断时，会产生很高的瞬间电压，这个电压可以造成控制电路的其它元件损坏。受到线圈寄生电容的影响，电压波形为一个衰减的正弦波，其频率由电感和寄生电容决定，并通过连接导线形成传导骚扰和辐射骚扰。因此，采用反向二极管并连继电器两端的方式来抑制继电器开合时产生的间脉冲信号对电路有比较有效的保护作用。
本发明的有益效果：
本发明主要解决了目前家电控制系统的以下问题：（1）除了互联网协议,其他连接方式的成本较高,比如基于 GSM的系统可能要为而外的手机卡号付费,GSM相关芯片的成本也高;（2）部分系统不能支持远程连接控制,比如基于蓝牙或Zigbee协议的控制系统;（3）现有系统一般需要特定的手机系统,比如客户端需要安装在iOS或Android系统,如果用户使用黑莓或Symbian就无法进行控制;（4）协议或是控制方式不能在家电间通用,比如远程控制空调和远程控制热水器使用的不同的系统。
附图说明
图1为互联网远程控制插座系统的架构图，图2为互联网远程控制插座系统的硬件总体框架，图3及图4为插座系统的电源电路图，图5为继电器驱动电路的电路图，图6为软件初始化流程图，图7为开关扫描流程图，图8为网页显示过程流程图。
具体实施方式
本发明所述系统的工作流程如图1，结合路由使用即可实现通过局域网控制家电开关，如果路由具有外网IP地址，且具有端口映射功能，即可以通过因特网控制家电开关。
本发明所述系统插座部分如图2（以带有3个插孔的插座为例），由核心主控制部分、网络解析部分、电源电路部分、模式切换开关部分、继电器驱动部分和计算机端的软件部分组成。其结构包括STM32单片机、继电器、继电器驱动电路，网络处理芯片、电源电路、开关等电子元器件。
当本插座通电后，其会执行一系列的初始化具体流程为将系统时钟配置为72M并初始化基本系统，接着初始化定时器、flash操作ADC转换网络参数ENC28J60的SPI接口，之后将网络服务运行在单片机的前后台系统上（如图6）。
插座每隔20毫秒会扫描一次开关状态，通过开关引脚有状态来确定当前的模式（当前双控开关的状态），如果引脚状态为高，则为智能模式（此时双控开关被拨到“智能模式”这一边）,初始化设定关闭所有插口（之后各个插口的开关可以根据指令变化）。若引脚状态为低，则为直通模式（此时双控开关被拨到“直通模式”这一边）,默认开启所有插口，并忽略插座的网络请求，如图7。
插座会从flash中读取用户新设定的网络信息（内外网IP地址、端口号、域名），并将其写入网络服务程序。如果flash相应位置没有数据，则会使用插座默认的IP地址及端口号。
插座通过解析URL地址来判断不同指令（比如，解析192.168.1.240/X中X的值，根据X取值的不同执行对应的打开／关闭插口或刷新温度的操作）。
插座的控制网页包含标题、插座控制、温度控制和提示四个部分。显示网页时插座会将对应的HTML代码发送至上网终端的TCP缓冲区，其中插座控制部分会根据插座各个插口的状态（存储在一个变量里，流程图用SWn表示插口n的读数）发送对应插孔的HTML代码（比如SW1读数为1，则表示插孔1是打开的，此时会发送“插座状态:开,插座选项:关闭插孔1”的HTML代码），如图8即表示3个插孔下的发送判断。
计算机端IP设置软件可以在与插座处于同一个子网的模式下，通过向插座发送特定格式的数据包以写入用户自定义的网络参数。同时其可以通过互联网上的IP查询服务自动获取本机外网IP，具体过程为在特定的IP服务页面上截取含有IP地址的HTML。
Claims (1)
1.一种互联网远程控制插座系统，其特征在于，所述插座系统由核心主控制部分、网络解析部分、电源电路部分、模式切换开关部分、继电器驱动部分和计算机端的软件部分组成；其结构包括单片机、继电器、网络处理芯片、隔离地变压器、电源电路开关，各个模块间通过插接件互相连接；
（1）所述核心控制部分采用的单片机为STM32F103C8T6，其工作电压为2.0～3.6V，拥有64KB flash,20KRAM,采用LQFP48封装；
（2）所述网络解析部分，使用的是ENC28J60以太网模块和HR911105A网口，ENC28J60符合IEEE 802.3 的全部规范,采用包过滤机制对传入数据包进行限制，还提供一个内部 DMA 模块,以实现快速数据吞吐和硬件支持的 IP 校验和计算；
（3）所述电源部分，电源采用220V 转12V、3.3V 的开关电源模块；3.3V 给和网络电路供电，12V 给继电器供电，并做了隔离地处理即数字地与模拟地隔离，防止继电器开关时对主电源的干扰；
在智能插座中，存在模拟信号即继电器控制信号与数字信号即单片机控制信号，而数字信号一般为矩形波，带有大量的谐波，如果电路板中的数字地与模拟地没有从接入点分开，数字信号中的谐波很容易会干扰到模拟信号的波形，而且电路损耗的电压即数字信号电流+模拟信号电流X走线电阻也会增加，故将数字地与模拟地隔离有利于插座的工作；
（4）所述模式切换开关部分，插座有一个实体的双控开关，分为对应智能插座的两种模式：智能模式和直通模式，在智能模式下,各个插口的开关可以根据指令变化，即可通过登录插座系统的小型WEB服务器通过网页打开或关闭某个插口，在直通模式下,开启所有插口，忽略网络开关控制指令，即三个插口处于打开状态且无法通过网页打开或关闭某个插口；
（5）所述继电器驱动部分，使用3路继电器分别控制三个插口,每个继电器最大输入电压为250V，最大输入电流为10A；控制电路采用PC817光电耦合器来隔离信号,防止干扰,使用D3、D5、D7三个二极管来消除继电器反向电压,保护三极管；
对于控制电路来说，继电器的线圈是一种电感性负载，当流过电感的电流被突然切断时，会产生很高的瞬间电压，这个电压可以造成控制电路的其它元件损坏，受到线圈寄生电容的影响，电压波形为一个衰减的正弦波，其频率由电感和寄生电容决定，并通过连接导线形成传导骚扰和辐射骚扰，因此，采用反向二极管并连继电器两端的方式来抑制继电器开合时产生的间脉冲信号对电路有比较有效的保护作用。
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