一种无线智能插座设计与开发

【摘 要】本文研究了一种无线智能插座，详细阐述了该方案的软硬件设计。无线发射器采用CS5211作为编码芯片，采用ASK方式进行315MHz的无线调制；接收器采用超外差式的315MHz无线接收模块接收信号，采用了STC15W204S作为主控制器，完成编码信号的解码及控制，通过电磁继电器实现插座的通断电。该插座可以广泛应用于家用电器设备当中，通过无线遥控切断待机电源，有效节省了待机功耗。

【关键词】无线智能插座；CS5211；STC15W204S；超外差式；解码

Design and Development of AnIntelligent Wireless Remote Controlled Outlet

GE Hai-jiang JIN Ye-dong CHEN Yi-lun， SUN Liang-cheng ZHANG Yu-ting

（Department of Communication and Electron， Hangzhou Vocational & Technical College， Hangzhou Zhejiang，310018，China）

【Abstract】An intelligent wireless remote controlled outlet was studiedby elaborating on this remote controlled outlet. The signal code achieved bya code CS5211 chip atthe wireless transmitter， accompanied withthe wireless signal modemof 315MHz ASK mode.Thewireless receiverreceived signals by usingthe 315MHzsuperheterodynewireless module. The decoding of the encoded signal and the pull-in and release ofelectromagnetic relays were implemented bythe main controllerSTC15W204S.The outletcan effectively save power by the mode of cutting off the standby power， and can be widely used in household appliances.

【Key words】Intelligentwireless remote controlled outlet；CS5211；STC15W204S；Superheterodyne；Decoding

0 引言

据调查，我国家电待机现象十分普遍，有近七成的家庭使用家电后不关闭电源，三成多市民甚至不知道待机也会耗电。电器长期待机有以下三个问题：其一，耗费电能惊人，据统计电器关机没拔插头全国每年待机浪费电量高达180亿度，相当于3个大亚湾核电站年发电量。家里常用家电的待机能耗加在一起，相当于开着一只30至60瓦的长明灯，一般1天待机16小时左右，1～3天即浪费1度电。其二，意外事故频频发生，究其原因，除了插座质量不过关以外，另一个重要原因即是处于长期通电状态下的电器，存在安全隐患，待机时间一长，导致超负荷工作而发生危险。其三，降低电器使用寿命，电器长时间待机，会导致线路老化，缩短各类电器的使用寿命，变相增加了使用电器的成本。鉴于此，本文设计的一种无线智能插座，可以有效地杜绝待机功耗，同时通过无线控制，使用方便。文中将详细阐述该方案的软硬件设计。

1 硬件设计

无线智能插座有两部分：无线遥控器和无线接收器电源插座

1.1 无线遥控器设计

无线遥控器采用CS5211编码芯片实现按键信号的编码，振荡电阻为2.7M，无线通讯载波频率315MHz，工作方式为ASK调制，高频三极管采用MPSH10，共设置了6个按键，其中4个按键实现单路插座开与关，剩余两个实现全开全关功能。其中地址位设置了8位（A0～A7），数据为4位（D0～D3），在全开和全关按键编码设置中，采用了1N4148二极管，利用二极管的单向导电性，在每个按键上分别正向连接两个1N4148，然后各自连接到对应的数据端口。各个按键的数据编码如表1所示，发射器采用23A，12V的电池供电，CS5211的具体应用电路可参考它的数据手册。

表1 无线遥控器各个按键的编码

1.2 无线接收器电源插座设计

无线接收器电源插座采用220V交流供电，电路中通过阻容降压[1]、桥式整流、滤波、10V稳压管电路稳压、78L05三端稳压，得到5V的直流电源，给无线接收模块和单片机供电；插座采用三孔式，通过4路继电器控制实现4个插座一端的220V火线供电，4个插座的另外一端全部连接到220V的零线上，各个插座的接地端子连接到电源插头的地线上。无线信号接收采用315MHz的超外差式接收模块[2]实现，电路原理图如图1所示。

图1 4路无线接收器电源插座电路原理图

2 软件设计

无线遥控器发出的数据编码次序为：地址码（A0～A7），数据码（D3～D0）和同步位。

编码方式如图2所示[3-4]，当振荡电阻为2.7M时，Tf1≈77.6us，4 Tf1= 310us，电阻越大，振荡周期越大，一组完整的数据总时间为512 Tf1=39.68ms，设计中，将A0～A3引脚悬空，A4～A7接地，这里将A0～A3对应的编码作为帧前码。CS5211编码芯片数据发送一次，连续发出4帧同样的数据。

图2 CS5211数据编码示意图

无线接收器电源插座的主控单片机的工作频率为12MHz，不用外部晶振，采用内部RC振荡方式实现，设置P1端口的4个数据输出口为强推挽模式：P1M0=0x3C； P1M1=0x00，采用定时器0实现定时功能，使用中断方式控制，定时周期为10ms。

无线接收器电源插座程序流程图如图3，图4所示。

2.1 记录无线编码信号高电平脉冲宽度

STC15W204S[5]单片机工作在12MHz时，对12Tf1高电平时间脉宽进行测试，得到计数值为320。采用无符号整型数组存储脉冲宽度计数值，低电平数据时不存储，高电平存储，数组长度为50，将接收到的无线信号依次存储到数组中，数组长度50至少可以保证一组完整的有效数据。

图3 无线接收器电源 图4 10ms定时器0

插座软件流程图 中断服务程序

2.2 数组中的脉宽计数值转换二进制值

从数组中0序号开始依次选择32组数进行判断，这里设置的信号宽度值：signal_width=280，大于280为二进制值1，小于等于280为二进制值0。将32个二进制值，依次存储到wireless_data的数组4组数中，其中wireless_data[0]存储bit_width数组中前 8个数对应的二进制值，bit_width[0]对应的二进制值存在最高位。

2.3 通过移位操作，将帧前码移到最高位

根据wireless_data的数组的4组数，计算result=wireless_data[0]*0x1000000+wireless_data[1]*0x10000+wireless_data[2]*0x100+wireless_data[3][6]；判断result的高8位是否为0x55，否则左移1位result；如果在小于25移动次数内，出现0x55，记录移到的次数K，将bit_width数组的数（序号0开始标号）从第K个开始将脉宽计数值转换二进制值，方法参照2.2节，得到新的wireless_data数组的4组数，转换后将得到wireless_data[0]=0x55， wireless_data[1]=0x00， wireless_data[2]为按键的有效数据。

2.4 数据处理及控制

在软件设计中，连续两次收到一样的有效数据后，根据相应的编码信号，实现相应的控制功能，同时开启定时器0计时，采用wireless_data[2]的编码信号如表2所示。

如果在60～200ms一直内都有收到数据，则认为按键是一直被按住，通过置timer_flag标志位，屏蔽后面收到的数据。

如果在210ms没有接收到数据，则认为按键已经都松开，关闭定时器0，恢复所有标志位，计数值都清0。

表2 wireless_data[2]的16进制编码

3 结论

采用CS5211编码芯片+ASK无线调制方式实现无线遥控器，无线信号接收采用315MHz的超外差接收模块实现，采用这种控制方式，实现方法简单，同时成本较低，本设计的无线智能插座遥控距离大于15m。无线接收器插座采用STC15W204S作为主控器，采用单片机实现解码比采用解码芯片实现，控制上更加灵活，若编码芯片的振荡周期发生变化，只要调节信号宽度值signal_width 即可。该无线智能插座可以广泛应用在家庭、企业与社会当中，通过无线控制切断待机设备的电源，使用方便，能有效消除用电设备的待机功耗。

【参考文献】

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