基于Arduino UNO的智能插座設計論文
智能插座是智能家居的重要組成部分。設計的智能插座以Arduino UNO為核心，由處理器模塊、以太網通信模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊、電能傳感模塊、繼電器模塊等組成，可使用手機APP進行遠程開關控制，實現即時控制、定時控制、過流過壓控制等功能。
1 概述
智能插座是智能家居的重要組成部分，在完成插座的分配單路或者多路電源的基本功能的基礎上，還具有智能化的特點。
本文設計了一種以Arduino UNO為核心的智能插座，可以實現通過因特網使用手機APP對插座進行遠程控制和狀態監測，同時也具備與其它智能家居系統有機結合進行聯動的能力。
2 智能插座的硬件系統
智能插座的硬件系統由處理器模塊、以太網通信模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊、電能傳感模塊、繼電器模塊等組成，如圖1所示。
2.1 處理器模塊
本智能插座使用以Arduino UNO單片機組件為核心的處理器模塊。處理器采用ATmega328處理器，擁有14路的I/O口，其中6路為mini輸入接口，另外6路用于PWM輸出。Arduino UNO有一個16MHz的晶振和一個用來復位的按鍵，提供一個電源插孔和一個USB接口，另外還有一個ICSP header。
Arduino UNO 可以通過不同的的傳感器對環境感知測量，電路板上的微控制器能夠通過編程寫入程序，以二進制的形式燒寫到單片機的微控制器中。基于Arduino 單片機來設計的設備可以只采用Arduino 單片機一種獨立模塊，當然也可以搭配一些其他的在電腦上運行的軟件。
2.2 以太網模塊
以太網模塊采用W5100以太網模塊。此模塊是一款擁有多功能的`單片網絡接口芯片，內部集成有 10/100Mbps 以太網控制器。主要應用于高集成、高穩定、高性能和低成本的嵌入式系統中。使用 W5100 可以實現沒有操作系統的 Internet 連接，可以與 IEEE802.310BASE-T和 802.3u 100BASE-TX兼容。
2.3 Wi-Fi模塊
Wi-Fi模塊是基于Uart接口的符合Wi-Fi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口或TTL電平數據到無線網絡之間的轉換。
2.4 繼電器模塊
繼電器是自動化領域最常用到的一種弱電控制強電的電器設備。本智能插座設計使用的是信號繼電器，一個三極管來驅動繼電器。在繼電器電路內部線圈兩端添加二極管來吸收線圈斷電情況下所產生的反電勢，以達到防止干擾的目的。上圖中AB為常開觸點，AC為常閉觸點。
2.5 電源模塊
電源模塊將市電轉換為電壓為5V的直流電，為各個系統提供電源。智能插座的電源系統要求對電網質量適應性強、工作穩定、體積小。本次設計采用的是以7805為核心的電源變換模塊，最大輸出電流為1A。
電源部分還設計了USB充電功能，可以為手機等設備充電。
2.6 電能傳感模塊
電能傳感模塊的設計以ADE7755為核心，在保證低成本、小體積的同時，又具有高精度和高可靠性，其技術指標超過了IEC1036規定的要求。在工作時，ADE7755通過兩個16位二階-△模數轉換器(ADC)將電壓和電流信號數字化，將電流和電壓的瞬時信號直接通過內部乘法器得到瞬時功率信號，該信號經頻轉換器得到與平均有功功率成正比的頻率信號，經CF引腳輸出。
3 軟件設計
智能插座軟件設計分為Arduino UNO編程設計和手機APP設計兩部分。
3.1 Arduino UNO編程設計
Arduino UNO軟件開發采用C語言進行編程，使用Arduino IDE1.05進行編譯，USB轉串口線連接計算機進行燒寫。
軟件系統包括網絡配置程序、網絡數據接收程序、繼電器控制程序、電能傳感接收程序、充電控制程序等。網絡配置程序將智能插座與因特網連接。繼電器控制程序根據手機APP發出的指令、或者電能傳感接收的狀態控制繼電器開關。電能傳感接收程序讀取電能傳感器檢測到的經過A/D轉換的電流、電壓值，并將該數據傳送到處理器中，處理器將該數據與預設的電流、電壓閾值進行比較。網絡數據接收程序通過W5100以太網模塊接受來路由器上的DHCP服務器的數據，進行網絡配置。
3.2 手機APP設計
智能插座聯網后，Arduino UNO具備網絡服務功能，可以通過APP直接讀取繼電器狀態、電流電壓數值等智能插座的各種狀態信息，也可以向處理器發送控制指令。本次設計只設計了基于Andriod的APP，采用Eclipse進行開發。
主要由用戶身份認證、智能插座連接、智能插座狀態指示、開關控制、定時控制等功能模塊組成。
用戶身份認證通過集中的服務器平臺認證用戶身份;智能插座連接將APP和Arduino UNO的服務器連接，實現數據讀取和控制;智能插座狀態指示顯示插座上每一路插孔的開關狀態，點擊該指示，可以進行狀態轉換，實現手動控制。為防止誤操作，改變插座開關狀態時，需要進行一次確認。定時控制功能可以設置每一路插座通斷時間，實現計劃供電。
4 設計總結
本設計只是實現了智能插座的基本功能。未來還要在小型化、集成化、穩定性等方面進行改進。同時，基于電力的網絡連接、集中式的插座控制和狀態和檢測、用電量的大數據分析等功能也可以在此基礎上實現。另外，系統信息安全保護也要充分考慮。
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