基于RFID的智能型安全插座

摘要：由于傳統(tǒng)插座不能夠?qū)崿F(xiàn)超過額定電流斷電功能，本文從RFID無線射頻技術(shù)以及用電器插頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，以 STC12C5A60S2單片機(jī)為處理器，結(jié)合電流互感器、LCD1602顯示模塊以及電子標(biāo)簽，設(shè)計(jì)一種基于RFID的智能型安全插座，與帶有記錄額定電流的電子標(biāo)簽的用電器插頭配套使用。當(dāng)用電器的電流超過用電器的額定電流時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭線路的保護(hù)。

近年來，因家用電器引起的火災(zāi)事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)公安消防局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，每年我國因?yàn)殡娖骰馂?zāi)發(fā)生的事故都超過30 000起，其中由家用電器故障引起的火災(zāi)占到火災(zāi)事故總數(shù)的20%以上。然而，國內(nèi)插座自動(dòng)斷電效果并不明顯，例如，傳統(tǒng)插座的自動(dòng)斷線是依靠插座內(nèi)部自帶的保險(xiǎn)絲，在用電器超過其額定電流而沒有超過保險(xiǎn)絲的熔斷電流值時(shí)，用電器因短路而自燃;定時(shí)插座依靠設(shè)定自動(dòng)斷電的時(shí)間，讓插座在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電的功能，但沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)用電器的電流值;功率測(cè)量插座可以對(duì)用電器實(shí)時(shí)的功率進(jìn)行測(cè)量并且可以設(shè)定自動(dòng)斷電的電流值，但不能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)用電器實(shí)時(shí)電流值。所述的插座不能夠根據(jù)各種用電器的額定電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)斷電。

針對(duì)上述問題，文中設(shè)計(jì)一種基于RFID的智能型安全插座，采用電子標(biāo)簽嵌入在各用電器插頭中，通過RFID無線射頻技術(shù)讀取電子標(biāo)簽額定電流值，采用電流互感器模塊實(shí)時(shí)測(cè)量交流電流值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能。

1 系統(tǒng)概述與結(jié)構(gòu)

當(dāng)各用電器的電子標(biāo)簽進(jìn)入插座RFID閱讀器的讀寫區(qū)域，RFID閱讀器將信號(hào)反饋到微控器STC12C5A60S2，微控制器通過 LCD1602顯示模塊顯示電子標(biāo)簽各用電器的額定電流值，并且實(shí)時(shí)通過A/D轉(zhuǎn)換與電流互感器模塊讀取當(dāng)前各用電器實(shí)時(shí)的電流值。當(dāng)用電器實(shí)時(shí)的電流值超過電子標(biāo)簽上的額定電流值時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭電路的保護(hù)功能并且有效的避免火災(zāi)的發(fā)生。圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

微控制電路：由STC12C5A60S2微控制器、RFID閱讀器、電流互感器模塊、LCD1602顯示模塊與繼電器構(gòu)成。

用電器插頭結(jié)構(gòu)：各種用電器插頭依附標(biāo)志著各種用電器額定電流的電子標(biāo)簽。

2 微控制硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

微控制器是微控制電路的核心，微控制電路要求低功耗且抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)要能夠通過A/D轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)讀取電流互感器模塊。本文采用宏晶公司的STC12C5A60S2，工作正常電壓在3.5～5.5 V范圍內(nèi)，滿足低功耗要求。

2.2 RFID閱讀器模塊

本文采用NXP公司MFRC522高度集成的非接觸式IC讀寫卡芯片，工作正常電壓在2.5～3.3 V范圍內(nèi)，無需外部電路并且支持SPI接口，滿足電路工作要求。

2.3 電流互感器模塊

文中采用思修電子工作室SX—AC—A05交流電流互感器模塊，測(cè)量額定電流在0～5 A范圍內(nèi)，測(cè)量時(shí)只需將被測(cè)信號(hào)導(dǎo)線穿過互感器圓孔，并且具有體積小與精度高的特點(diǎn)，適用于電力測(cè)量與保護(hù)。

2.4 電源管理模塊

系統(tǒng)采用24 V電源適配器對(duì)電流互感器模塊進(jìn)行供電，經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器LM7812與LM7805降壓為5 V為微控制器STC12C5A60S2供電，再經(jīng)過AMS1117降壓為3.3 V為RFID閱讀器進(jìn)行供電。

3 插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽選用非接觸式IC卡并且存儲(chǔ)各用電器額定電流值，將電子標(biāo)簽嵌入各種用電器插頭，圖2為用電器插頭示意圖。

4 軟件設(shè)計(jì)

初始化微控制器端口、RFID閱讀器、LCD1602顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換以及定時(shí)器，當(dāng)附有電子標(biāo)簽插頭進(jìn)入RFID閱讀器讀寫區(qū)域時(shí)，RFID閱讀器將信號(hào)反饋到微控制器，微控制器讀取電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的額定電流值，通過LCD1602顯示模塊顯示用電器的額定電流值并且開啟繼電器。當(dāng)用電器開啟工作后，微控制器通過電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)用電器的工作電流值。當(dāng)用電器工作電流值超過額定電流值時(shí)，微控制器立即關(guān)閉繼電器停止供電。圖3為主程序流程圖。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)電壓為交流電220 V，智能型安全插座與福祿克型號(hào)17B的數(shù)字萬用表對(duì)各用電器的工作電流進(jìn)行測(cè)量，共實(shí)驗(yàn)5次，記錄各測(cè)量電流值，計(jì)算智能型安全插座與實(shí)測(cè)電流值的誤差結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過上述測(cè)試，可知基于RFID的智能安全插座的測(cè)量電流的平均相對(duì)誤差為3.412%。從上述實(shí)驗(yàn)可得基于RFID的智能安全插座的電流測(cè)量效果好，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭線路的保護(hù)。

6 結(jié)論

文中針對(duì)傳統(tǒng)插座不能夠?qū)崿F(xiàn)超過額定電流斷電功能，從RFID無線射頻技術(shù)以及用電器插頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，將電子標(biāo)簽嵌入各用電器插頭結(jié)構(gòu)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同的用電器進(jìn)行智能斷電功能，從而保護(hù)用電器與家庭用電線路。本文分別從微控制硬件電路設(shè)計(jì)、插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面闡述基于RFID 智能型安全插座的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)過程。本設(shè)計(jì)解決傳統(tǒng)插座不能夠智能斷電的問題，解決用電器的短路問題，從而避免了因家用電器短路而引起的火災(zāi)。