王浩 權(quán)燕妮 劉皇

摘要：針對(duì)當(dāng)前插座無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，導(dǎo)致家用電器待機(jī)造成電能浪費(fèi)和安全隱患的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ESP8266芯片的Wi-Fi智能插座。該插座經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到云平臺(tái)，可以使用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并定時(shí)設(shè)置智能插座開(kāi)關(guān)。除此之外還設(shè)計(jì)了電能計(jì)量功能和紅外遙控功能。

關(guān)鍵詞：ESP8266;電能計(jì)量;紅外遙控;定時(shí)

引言

隨著智能設(shè)備的普及和電子信息科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人們?cè)谏钪袑?duì)于電子設(shè)備和電子產(chǎn)品的使用有了更高的需求和依賴(lài)性，其中插座作為生活中能源控制的一個(gè)開(kāi)關(guān)，控制著用電設(shè)備的電能傳輸。若插座不能及時(shí)關(guān)閉，將導(dǎo)致用電設(shè)備的長(zhǎng)期待機(jī)，進(jìn)而浪費(fèi)電能，引發(fā)安全隱患。人們的生活節(jié)奏逐漸加快，面臨的事情日益增多，越來(lái)越多的瑣事充斥著人們的生活，手機(jī)已成為當(dāng)代人類(lèi)必不可少的隨身攜帶物，因此，忘記關(guān)插座的情況屢見(jiàn)不鮮。許多年輕的上班族、退休的老年人將出門(mén)前需要斷電等基本做法拋之腦后，往往出門(mén)后才想起家中并未斷電，很多人為此折返回家中，浪費(fèi)時(shí)間的同時(shí)造成了電能的浪費(fèi)，而其中存在的安全隱患我們可想而知。本文針對(duì)此想象，設(shè)計(jì)基于Wi-Fi控制的智能插座，正是為解決不能實(shí)時(shí)監(jiān)控插座而做出的解決方案，換言之，此方案致力于完成智能開(kāi)關(guān)插座的設(shè)計(jì)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能城市建設(shè)加快，基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)全覆蓋的進(jìn)程，Wi-Fi技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步的促進(jìn)了智能終端的發(fā)展，特別是智能手機(jī)在日常中作用越來(lái)越大，基本家家戶(hù)戶(hù)都有Wi-Fi熱點(diǎn)，任何人的手機(jī)都可以隨時(shí)隨地通過(guò)熱點(diǎn)上網(wǎng)，緊跟這種趨勢(shì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Wi-Fi控制的智能插座，該插座將Wi-Fi技術(shù)與智能終端連接。通過(guò)智能終端發(fā)送命令來(lái)操控插座，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控插座。

1、智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能插座的結(jié)構(gòu)包含Wi-Fi通訊模塊、電能采集模塊、紅外線(xiàn)控制模塊、繼電器模塊。

插座的CPU控制模塊兼Wi-Fi通訊實(shí)現(xiàn)使用ESP8266Wi-Fi芯片，ESP8266 芯片是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)芯片，能夠獨(dú)立運(yùn)行在實(shí)現(xiàn)通訊的同時(shí)還可以作為CPU使用，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行，可以連接到云端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制，搭載紅外設(shè)備可以紅外遙控，體積小巧，適合插座的制作。

插座的電能采集模塊要求數(shù)據(jù)具備高精度性的特點(diǎn)，其同樣是插座的核心部分之一，本文中電能采集模塊采用的是IM1281B交流電量測(cè)量模塊，該測(cè)量模塊的精度可達(dá)到國(guó)家一級(jí)精度，比起家用二級(jí)電表更精確。

用戶(hù)通過(guò)Wi-Fi通訊模塊可以設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)用電器的電源，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)將電源自行斷開(kāi)，同樣可以隨時(shí)隨地在遠(yuǎn)程開(kāi)啟或關(guān)閉插座電源。智能插座控制器還可以通過(guò)電能采集模塊對(duì)用電器的電能及功率等相關(guān)電能數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，判斷電器用電情況，操縱繼電器來(lái)控制電源的開(kāi)關(guān)情況。通過(guò)記錄電器的總用電量，顯示當(dāng)前已消耗電能。方便用戶(hù)了解各電器的耗電情況。此外插座添加了紅外線(xiàn)收發(fā)裝置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)Wi-Fi通訊模塊可對(duì)家中紅外設(shè)備用電器的開(kāi)關(guān)閉合進(jìn)行操控，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能家居多方面控制家電的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2、硬件設(shè)計(jì)

2.1Wi-Fi通訊連接設(shè)計(jì)

ESP8266是樂(lè)鑫公司生產(chǎn)的低功耗WI-FI芯片，內(nèi)置32位CPU，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行，可以廣泛應(yīng)用于智能家居、無(wú)線(xiàn)傳感器等領(lǐng)域。同類(lèi) ESP8266芯片種類(lèi)有很多，本文采用ESP8266-12p芯片，該芯片有效通訊距離400 m波特率支持范圍：110～115200*40，采用TCP協(xié)議保障傳輸過(guò)程的安全可靠，控制模塊同樣為ESP8266Wi-Fi模塊，該芯片可搭載應(yīng)用，除此之外其也是設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。通過(guò)使用DOIT LOT云平臺(tái)，來(lái)對(duì)Wi-Fi模塊ESP8266實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的互聯(lián)網(wǎng)操作，通過(guò)獲取‘key’的方式進(jìn)行連接，開(kāi)發(fā)環(huán)境支持Arduino ide對(duì)ESPduino開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建，連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)使用TCP通訊方式連接數(shù)據(jù)，既可靠又能保證其安全，在該芯片運(yùn)用上不僅可以實(shí)現(xiàn)與DOIT LOT云平臺(tái)互聯(lián)，根據(jù)其兼容性，還可制作相關(guān)的App，達(dá)到與無(wú)線(xiàn)模塊通訊、連接的目的。

該芯片使用方便且構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于Wi-Fi智能插座的設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)Wi-Fi板開(kāi)發(fā)，省去了買(mǎi)Wi-Fi模塊和擴(kuò)展板的費(fèi)用。該芯片強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)了最低前期的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源?？梢酝瑫r(shí)兼顧體積和靈活性。

2.2電源設(shè)計(jì)

LNK304設(shè)計(jì)的AC-DC非隔離電源，L與N分別是交流火線(xiàn)與零線(xiàn)，以零線(xiàn)作為地線(xiàn)。此電路無(wú)需外加變壓器，穩(wěn)壓5V，可以提供150mA左右的電流，啟動(dòng)和操作電源直接從引腳D加入，在降壓（Buck）和回掃（Flyback）變換器等拓?fù)渲校恍枰秒娫措娐?。適用85～265V的全球交流供電線(xiàn)路。能夠保證在A(yíng)C85V～265V的交流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，紋波也很小，在50mV左右。

2.3插座計(jì)量電路

如圖所示通過(guò)使用IM1821B模塊，屬于單行交流電能計(jì)量模塊，模塊準(zhǔn)精度可達(dá)到國(guó)家1級(jí)標(biāo)準(zhǔn);通常情況下可以測(cè)量45～65Hz的交流電壓、電流功率等電氣數(shù)據(jù)，使用串口通信MODBUS通訊規(guī)定條約進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

2.4顯示模塊

顯示模塊使用0.96寸OLED作為顯示屏，工作電壓為5V，可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的顯示和體積的大小要求，MCU將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到OLED即可完成顯示，操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。

2.5 繼電器模塊

單片機(jī)是一個(gè)弱點(diǎn)元件，驅(qū)動(dòng)電流在毫安級(jí)以下，需要用繼電器作為功率驅(qū)動(dòng)元件，如圖所示。

開(kāi)關(guān)K處于插座接線(xiàn)端子的最前端，保證負(fù)載電壓或電流出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)切斷電源，保證電器的安全。

2.6紅外收發(fā)模塊

紅外遙控是利用近紅外光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N控制方式。近紅外光波長(zhǎng)0.76um～1.5um，紅外遙控收發(fā)器件波長(zhǎng)一般為0.8um～0.94um，具有傳輸效率高，成本低且電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)等優(yōu)良特點(diǎn)，在家用電器上被廣泛使用。在ESP8266的外圍Io電路上只需要添加上一對(duì)紅外對(duì)管，收到控制指令后，將在紅外線(xiàn)編碼庫(kù)中向外發(fā)送與之相應(yīng)的紅外線(xiàn)編碼，即可控制紅外遙控設(shè)備。

3、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行軟件環(huán)境的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)主板與云端正常連接通訊后，需保障模塊之間的良好通信和繼電器電路的正?？刂疲瑫r(shí)為插座添加掉電保存的功能，防止用戶(hù)定時(shí)開(kāi)關(guān)過(guò)程中插座定時(shí)控制功能掉電失效。圖4為系統(tǒng)流程圖。

因在設(shè)計(jì)中通訊模塊和控制處理模塊是同一塊芯片，并且還可以獨(dú)立運(yùn)行。在程序燒錄完成，先對(duì)ESP8266進(jìn)行初始化，第一步確定無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的正?；捎诿恳豁?xiàng)數(shù)據(jù)的上傳和顯示要求精確可靠性，第二步云端連接后，用芯片獲取網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前時(shí)間在使用中斷定時(shí)器下，用戶(hù)通過(guò)設(shè)定時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)對(duì)插座用電器的控制，第三步將對(duì)繼電器紅外收發(fā)管等外部電路完成狀態(tài)初始化。

上電初始化之后，開(kāi)始功率、電流、電壓脈沖的周期測(cè)量，如果測(cè)量完成之后，進(jìn)行功率、電流、電壓計(jì)算，如果是正在校準(zhǔn)，需要將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到EEPROM。手機(jī)終端的按鍵處理主要包括開(kāi)或關(guān)插座電源，定時(shí)設(shè)置插座通斷的時(shí)間。

4、測(cè)量數(shù)據(jù)

在實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件的設(shè)計(jì)之后，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量和調(diào)試，將智能插座和普通插座同時(shí)在相同電器下進(jìn)行了15天的實(shí)際投入使用，兩插座的數(shù)據(jù)均由WFLC-E便攜式電量記錄分析儀勘測(cè)電氣數(shù)據(jù)，智能插座的電能使用顯示和電表勘測(cè)值誤差±5，表格1是實(shí)驗(yàn)比較數(shù)據(jù)展示（數(shù)據(jù)按整數(shù)處理）。

5、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要使用到了Wi-Fi通信模塊和電量測(cè)量模塊。兩大模塊最為重要的是數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程控制的功能實(shí)現(xiàn)。本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是智能插座，設(shè)計(jì)需要小巧玲瓏、方便快捷，對(duì)于模塊的體積復(fù)雜程度和成本的高低有著極高的要求，經(jīng)過(guò)大量的查閱和實(shí)踐便可以得到最佳的使用模塊和設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)完成還需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行誤差修正和程序上的優(yōu)化，這些工作需要大量的時(shí)間和耐心進(jìn)行鉆研，唯有不斷嘗試和持之以恒才可以設(shè)計(jì)出最好的方案。在將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型后，經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試、檢驗(yàn)、證明了該設(shè)計(jì)方案可行性和合理化，并具有科學(xué)性、創(chuàng)新性、實(shí)用性等特點(diǎn)。初期做出的產(chǎn)品已經(jīng)具有了本設(shè)計(jì)的特征要求，在后期優(yōu)化時(shí)按照設(shè)計(jì)技術(shù)的指標(biāo)要求，進(jìn)一步進(jìn)行了系統(tǒng)的細(xì)節(jié)優(yōu)化，比如繼電器的通斷速度、負(fù)載能力、功耗等。智能插座的使用給人們的生活帶來(lái)了極大便利，它在普通插座上添加了智能化功能，延長(zhǎng)了家用電器的使用壽命、豐富了插座的功能性。有物聯(lián)功能的智能插座更是一個(gè)智能化發(fā)展的趨勢(shì)，并迎合了現(xiàn)代科技發(fā)展的環(huán)保節(jié)能需求，且智能插座的使用可以有效的降低室內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的概率，極大地提高了日常生活用電的安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃建燈.《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》教學(xué)改革探討[J].電子世界，2012（23）：172-173.

[2]基于ESPDuino的智慧物聯(lián)開(kāi)發(fā)寶典：

[3]張凱，單慶曉，翁飛兵.新型數(shù)字節(jié)能功率分配型智能插座的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用， 2009（7）：90-93.

[4]卜曉曉.基于A(yíng)ndroid和Wi_Fi的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].鎮(zhèn)蘇：江蘇大學(xué)，2016.

[5]PowerIntegratonsCom.LNK302/LNK304-306 Link SwitchR-TN Family Off-Line Switcher IC.2005（3）.

[6]郭庭熙. 基于單片機(jī)的電能計(jì)量插座設(shè)計(jì)[D]. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 2016.

[7]屈東東劉素梅吳金杰李陽(yáng)王傳忠. 群養(yǎng)奶牛體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 2016.

[8]劉奧川詹琳. 智能插座的設(shè)計(jì)[D]. 安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 2016.