張琥石 林偉龍 鄧日練 韋鴻深 楊發(fā)柱 陳潔 覃延帥 盧欣

摘 ?要： 物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計算模式，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被越來越多地應用到人們的生活當中。該文旨在介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)控直流電壓源。用戶可以使用手機、平板電腦等終端平臺，通過英特網(wǎng)遠程控制電源開關(guān)，遠程調(diào)控、遠程查詢輸出電壓值，實現(xiàn)對電源的遠程管理。這項技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)與電源設(shè)計結(jié)合起來，滿足目前各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的供電需要。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控電壓源; 物聯(lián)網(wǎng); 英特網(wǎng); 開關(guān)控制; 輸出電壓查詢; 遠程管理

中圖分類號： TN711?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0033?04

Design of IoT digital control DC voltage source based on ESP8266 WiFi module

ZHANG Hushi， LIN Weilong， DENG Rilian， WEI Hongshen， YANG Fazhu， CHEN Jie， QIN Yanshuai， LU Xin

（School of Biomedical Engineering， Guangxi Medical University， Nanning 530021， China）

Abstract： Internet of Things （IoT） is the fourth generation computing mode after Internet， which represents the information development technology of the next generation. The IoT technology has been more and more applied to our lives. An IoT digital control DC voltage source based on ESP8266 WIFI module is introduced in this paper. Users can use terminal platforms such as mobile phone， tablet computer to execute remote control of power supply switch， remote regulation and control， and remote query of output voltage values by means of Internet， and achieve remote management of power supply. This technology can meet present power supply demands of all kinds of IoT products by combining IoT with power supply design.

Keywords： digital control voltage source; Internet of Things; Internet; switch control; output voltage query; remote management

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計算模式，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，被稱為下一個萬億級產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)已列入國家發(fā)展戰(zhàn)略，它的應用將涉及未來社會的各個行業(yè)領(lǐng)域[1]。因此，在此時代大背景下，本文介紹一款基于ESP8266 WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)控直流電壓源，可通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠程調(diào)整輸出電壓值，遠程監(jiān)控當前電壓值，對電壓源實現(xiàn)遠程管理，滿足目前各類物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的供電需要。

1 ?總體設(shè)計

本設(shè)計的設(shè)計框圖如圖1所示。該設(shè)計中電壓源采用12C5A60S2單片機作為控制芯片，輸出8位數(shù)字量通過D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，經(jīng)放大器模塊放大。再經(jīng)過功率放大模塊放大電流提高帶負載能力后輸出。通過改變單片機的輸出數(shù)字量，即可實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)的效果。繼電器與單片機的I/O口相連，實現(xiàn)用I/O口輸出的數(shù)字量控制電路電源的通斷。

ESP8266與單片機的串口相連，通過英特網(wǎng)，用戶可以上位機遠程傳輸控制信號給單片機，改變單片機端口輸出的數(shù)字量，從而實現(xiàn)遠程調(diào)整輸出電壓，遠程控制電路開關(guān)的功能。

2 ?硬件電路設(shè)計

整機電路如圖2所示，下面對各個模塊的電路設(shè)計進行說明。

圖1 ?系統(tǒng)框圖

圖2 ?硬件電路原理圖

2.1 ?D/A模塊和放大模塊

D/A模塊由DAC0832芯片和LM358運算放大放構(gòu)成，DAC0832芯片為8位數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果為電流，需要在其輸出端接一LM358將電流轉(zhuǎn)換成電壓，得到一反向電壓輸出。DAC0832由5 V電壓供電，分辨率為[5256≈0.02 V]。又因為其輸出的是負電壓，所以當數(shù)字量每增加1時，D/A模塊的輸出增加-0.02 V。

放大模塊由運放LM358和電阻R2，R3，R4組成了一個反向放大器，將D/A模塊的輸出反向放大2.5倍。每按一次電壓調(diào)整按鍵，數(shù)字量自增2，D/A模塊輸出增加-0.04 V，經(jīng)過反向放大2.5倍后，輸出電壓增加0.1 V，實現(xiàn)了步進0.1 V?？梢酝ㄟ^按鍵KEY1和KEY2改變單片機P0口的數(shù)字量輸出。

2.2 ?功率放大模塊

功率放大模塊原理圖如圖3所示。LT3083芯片為一款3 A低壓差線性穩(wěn)壓電路，在圖3中LT3083的Vcontrol端和IN端接入15 V電壓，輸出端OUT端可以輸出不高于14.7 V的的電壓。SET端輸入的電壓值等于OUT端輸出的電壓值。把放大模塊的輸出端接入SET端，每按一次按鍵放大模塊輸出自增0.1 V，經(jīng)過LT3083的穩(wěn)壓與電流放大后，OUT端的電壓也自增0.1 V，從而實現(xiàn)了數(shù)控的功能。

圖3 ?功率放大模塊原理圖

3 ?ESP8266 WiFi模塊

ESP8266 WiFi模塊為樂鑫公司開發(fā)的一款芯片，專為移動設(shè)備可穿戴產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應用設(shè)計。ESP8266 WiFi模塊采用串口與單片機通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。通過ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只是通過簡單的串口配置，也就是只需要通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)。它能夠支持三種工作模式，也就是STA，AP，以及STA+AP結(jié)合的模式。STA模式是通過路由器和互聯(lián)網(wǎng)連接，手機或者電腦可以通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備進行遠程控制。AP模式則以 ATK_ESP8266 模塊作為熱點，實現(xiàn)手機或者電腦直接和ESP8266進行通信，達到局域網(wǎng)無線控制的需求。STA+AP是兩種模式的加強版，也就是能夠通過互聯(lián)網(wǎng)控制實現(xiàn)無縫切換，方便用戶操作[2]。

4 ?氦氪云

ESP8266需要裝入固件才可使用，目前市面上有多種固件可供使用，人們選擇安裝了氦氪云固件的ESP8266模塊——Heker V1.1模塊。該模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 ?ESP8266工作原理圖

網(wǎng)絡(luò)服務器由氦氪云提供，在手機或平板電腦等上位機上發(fā)出的控制信號，由英特網(wǎng)傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務器，服務器收到該信號后，通過英特網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至ESP8266芯片，ESP8266再將該信號通過串口傳輸至單片機。這樣不僅實現(xiàn)了上位機通過英特網(wǎng)遠程控制、監(jiān)測單片機，還實現(xiàn)了物聯(lián)的功能。

氦氪云定義了上位機與ESP8266傳輸指令的格式，具體指令格式如圖5所示。

圖5 ?氦氪云傳輸幀格式

1） 幀頭 （1 B）：幀起始標識，指定為H或十六進制0x48;

2） 幀長 （1 B）：整幀內(nèi)容（包括幀頭、幀長、校驗碼等）的字節(jié)個數(shù)，取值[0x06，0xFE];

3） 幀類型 （1 B）：識別該幀類型，0x01為設(shè)備上報幀，0x02為模塊下發(fā)幀，0xFE為模塊操作幀、0xFF為錯誤幀;

4） 幀序號 （1 B）：取值[0x00，0xFF]，循環(huán)累加，標識順序，返回幀中填入相同值;

5） 有效數(shù)據(jù) （n B）：實際通信內(nèi)容。根據(jù)不同業(yè)務分別說明;

6） 校驗碼 （1 B）：整幀內(nèi)容（包括幀頭、幀長等）的數(shù)據(jù)和，超過0xFF取低8位（1 B）。

根據(jù)氦氪云所定義的格式，設(shè)計本項目所需的傳輸幀，如表1所示。表中下發(fā)幀指的是上位機發(fā)送給單片機的幀，上報幀是指單片機發(fā)給上位機的幀。

表1 ?傳輸幀

5 ?軟件設(shè)計

5.1 ?上位機軟件設(shè)計

上位機程序采用HTML5+Javascript編寫，編寫完成后上傳至氦氪云官網(wǎng)，在手機上下載氦氪云APP，打開APP登錄帳號后即可使用編寫的上位機程序。本項目的上位機界面如圖6所示。

按“加”“減”按鍵可以增加或減小輸出電壓值，按“開關(guān)”按鍵可以控制設(shè)備的開關(guān)，在這個界面上還可顯示當前的輸出電壓值。上位機程序的流程圖如圖7所示。

圖6 ?上位機界面

圖7 ?上位機程序流程圖

先判斷是“開關(guān)”按鍵是否被按下，如被按下，向單片機發(fā)送switch幀;接著判斷“加”按鍵是否按下，如按下向單片機發(fā)送add幀，如“減”按鍵按下則向單片機發(fā)送minus幀;然后向單片機發(fā)送query幀，查詢單片機的狀態(tài)，單片機將目前輸出的電壓值和開關(guān)狀態(tài)裝入report幀中，上傳給上位機，在APP界面上顯示相應的數(shù)值，如沒收到report幀，則提示丟失連接。

5.2 ?單片機軟件設(shè)計

單片機軟件采用C51編寫，其流程圖如圖8所示。

圖8 ?單片機程序流程圖

首先檢測是否收到add幀，如收到則單片機P0口輸出數(shù)字量增加2，如收到minus幀，P0口輸出數(shù)字量減2;接著判斷是否收到switch，如收到則開啟或關(guān)斷繼電器;再判斷是否收到query幀，如收到則將當前輸出電壓值和開關(guān)狀態(tài)裝入report幀后上報。

6 ?系統(tǒng)測試

在蘋果系統(tǒng)的iPhone 7智能手機中安裝氦氪云APP，當Heker V1.1芯片連接上網(wǎng)后，將手機連接上4G網(wǎng)絡(luò)，在氦氪云APP中運用編寫的上位機程序調(diào)整輸出電壓的值，在0～10 V中取10個值進行測量，采用數(shù)字萬用表VC9860+為測量儀器，測量輸出的電壓值。預置電壓值與輸出電壓值如表2所示。

表2 ?預置電壓與輸出電壓比較

測試過程中，每當在APP上點擊“加”“減”按鍵時，電壓源均可正確輸出電壓。點擊“開關(guān)”按鍵，也可正確控制電壓源的開啟和關(guān)閉，APP上電壓值的顯示也正確無誤。測試結(jié)果表明，該電壓源輸出準確，輸出響應良好，實現(xiàn)了通過英特網(wǎng)遠程調(diào)控、監(jiān)測電壓源的功能。

7 ?結(jié) ?語

本文介紹一種基于ESP8266 WiFi模塊的數(shù)控直流電壓源的設(shè)計方案。該電壓源具有輸出精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，可以通過英特網(wǎng)遠程調(diào)整、監(jiān)測輸出電壓的值，實現(xiàn)了物聯(lián)功能。經(jīng)過測試，此電源輸出響應良好，誤差小，可應用于實驗教學、科學研究、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品供電等領(lǐng)域，具有廣闊的應用前景。

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