基于ESP8266的智能開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

南京科技職業(yè)學(xué)院 電氣與控制學(xué)院 薛 翔 王 琰

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，WIFI技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。WIFI是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端以無線方式進(jìn)行互連的技術(shù)，為用戶提供了無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問。本文介紹了如何通過ESP8266芯片和STC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)家用電器開關(guān)的無線遠(yuǎn)程控制，提出了一種基于ESP8266的智能開關(guān)控制系統(tǒng)方案，并從硬件和軟件兩個(gè)層面論述了系統(tǒng)方案的可行性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由WIFI模塊和MCU模塊兩部分組成，通過WIFI模塊ESP8266將單片機(jī)MCU鏈接上外網(wǎng)，由手機(jī)App發(fā)送信息WIFI模塊接收到信息后，再向MCU發(fā)送信號(hào)，MCU經(jīng)過對(duì)信息的處理，通過繼電器的方式實(shí)現(xiàn)家電的通斷控制或者燈的開關(guān)控制，形成了一個(gè)控制通信網(wǎng)絡(luò)。硬件電路主要有STC89C51芯片、DHT11溫濕度傳感器采集電路、LCD液晶顯示電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、WIFI模塊以及穩(wěn)壓電路等組成。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。WIFI模塊收發(fā)通訊數(shù)據(jù)，MCU完成數(shù)據(jù)的采集和外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。用戶使用手機(jī)APP將系統(tǒng)的WIFI模塊連接到指定的路由器后，通過UART串口傳送和接收MCU的相關(guān)指令信息，繼電器接負(fù)載并通過WIFI控制其通斷。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU模塊

MCU模塊由以STC89C51芯片為核心的最小系統(tǒng)組成，STC89C51芯片在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51在嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中的得到了廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)使用TXD和RXD引腳實(shí)現(xiàn)與WIFI模塊的串口通信，其他I/O引腳主要用于連接繼電器控制信號(hào)、溫濕度傳感器輸出信號(hào)以及LCD液晶顯示數(shù)據(jù)及控制等信號(hào)。

2.2 WIFI模塊

WIFI模塊選擇樂鑫公司的基于UART接口的ESP8266-12芯片，該芯片內(nèi)置32位CPU，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行，可以廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)無線控制、無線傳感器等領(lǐng)域。

圖2 ESP8266-12接口及電源電路

圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路

ESP8266模塊能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的交換。有2種使用方案：一是直接使用內(nèi)部自帶的處理器，對(duì)芯片進(jìn)行二次開發(fā)，通過I/O口控制設(shè)備，例如繼電器、傳感器等，此方案節(jié)省成本，但開發(fā)難度較大；二是ESP8266模塊外接單片機(jī)，而其僅用來完成網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的任務(wù)，使用AT命令操作，通過串口和外接的單片機(jī)通信，此方案開發(fā)快，性能穩(wěn)定，但成本相對(duì)較高。本文選用第二種方案。

圖2為ESP8266-12與單片機(jī)串口通信接口及電源電路，TXD和RXD分別接單片機(jī)的P3.0和P3.1。ESP8266-12的9和11腳通過1K上拉電阻接3.3V電源。采用AMS1117 穩(wěn)壓芯片將5V電源轉(zhuǎn)換成3.3V直流電壓，給WIFI和繼電器模塊供電。二極管IN4148反向截止起到保護(hù)電路的作用。撥動(dòng)開關(guān)S1正常運(yùn)行時(shí)接通TXD接收模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，下載程序時(shí)用S1斷開WIFI模塊，以防數(shù)據(jù)干擾。

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

控制系統(tǒng)通過繼電器的方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷控制。繼電器通過PNP型三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)閥值超過設(shè)定時(shí)，單片機(jī)會(huì)由高電平跳變成低電平，三極管導(dǎo)通繼電器吸合，繼電器起開關(guān)作用，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。圖3為單個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)P2.0引腳輸出一個(gè)低電平時(shí)，PNP型三極管9012導(dǎo)通，電流從+5V電源經(jīng)線圈再經(jīng)9012回到GND形成回路，此時(shí)繼電器線圈得電吸合，與線圈并聯(lián)的LED燈點(diǎn)亮，2.2K分壓電阻保證LED的3V工作電壓，二極管用于消除繼電器吸合時(shí)產(chǎn)生的瞬間反相電動(dòng)勢(shì)，接線端子CON2可外接負(fù)載電源線，驅(qū)動(dòng)負(fù)載的通斷相當(dāng)于一個(gè)智能開關(guān)。

2.4 DHT11溫濕度采集模塊

采用DHT11溫濕度傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)溫濕度并發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理和顯示，DHT11與STC89C51單片機(jī)連接相對(duì)簡單。如圖4所示，DHT11為 4 針單排引腳封裝。單片機(jī)的P2.7口用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即data數(shù)據(jù)口。DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線串行數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右。上拉電阻10K起到信號(hào)穩(wěn)定的作用。傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機(jī)的VDD和GND端。傳感器的第三腳懸浮放置。

圖4 DHT11接口電路

圖5 LCD接口電路

2.5 LCD1602液晶顯示電路

LCD1602能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符，采用LCD1602液晶顯示器顯示網(wǎng)絡(luò)連接情況、室內(nèi)溫濕度值以及開關(guān)狀態(tài)等信息，LCD與單片機(jī)接口連接如圖5所示。1腳接地，2腳接+5v電源，3腳為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，通過一個(gè)10K電位器調(diào)整對(duì)比度。4腳RS接P2.7用于寄存器的選擇。5腳R/W接P2.6用于讀寫信號(hào)的控制，6腳EN為使能端接P2.5用于液晶模塊的使能控制。7～14腳即D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線接P0口，用于數(shù)據(jù)的讀寫。

2.6 智能手機(jī)APP

智能手機(jī)APP為網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手安卓版。網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手集成了TCP/UDP客戶端服務(wù)器，服務(wù)器端支持透明傳輸方式、自動(dòng)反饋方式和手動(dòng)發(fā)送方式。采用TCP客戶端模式，通過配置IP地址和COM端口號(hào)實(shí)現(xiàn)APP與ESP8266通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用ESP8266實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制基本流程：ESP8266進(jìn)行初始化，將手機(jī)連上ESP8266的WIFI，然后再通過手機(jī)端發(fā)送指令，ESP8266接收到命令發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。STC單片機(jī)每2秒鐘從DHT11溫濕度傳感器中讀入溫度和濕度，在液晶屏上顯示并通過ESP8266將采集的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP顯示。控制流程如圖6所示。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件部分主要分為WIFI配置與通信、溫濕度讀取、繼電器驅(qū)動(dòng)、LCD液晶顯示四部分。系統(tǒng)上電后進(jìn)入初始化階段讀取系統(tǒng)參數(shù)，溫濕度傳感模塊啟用，APP配網(wǎng)設(shè)置后，ESP8266配網(wǎng)成功直連數(shù)據(jù)服務(wù)器，傳送相應(yīng)的控制指令到MCU驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，同時(shí)實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，APP可以即時(shí)查看相關(guān)的數(shù)據(jù)。主程序流程如圖7所示。

3.2 WIFI初始化

設(shè)置WIFI 的工作模式，ESP8266 支持softAP 模式、station 模式、softAP＋station 共存模式三種模式。本文采用SoftAP模式，即無線接入點(diǎn)模式，ESP8266發(fā)射一個(gè)WIFI熱

點(diǎn)將手機(jī)或電腦等終端設(shè)備接入熱點(diǎn)組建一個(gè)局域網(wǎng)。STC89C51單片機(jī)通過AT指令對(duì)ESP8266進(jìn)行是初始化配置。

配置指令為：

AT+CWMODE=2，設(shè)置SoftAP模式。

AT+CWSAP=“NAME”,“password”，設(shè)置WIFI名稱和密碼。

AT+CIPSTART=“TCP”,“ X1.X2.X3.X4”,9999；讓模塊連上服務(wù)器X1.X2.X3.X4 為IP 地址，9999為端口。

AT+CWJAP=“ssid”,“pwd”；連接路由器，在程序中輸入路由器名稱ssid和密碼pwd；此時(shí)，WIFI 模塊就必須重啟，發(fā)送指令“AT+RST”給WIFI 模塊。

圖6 控制流程

圖7 主程序流程圖

3.3 關(guān)鍵函數(shù)設(shè)計(jì)

void main() ；//主函數(shù)，完成系統(tǒng)初始化，溫濕度讀取調(diào)用和顯示，開關(guān)的WIFI控制。

void uart_RX(void) interrupt 4；//串口中斷處理函數(shù)，如果串口接收到數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制繼電器的動(dòng)作，直到收到下一個(gè)數(shù)據(jù)指令。

void Timer0 (void) interrupt 1 using 0；//定時(shí)中斷函數(shù)，單片機(jī)每2秒鐘從DHT11溫濕度傳感器中讀入溫度和濕度，用于MCU與DHT11的通訊。

void Uart_init( )；// 單片機(jī)串口初始化函數(shù)，波特率9600，設(shè)置T0和T1工作方式，允許串口接收數(shù)據(jù)，開中斷，啟動(dòng)定時(shí)器。T0用于定時(shí)器，T1用于波特率發(fā)生器。

uchar DHT11(void)；// 溫濕度讀取子程序，采用單總線數(shù)據(jù)格式。

void LCDdisplay（）；// 液晶顯示子函數(shù)，包括初始化、寫指令、寫數(shù)據(jù)、顯示字符串和數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ESP8266 WIFI芯片的智能開關(guān)系統(tǒng)，以STC單片機(jī)為主控制器，從軟件和硬件兩個(gè)層面論述了該方案的可行性。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，還可以增設(shè)家用電器定時(shí)開關(guān)、燈光的自動(dòng)調(diào)節(jié)等其他智能控制功能。通過后期的不斷改進(jìn)和完善，該控制器的功能將更加多樣化，市場前景也會(huì)更加廣闊。