一種基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊原理分析與設(shè)計(jì)

黃思淮 王金剛 南京工程學(xué)院

1 基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊工作原理及模式

1.1 softAP

在基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊當(dāng)中，其具有一種與手機(jī)開啟熱點(diǎn)極為相近的功能模式即softAP，其功能基本與AP一致，但相對(duì)于AP廣闊的覆蓋范圍，其覆蓋面相對(duì)較小。softAP支持通過對(duì)無線網(wǎng)卡進(jìn)行更換的升級(jí)方式，且對(duì)接口要求并不高，智能手機(jī)、個(gè)人電腦等均可以作為其接口，在與WIFI網(wǎng)絡(luò)相互連接下，便可以構(gòu)成一個(gè)完整的局域網(wǎng)，使得其他各設(shè)備也可以連接至網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。

1.2 station

Station工作模式也是此種基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊中比較常用的一種工作模式，其功能接近筆記本電腦當(dāng)中的無線網(wǎng)卡。通過將各設(shè)備網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)與智能芯片相互連接，利用路由器便可以將所有智能開關(guān)一并連接至網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。此時(shí)手機(jī)移動(dòng)客戶端借助云端服務(wù)器便可以自由完成各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的上傳下載和交互處理。通過將智能開關(guān)連接家庭個(gè)人WIFI網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，不僅可以有效保障網(wǎng)絡(luò)具有較高的安全穩(wěn)定性，同時(shí)也有助于節(jié)約成本費(fèi)用。在將智能手機(jī)作為用戶端時(shí)，APP端將負(fù)責(zé)完成控制家居電器開斷等控制指令的遠(yuǎn)程發(fā)送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器的遠(yuǎn)程智能控制。

1.3 共存模式

為了能夠進(jìn)一步提高基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊的應(yīng)用效果，除了單純使用上述兩種工作模式之外，還可以通過將二者相互整合，及運(yùn)用softAP和station相互共存的模式。通過實(shí)現(xiàn)兩種模式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以此有效提高無線開關(guān)智能模塊的經(jīng)濟(jì)性和有效性。此種模式在工作中，通過以智能芯片為熱點(diǎn)，使得其他設(shè)備也可以連接至組網(wǎng)當(dāng)中，在WIFI信號(hào)的作用下，與云端服務(wù)器相互連接，此時(shí)智能手機(jī)移動(dòng)客戶端發(fā)送的控制指令便可以經(jīng)由云端服務(wù)器直接傳輸至各相關(guān)設(shè)備當(dāng)中，以此有效完成對(duì)家居電器的遠(yuǎn)程開斷等智能控制。此時(shí)家居電器的開關(guān)狀態(tài)以及其他相關(guān)信息也將一并反饋回智能手機(jī)移動(dòng)客戶端處。本文在設(shè)計(jì)基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊當(dāng)中，便通過將包括智能手機(jī)等在內(nèi)的用戶設(shè)備作為連接智能芯片的station的softAP接口，在對(duì)利用路由器連接至網(wǎng)絡(luò)中的這一接口進(jìn)行有效控制，即可在確保網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器開關(guān)的遠(yuǎn)程智能控制。

2 基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本文在對(duì)基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，在其硬件部分選擇使用采用電壓驅(qū)動(dòng)方式的且擁有一組100mΩ接觸電阻的常開觸點(diǎn)，其觸點(diǎn)負(fù)載為15A/250VAC，切換電流及其功率的最大值可以分別達(dá)到15A和3750V。技能能夠滿足基于WIFI方式的無線開關(guān)智能控制模塊的驅(qū)動(dòng)需求。在電源模塊當(dāng)中，本文通過設(shè)計(jì)選擇使用具有較高進(jìn)精度的AMS1117，其通過實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)以及限流電路成功集成，不僅具有質(zhì)量輕、體積小的重要優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也大大增加了電源模塊工作的安全性。

作為該智能模塊最為重要的部件，在智能芯片的設(shè)計(jì)中，因考慮到ESP8266 WIFI芯片中的處理器功耗極低，CPU時(shí)鐘速度較高，并且支持包括802.11 b/g/n/e/i等在內(nèi)的眾多WIFI通訊協(xié)議。因此選擇將其作為該WIFI智能模塊的核心芯片。在這一智能芯片當(dāng)中同時(shí)擁有主動(dòng)和被動(dòng)掃描功能，因此當(dāng)其在成功接收到啟動(dòng)指令后便可以自主完成指令執(zhí)行。在管理執(zhí)電源時(shí)，幾乎不與主機(jī)進(jìn)行互動(dòng)，因此可以有效節(jié)約工作時(shí)間實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)反映，在順利完成對(duì)家居電器開關(guān)的遠(yuǎn)程智能控制下還可以達(dá)到控制功耗的目的。系統(tǒng)在工作過程中，依托現(xiàn)有的WIFI網(wǎng)絡(luò)，智能手機(jī)移動(dòng)客戶端將把用戶端和云端服務(wù)器連接在一起，待后者成功接受后通過WIFI發(fā)送，由該智能芯片的內(nèi)置天線經(jīng)由802.11.b協(xié)議完成指令接收。此時(shí)芯片將自動(dòng)調(diào)整至softAP + Station模式，在芯片中的內(nèi)置CPU成功解碼分析接收的指令信息后，解碼信息將被轉(zhuǎn)換成電平信號(hào)形式并及時(shí)反饋到繼電器模塊中，進(jìn)而因其GPIO引腳動(dòng)作，以此對(duì)連接著外部電路的各類家居電器開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此時(shí)通過電平信號(hào)，各類家用電器開關(guān)狀態(tài)信息將被傳輸回該智能芯片中，由其負(fù)責(zé)進(jìn)行打包處理后利用WIFI信號(hào)重新傳輸給云端服務(wù)器。并最終利用WIFI網(wǎng)絡(luò)或是移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)將經(jīng)過打包的家居電器開關(guān)信息傳輸并顯示在用戶智能手機(jī)的移動(dòng)客戶端當(dāng)中。由于本文在設(shè)計(jì)基于WIFI方式的無線控制智能模塊中采用了softAP與Station模式相互共存的模式，因此不僅可以通過WIFI信號(hào)和無線路由器完成對(duì)各家居電器開關(guān)的遠(yuǎn)程集中控制，同時(shí)也支持智能手機(jī)通過連接移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)如4G網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)直連，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制連接著外部電路的各家居電器開關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊的軟件部分中，采用了嵌入式程序設(shè)計(jì)理念，通過利用由文本編輯器和Lua解釋器及其編譯器共同構(gòu)成的開發(fā)環(huán)境，直接完成相關(guān)程序代碼的編寫工作。而考慮到各操作系統(tǒng)的編輯器不盡相同，因此使得編輯器版本之間也千差萬別。為此，本文在設(shè)計(jì)過程中選擇了具有操作簡(jiǎn)便、適用范圍廣泛等優(yōu)勢(shì)特征的Notepad編輯器。在文本編輯器當(dāng)中其需要編輯的文件即源文件中含有程序源代碼，因此通過直接利用Lua解釋器便可以同步完成Lua命令的輸入和執(zhí)行，并且在出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下可以自動(dòng)停止執(zhí)行命令程序。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)TCP成功處于連接狀態(tài)后，softAP模塊將負(fù)責(zé)對(duì)各傳感器采集得到的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)和分配、存儲(chǔ)，隨后利用WIFI信號(hào)直接將其傳輸至云端服務(wù)器中。WIFI模塊在開始運(yùn)行后，首先需要智能控制模塊的工作模式進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，如果sation成功連接，則需要對(duì)靜態(tài)IP以及端口號(hào)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，此時(shí)將出現(xiàn)大約1s的延時(shí)情況。在現(xiàn)實(shí)DHCP配置完成后模塊將自動(dòng)進(jìn)行Espcon.n參數(shù)設(shè)置并注冊(cè)連接回調(diào)參數(shù)，隨后通過依次完成TCP偵聽建立、接收客戶端數(shù)據(jù)以及判別數(shù)據(jù)類型后，如果為傳感器傳來的信息，則直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和反饋即可。而如果為指令類數(shù)據(jù)，則模塊將在WIFI信號(hào)下直接發(fā)出控制指令實(shí)現(xiàn)對(duì)家電開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊進(jìn)行分析研究，指出其通過利用WIFI信號(hào)進(jìn)行傳輸，不僅可以具備較高的傳輸速率和傳輸質(zhì)量，同時(shí)也可以達(dá)到控制成本、降低能耗的效果。但由于受到篇幅限制和筆者自身學(xué)識(shí)的影響，本文并未對(duì)設(shè)計(jì)的基于WIFI方式的無線開關(guān)智能模塊的實(shí)際應(yīng)用成效展開相關(guān)研究，因此研究還存在實(shí)踐性不足的問題，有待日后的進(jìn)一步改進(jìn)。