一種智能繼電器模塊的設(shè)計(jì)與制作

鄭定超， 李 稦

(浙江東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息傳媒與自動(dòng)化學(xué)院， 浙江 溫州 325200)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的智能電器產(chǎn)品和設(shè)備(例如智能家居控制系統(tǒng)、智能儀器儀表)出現(xiàn)在人們的生活和生產(chǎn)中。通過手機(jī)、平板等移動(dòng)終端，可方便地控制設(shè)備的通斷電、獲取設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)等信息。物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義就是物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)所有設(shè)備進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)后，我們可以通過網(wǎng)絡(luò)方便直接地獲取設(shè)備相關(guān)信息并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制[1]。目前研發(fā)的產(chǎn)品大多已經(jīng)智能化，許多舊設(shè)備雖然仍具有較好的使用性能，但是不能聯(lián)網(wǎng)，不具備智能控制的功能。如果購(gòu)買新設(shè)備而淘汰舊設(shè)備，就需要增加成本，也會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)。因此，本文擬設(shè)計(jì)一款具有智能控制的繼電器模塊，將其用于舊設(shè)備的電路改造，通過移動(dòng)終端操控繼電器的動(dòng)作來控制設(shè)備的啟停，使一些舊設(shè)備具有智能控制的功能。

1 智能繼電器模塊的系統(tǒng)框架

所設(shè)計(jì)的智能繼電器模塊包括繼電器模塊、WIFI模塊、移動(dòng)終端應(yīng)用程序和機(jī)智云平臺(tái)。這里主要介紹該系統(tǒng)的整體框架及其機(jī)智云平臺(tái)。

1.1 系統(tǒng)整體框架

在普通繼電器模塊上加裝WIFI模塊，使其具備聯(lián)網(wǎng)、無線通信的功能。WIFI模塊經(jīng)過燒寫機(jī)智云平臺(tái)固件，與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在云平臺(tái)上搭建服務(wù)器，編寫計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)用戶終端與云平臺(tái)的通信[2]。用戶通過程序發(fā)送數(shù)據(jù)至云平臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器再轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過WIFI模塊到達(dá)繼電器模塊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制繼電器模塊的功能，通過控制繼電器模塊達(dá)到控制設(shè)備的目的。智能繼電器模塊的系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.2 機(jī)智云平臺(tái)

機(jī)智云是一個(gè)面向個(gè)人、企業(yè)開發(fā)的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺(tái)。搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通常需要自己架設(shè)服務(wù)器，成本高、效率低。機(jī)智云平臺(tái)能夠根據(jù)產(chǎn)品定義自動(dòng)生成智能硬件與云端軟件的開發(fā)工具包(Software Development Kit，SDK)。開發(fā)者只需搭建平臺(tái)、定義相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即可根據(jù)開發(fā)文檔進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)[3]。智能繼電器模塊的機(jī)智云平臺(tái)如圖2所示。

2 智能繼電器模塊的具體設(shè)計(jì)

智能繼電器模塊的具體設(shè)計(jì)包括：硬件部分的單片機(jī)最小系統(tǒng)和外圍模塊電路設(shè)計(jì)，軟件部分的云服務(wù)平臺(tái)搭建，移動(dòng)應(yīng)用程序(APP)的開發(fā)和微控制器的控制程序設(shè)計(jì)。智能繼電器模塊的系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

圖2 智能繼電器模塊的機(jī)智云平臺(tái)示意圖

智能繼電器模塊的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟如下：

Step1：在ESP8266型芯片上燒寫機(jī)智云固件；

Step2：在機(jī)智云開發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，并定義數(shù)據(jù)點(diǎn)；

Step3：下載自動(dòng)生成的模組通信協(xié)議；

圖3 智能繼電器模塊的系統(tǒng)構(gòu)成

Step4：使用虛擬設(shè)備和機(jī)智云、APP進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試；

Step5：通過機(jī)智云實(shí)現(xiàn)APP與虛擬設(shè)備的聯(lián)動(dòng)[4]。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作的最小模塊，包括提供工作脈沖的時(shí)鐘電路、提供電能的電源電路以及使電路復(fù)原到最初狀態(tài)的復(fù)位電路[5]。在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展部分輸入/輸出接口，可以進(jìn)行后續(xù)功能的設(shè)計(jì)與添加。選用的STM8型單片機(jī)最小系統(tǒng)的控制模塊電路如圖4所示。

圖4 STM8型單片機(jī)最小系統(tǒng)的控制模塊電路圖

2.2 外圍模塊電路設(shè)計(jì)

考慮到體積與功耗等因素，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的外圍模塊電路主要包括WIFI無線通信電路和繼電器動(dòng)作電路。WIFI無線通信電路采用樂鑫ESP8266功能模塊。該模塊自帶WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，通過燒寫機(jī)智云平臺(tái)提供的固件，可快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備M2M(Machine-to-Machine)接入、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、遠(yuǎn)程控制、OTA(Over-The-Air)升級(jí)、第三方接口等功能服務(wù)[6]。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。其工作原理是電生磁原理[7]，線圈通電后產(chǎn)生電磁力，銜鐵吸住鐵芯而帶動(dòng)動(dòng)靜觸點(diǎn)動(dòng)作[8]。把繼電器模塊(見圖5)接入所服務(wù)設(shè)備的電源電路中，通過繼電器動(dòng)作，控制設(shè)備電源的通斷，達(dá)到對(duì)設(shè)備控制的目的。

圖5 繼電器模塊電路圖

2.3 云平臺(tái)搭建及APP頁(yè)面設(shè)計(jì)

硬件智能化的前提是設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)。GAgent是機(jī)智云系統(tǒng)提供的一款兼容國(guó)內(nèi)主流WIFI模塊、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊的模組系統(tǒng)，其主要作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。它是設(shè)備數(shù)據(jù)、機(jī)智云和應(yīng)用端數(shù)據(jù)交互的橋梁[9]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作時(shí)，燒寫平臺(tái)固件后，可在廠家提供的后臺(tái)開發(fā)中心創(chuàng)建工程項(xiàng)目。在系統(tǒng)配置完成后，下載工程提供的SDK即可進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)[10]。

在軟件功能設(shè)計(jì)中，終端APP將數(shù)據(jù)發(fā)送至電路端，控制繼電器動(dòng)作，進(jìn)而控制設(shè)備的啟停狀態(tài)；用戶根據(jù)提示點(diǎn)擊按鈕，可操控遠(yuǎn)程設(shè)備；設(shè)備的狀態(tài)能實(shí)時(shí)回送至終端APP，以便用戶及時(shí)方便地查看設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行操作。圖6所示為手機(jī)APP測(cè)試頁(yè)面。

圖6 手機(jī)APP測(cè)試頁(yè)面

2.4 微控制器控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)起核心控制作用。它通過WIFI模塊接收APP發(fā)送的數(shù)據(jù)，處理后進(jìn)行判斷，控制繼電器動(dòng)作，并把繼電器的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給APP。微控制器的控制流程如圖7所示。

圖7 微控制器的控制流程

3 智能繼電器模塊的系統(tǒng)測(cè)試

智能繼電器模塊設(shè)計(jì)完成后，在家電小風(fēng)扇的電源電路上加裝此功能模塊，然后通電，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)；打開手機(jī)APP后點(diǎn)擊“繼電器開”按鈕，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)；點(diǎn)擊“繼電器關(guān)”按鈕，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，該智能繼電器模塊不能控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的檔位。

插座上加裝該智能繼電器模塊，通電后插座電源指示燈不亮，插孔不通電；點(diǎn)擊“繼電器開”按鈕，電源指示燈亮，插孔通電；點(diǎn)擊“繼電器關(guān)”按鈕，插座斷電。

經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，在舊設(shè)備上加裝該智能繼電器模塊，能夠通過APP來遠(yuǎn)程無線控制設(shè)備的通斷電。

4 結(jié) 語(yǔ)

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的智能化產(chǎn)品不斷問世，但全新智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本高、周期長(zhǎng)。本文針對(duì)舊設(shè)備設(shè)計(jì)的智能繼電器模塊采用WIFI控制，可以加裝在原來的電氣設(shè)備上，通過控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通斷電，從而達(dá)到提升設(shè)備智能化水平的效果。經(jīng)過系統(tǒng)測(cè)試，該智能繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制電氣設(shè)備的通斷電。但是，該模塊仍存在一些不足，例如檔位不能調(diào)節(jié)、不能預(yù)約斷電時(shí)間，還需要進(jìn)行改進(jìn)。