基于WiFi 物聯(lián)網(wǎng)的智能家電插座設(shè)計(jì)

楊 琳，李 媛，王 咪，喬成芳，陳 俊

（1.商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛726000；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安710048；3.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，商洛726000；4.山陽(yáng)中學(xué)，山陽(yáng)726400）

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，家電的智能化已經(jīng)成為科技化社會(huì)生活的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。家電智能化離不開智能插座的應(yīng)用。 國(guó)外市場(chǎng)上出現(xiàn)的定時(shí)智能插座[1]、計(jì)量型智能插座[2]，以及具備無(wú)線通信、 存儲(chǔ)和計(jì)算能力的手持設(shè)備等智能產(chǎn)品，較早地被少部分外國(guó)人所使用，但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展的限制，產(chǎn)品功能較為單一，很難實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和智能化， 所以并不能被大多數(shù)外國(guó)人接受。因此這類智能產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)使用得也很少[3-5]。

近幾年來(lái)智能家居在國(guó)內(nèi)外都得到了飛躍式的發(fā)展[6-9]。 在當(dāng)今社會(huì)，無(wú)線路由器及智能手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備己經(jīng)得到了廣泛的普及，WiFi[10]覆蓋范圍更廣，傳輸速率更快，更重要的是WiFi 直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，不再需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信，無(wú)線WiFi 成為辦公室、餐廳、酒店、商場(chǎng)等公眾場(chǎng)合的必要設(shè)備[11-12]。 將智能插座與Wifi 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，成為當(dāng)今社會(huì)一個(gè)主流方向[13-14]。 在此所設(shè)計(jì)的智能插座通過(guò)WiFi 與智能手機(jī)、 平板電腦等移動(dòng)終端連接， 從而實(shí)現(xiàn)Web 對(duì)智能家居機(jī)器人、家用電器等設(shè)備的智能控制。

1 智能插座的系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)包括主芯片、電源模塊、WiFi 模塊、按鍵模塊、繼電器模塊和顯示模塊等6 個(gè)部分，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system architecture

其中，主芯片選用STC89C52RC，采用7805 穩(wěn)壓模塊供電，采用WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線互聯(lián)，采用LCD1602模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，采用繼電器模塊完成開關(guān)功能。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主芯片及外圍電路

STC89C52RC 型單片機(jī)芯片及其外圍電路如圖2 所示，其封裝方式為DIP。 當(dāng)系統(tǒng)收到相應(yīng)的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)芯片就會(huì)根據(jù)接收到的信號(hào)指令做出相應(yīng)的反應(yīng)，達(dá)到所需目的。

1）復(fù)位電路 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)和在重新調(diào)整之后，都需要先復(fù)位以使得MCU 恢復(fù)。 在此，電路的復(fù)位方式為手動(dòng)復(fù)位，可以便捷高效地實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。 復(fù)位電路如圖3 所示。

圖2 STC89C52RC 外圍電路Fig.2 Peripheral circuit of STC89C52RC

圖3 復(fù)位電路Fig.3 Reset circuit

2）時(shí)鐘電路 由于51 系列的單片機(jī)沒(méi)有自己的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘， 需要使用其19 引腳（XTAL1）與18 引腳（XTAL2）2 個(gè)特定為時(shí)鐘準(zhǔn)備的電路來(lái)制作1 個(gè)時(shí)鐘。 所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路如圖4 所示。

圖4 時(shí)鐘電路Fig.4 Clock circuit

時(shí)鐘產(chǎn)生一組固定的振蕩波形，單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和中斷在該節(jié)拍下有效地工作，使整個(gè)工作有序進(jìn)行， 提高了編程的效果和軟件的執(zhí)行速度。晶振的頻率決定著產(chǎn)生波形的頻率， 晶振頻率越大，整個(gè)電路的一個(gè)周期產(chǎn)生的波就越多，波特率就越高。 在此，由于對(duì)時(shí)間的要求不很高，一般采用6 MHz 的晶振就可以滿足上傳數(shù)據(jù)和計(jì)時(shí)的要求。

2.2 WiFi 模塊設(shè)計(jì)

在此選用ESP8266 模塊作為WiFi 模塊。 所使用的UART 接口的無(wú)線WiFi 網(wǎng)絡(luò)模塊，不僅安全，而且可以方便地修改和設(shè)置密碼，也可以通過(guò)開發(fā)的App 修改密碼，使用安全、方便。ESP-12 與單片機(jī)的串口通信引腳圖如圖5 所示。

圖5 ESP-12 與單片機(jī)接線圖Fig.5 Connection diagram between ESP-12 and MCU

2.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

選用SRS-05VDC-SL 型繼電器。 它不僅可以控制其他電路，而且也能被控制，常被用于工業(yè)自動(dòng)控制電路之中。 其實(shí)質(zhì)上是一種用過(guò)電流來(lái)控制的自動(dòng)開關(guān)，在日常使用中處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)電流激勵(lì)到來(lái)時(shí)開關(guān)閉合，因此在控制電路中具有電路保護(hù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。 該繼電器在此主要起開關(guān)閉合與斷開的作用。使用手機(jī)可以通過(guò)連接無(wú)線WiFi向單片機(jī)芯片發(fā)送信號(hào)， 以控制繼電器的工作狀態(tài)。 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示模塊內(nèi)部包括主顯示屏LED 顯示模塊、控制器以及段選擇器。

LCD 顯示屏是一種液晶模塊，超薄輕巧。 實(shí)現(xiàn)振蕩和幀的輸出是通過(guò)列驅(qū)動(dòng)器的控制來(lái)接收信號(hào)， 再通過(guò)交流掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到所需的信號(hào)數(shù)據(jù)。

控制器在接收到來(lái)自STC89C52 單片機(jī)的信號(hào)之后，控制LED 模塊進(jìn)行顯示。 其內(nèi)置的CGROM，CGRAM 和DDRAM 等字符儲(chǔ)存信息早在內(nèi)部?jī)?chǔ)存好， 然后再由控制器的控制器信號(hào)進(jìn)行讀寫操作，如圖7 所示。

圖6 繼電器驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Driving circuit diagram of relay

圖7 內(nèi)部電路框圖Fig.7 Block diagram of internal circuit

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

圖8 主程序流程Fig.8 Flow chart of main program

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為主函數(shù)模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路以及其子程序設(shè)計(jì)、顯示模塊子程序設(shè)計(jì)、按鍵模塊設(shè)計(jì)等5 個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。 軟件的設(shè)計(jì)必須與硬件的設(shè)計(jì)一一對(duì)應(yīng)，按照模塊化的設(shè)計(jì)思路，利于日后對(duì)軟件的更改與優(yōu)化，增強(qiáng)程序的可移植性。主程序流程如圖8 所示。

3.2 LCD1602 顯示程序設(shè)計(jì)

1602 顯示流程如圖9 所示。其顯示操作軟件控制流程如下：①初始化，使得所用的引腳和內(nèi)部?jī)?chǔ)存都處于最初的狀態(tài)； ②讀取來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)，其主要功能包括讀取輸入高低字節(jié)的狀態(tài)字；③寫狀態(tài)，輸入不同的指令代碼，然后高脈沖輸出；④讀數(shù)據(jù)，對(duì)輸入不同的高狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；⑤寫數(shù)據(jù)，輸入不同的數(shù)據(jù)，高脈沖輸出然后顯示。

3.3 插座開關(guān)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的插座開關(guān)通過(guò)與繼電器相連接，繼電器驅(qū)動(dòng)控制插座的開關(guān)，進(jìn)而利用手機(jī)App 操作達(dá)到控制插座開關(guān)的功能，這樣就能很方便地操作。插座開關(guān)的設(shè)計(jì)流程如圖10 所示。

圖9 1602 顯示流程Fig.9 Flow chart of 1602

圖10 插座開關(guān)流程Fig.10 Flow chart of socket switch

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于WiFi 物聯(lián)網(wǎng)的智能家電插座，采用STC89C52RC 低功耗單片機(jī)作為主控芯片，結(jié)合無(wú)線WiFi，LCD1602 液晶屏顯示、繼電器控制開關(guān)及手機(jī)接收和發(fā)送等外圍的功能模塊電路構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路，用C 語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)控制各個(gè)模塊等基本功能以及顯示、掉電保存及無(wú)線等功能。 該插座具有成本低廉、穩(wěn)定可靠、易于開發(fā)、操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于住宅、辦公室等場(chǎng)所，保密性強(qiáng)，靈活性高。