基于Wi-Fi控制的智能插座

王浩 權燕妮 劉皇

摘要：針對當前插座無法實時監(jiān)控，導致家用電器待機造成電能浪費和安全隱患的問題，設計了基于ESP8266芯片的Wi-Fi智能插座。該插座經(jīng)過網(wǎng)絡連接到云平臺，可以使用手機APP實現(xiàn)遠程控制，并定時設置智能插座開關。除此之外還設計了電能計量功能和紅外遙控功能。

關鍵詞：ESP8266;電能計量;紅外遙控;定時

引言

隨著智能設備的普及和電子信息科學技術的高速發(fā)展，人們在生活中對于電子設備和電子產(chǎn)品的使用有了更高的需求和依賴性，其中插座作為生活中能源控制的一個開關，控制著用電設備的電能傳輸。若插座不能及時關閉，將導致用電設備的長期待機，進而浪費電能，引發(fā)安全隱患。人們的生活節(jié)奏逐漸加快，面臨的事情日益增多，越來越多的瑣事充斥著人們的生活，手機已成為當代人類必不可少的隨身攜帶物，因此，忘記關插座的情況屢見不鮮。許多年輕的上班族、退休的老年人將出門前需要斷電等基本做法拋之腦后，往往出門后才想起家中并未斷電，很多人為此折返回家中，浪費時間的同時造成了電能的浪費，而其中存在的安全隱患我們可想而知。本文針對此想象，設計基于Wi-Fi控制的智能插座，正是為解決不能實時監(jiān)控插座而做出的解決方案，換言之，此方案致力于完成智能開關插座的設計。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能城市建設加快，基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡開始實現(xiàn)全覆蓋的進程，Wi-Fi技術的發(fā)展進一步的促進了智能終端的發(fā)展，特別是智能手機在日常中作用越來越大，基本家家戶戶都有Wi-Fi熱點，任何人的手機都可以隨時隨地通過熱點上網(wǎng)，緊跟這種趨勢，我們設計了基于Wi-Fi控制的智能插座，該插座將Wi-Fi技術與智能終端連接。通過智能終端發(fā)送命令來操控插座，以實現(xiàn)實時監(jiān)控插座。

1、智能插座系統(tǒng)設計

智能插座的結構包含Wi-Fi通訊模塊、電能采集模塊、紅外線控制模塊、繼電器模塊。

插座的CPU控制模塊兼Wi-Fi通訊實現(xiàn)使用ESP8266Wi-Fi芯片，ESP8266 芯片是一個完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡芯片，能夠獨立運行在實現(xiàn)通訊的同時還可以作為CPU使用，也可以作為slave搭載于其他Host運行，可以連接到云端實現(xiàn)遠程的控制，搭載紅外設備可以紅外遙控，體積小巧，適合插座的制作。

插座的電能采集模塊要求數(shù)據(jù)具備高精度性的特點，其同樣是插座的核心部分之一，本文中電能采集模塊采用的是IM1281B交流電量測量模塊，該測量模塊的精度可達到國家一級精度，比起家用二級電表更精確。

用戶通過Wi-Fi通訊模塊可以設置定時開關用電器的電源，在設定的時間段內(nèi)將電源自行斷開，同樣可以隨時隨地在遠程開啟或關閉插座電源。智能插座控制器還可以通過電能采集模塊對用電器的電能及功率等相關電能數(shù)據(jù)進行采集，判斷電器用電情況，操縱繼電器來控制電源的開關情況。通過記錄電器的總用電量，顯示當前已消耗電能。方便用戶了解各電器的耗電情況。此外插座添加了紅外線收發(fā)裝置，通過無線Wi-Fi通訊模塊可對家中紅外設備用電器的開關閉合進行操控，在一定程度上實現(xiàn)了智能家居多方面控制家電的功能。系統(tǒng)設計框架如圖1所示。

2、硬件設計

2.1Wi-Fi通訊連接設計

ESP8266是樂鑫公司生產(chǎn)的低功耗WI-FI芯片，內(nèi)置32位CPU，能夠獨立運行，也可以作為slave搭載于其他Host運行，可以廣泛應用于智能家居、無線傳感器等領域。同類 ESP8266芯片種類有很多，本文采用ESP8266-12p芯片，該芯片有效通訊距離400 m波特率支持范圍：110～115200*40，采用TCP協(xié)議保障傳輸過程的安全可靠，控制模塊同樣為ESP8266Wi-Fi模塊，該芯片可搭載應用，除此之外其也是設備中唯一的應用處理器，能夠直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。通過使用DOIT LOT云平臺，來對Wi-Fi模塊ESP8266實現(xiàn)遠程的互聯(lián)網(wǎng)操作，通過獲取‘key’的方式進行連接，開發(fā)環(huán)境支持Arduino ide對ESPduino開發(fā)環(huán)境搭建，連接Wi-Fi網(wǎng)絡使用TCP通訊方式連接數(shù)據(jù)，既可靠又能保證其安全，在該芯片運用上不僅可以實現(xiàn)與DOIT LOT云平臺互聯(lián)，根據(jù)其兼容性，還可制作相關的App，達到與無線模塊通訊、連接的目的。

該芯片使用方便且構造簡單，成本低廉，適用于Wi-Fi智能插座的設計。相對于傳統(tǒng)的單片機Wi-Fi板開發(fā)，省去了買Wi-Fi模塊和擴展板的費用。該芯片強大的片上處理和存儲能力，實現(xiàn)了最低前期的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和運行中最少地占用系統(tǒng)資源?？梢酝瑫r兼顧體積和靈活性。

2.2電源設計

LNK304設計的AC-DC非隔離電源，L與N分別是交流火線與零線，以零線作為地線。此電路無需外加變壓器，穩(wěn)壓5V，可以提供150mA左右的電流，啟動和操作電源直接從引腳D加入，在降壓（Buck）和回掃（Flyback）變換器等拓撲中，不需要偏置電源電路。適用85～265V的全球交流供電線路。能夠保證在AC85V～265V的交流范圍內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，紋波也很小，在50mV左右。

2.3插座計量電路

如圖所示通過使用IM1821B模塊，屬于單行交流電能計量模塊，模塊準精度可達到國家1級標準;通常情況下可以測量45～65Hz的交流電壓、電流功率等電氣數(shù)據(jù)，使用串口通信MODBUS通訊規(guī)定條約進行數(shù)據(jù)的采集。

2.4顯示模塊

顯示模塊使用0.96寸OLED作為顯示屏，工作電壓為5V，可以滿足數(shù)據(jù)的顯示和體積的大小要求，MCU將需要顯示的數(shù)據(jù)發(fā)送到OLED即可完成顯示，操作簡單、價格低廉。

2.5 繼電器模塊

單片機是一個弱點元件，驅動電流在毫安級以下，需要用繼電器作為功率驅動元件，如圖所示。

開關K處于插座接線端子的最前端，保證負載電壓或電流出現(xiàn)異常時及時切斷電源，保證電器的安全。

2.6紅外收發(fā)模塊

紅外遙控是利用近紅外光進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N控制方式。近紅外光波長0.76um～1.5um，紅外遙控收發(fā)器件波長一般為0.8um～0.94um，具有傳輸效率高，成本低且電路實現(xiàn)簡單，抗干擾強等優(yōu)良特點，在家用電器上被廣泛使用。在ESP8266的外圍Io電路上只需要添加上一對紅外對管，收到控制指令后，將在紅外線編碼庫中向外發(fā)送與之相應的紅外線編碼，即可控制紅外遙控設備。

3、軟件設計

系統(tǒng)硬件設計完成后需要進行軟件環(huán)境的開發(fā)和應用程序的設計。在實現(xiàn)主板與云端正常連接通訊后，需保障模塊之間的良好通信和繼電器電路的正?？刂疲瑫r為插座添加掉電保存的功能，防止用戶定時開關過程中插座定時控制功能掉電失效。圖4為系統(tǒng)流程圖。

因在設計中通訊模塊和控制處理模塊是同一塊芯片，并且還可以獨立運行。在程序燒錄完成，先對ESP8266進行初始化，第一步確定無線網(wǎng)絡通訊協(xié)議的正?；?，由于每一項數(shù)據(jù)的上傳和顯示要求精確可靠性，第二步云端連接后，用芯片獲取網(wǎng)絡當前時間在使用中斷定時器下，用戶通過設定時間可以實現(xiàn)對插座用電器的控制，第三步將對繼電器紅外收發(fā)管等外部電路完成狀態(tài)初始化。

上電初始化之后，開始功率、電流、電壓脈沖的周期測量，如果測量完成之后，進行功率、電流、電壓計算，如果是正在校準，需要將校準數(shù)據(jù)保存到EEPROM。手機終端的按鍵處理主要包括開或關插座電源，定時設置插座通斷的時間。

4、測量數(shù)據(jù)

在實現(xiàn)了硬件和軟件的設計之后，經(jīng)過多次測量和調(diào)試，將智能插座和普通插座同時在相同電器下進行了15天的實際投入使用，兩插座的數(shù)據(jù)均由WFLC-E便攜式電量記錄分析儀勘測電氣數(shù)據(jù)，智能插座的電能使用顯示和電表勘測值誤差±5，表格1是實驗比較數(shù)據(jù)展示（數(shù)據(jù)按整數(shù)處理）。

5、結語

本設計主要使用到了Wi-Fi通信模塊和電量測量模塊。兩大模塊最為重要的是數(shù)據(jù)的采集和遠程控制的功能實現(xiàn)。本產(chǎn)品的設計是智能插座，設計需要小巧玲瓏、方便快捷，對于模塊的體積復雜程度和成本的高低有著極高的要求，經(jīng)過大量的查閱和實踐便可以得到最佳的使用模塊和設計方案。設計完成還需要對采集到的數(shù)據(jù)精度進行誤差修正和程序上的優(yōu)化，這些工作需要大量的時間和耐心進行鉆研，唯有不斷嘗試和持之以恒才可以設計出最好的方案。在將設計方案轉化為實物模型后，經(jīng)過多次的測試、檢驗、證明了該設計方案可行性和合理化，并具有科學性、創(chuàng)新性、實用性等特點。初期做出的產(chǎn)品已經(jīng)具有了本設計的特征要求，在后期優(yōu)化時按照設計技術的指標要求，進一步進行了系統(tǒng)的細節(jié)優(yōu)化，比如繼電器的通斷速度、負載能力、功耗等。智能插座的使用給人們的生活帶來了極大便利，它在普通插座上添加了智能化功能，延長了家用電器的使用壽命、豐富了插座的功能性。有物聯(lián)功能的智能插座更是一個智能化發(fā)展的趨勢，并迎合了現(xiàn)代科技發(fā)展的環(huán)保節(jié)能需求，且智能插座的使用可以有效的降低室內(nèi)火災發(fā)生的概率，極大地提高了日常生活用電的安全系數(shù)。

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