基于機智云平臺的智能WiFi插座設(shè)計與實現(xiàn)

鄧天金 王昭武 樊娟

摘要：隨著智能化科技的飛速發(fā)展，智能設(shè)備的需求也不斷增加。智能插座將傳統(tǒng)的插座與WiFi技術(shù)相結(jié)合，通過云平臺連接服務(wù)器實現(xiàn)智能化管理，用戶通過手機App即可實現(xiàn)遠程控制，如插座的開/關(guān)、定時設(shè)置、倒計時設(shè)置、循環(huán)設(shè)置。此外，還有電量統(tǒng)計、過載保護、帶載能力強的特點。設(shè)計成果經(jīng)過調(diào)試，達到預(yù)期效果，各項性能指標均穩(wěn)定，能較好的滿足人們?nèi)粘Ｉ钪须娖髟O(shè)備的管理需求。

關(guān)鍵詞：WiFi技術(shù);云平臺;手機App;智能插座

中圖分類號： TM503.5? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

當前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為智能化領(lǐng)域的研究與應(yīng)用熱點[1]，智能化產(chǎn)品開始走進人們的生活，給人們帶來了極大的便利。在智能時代的潮流下，智能家居、智能城市、智能工業(yè)等智能化設(shè)備得到不斷的進步與發(fā)展，智能插座在智能家居[2]和智能用電技術(shù)[3]的基礎(chǔ)上得以發(fā)展。

智能插座主要技術(shù)包括通信技術(shù)、硬件端電路技術(shù)、手機App應(yīng)用端開發(fā)技術(shù)等。通信技術(shù)采用無線通信技術(shù)，常見的無線通信技術(shù)有藍牙、ZigBee、WiFi等，采用不同的無線通信技術(shù)對智能設(shè)備的實際應(yīng)用效果影響非常大。例如：○1基于藍牙控制的智能家居系統(tǒng)的研究，通過手機藍牙作為主機來訪問作為從機的藍牙設(shè)備，從而實現(xiàn)控制設(shè)備。優(yōu)點是在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下還能進行通信，缺點是藍牙傳輸距離短，用戶只能對有效范圍內(nèi)的設(shè)備進行控制?！?采用ZigBee通信技術(shù)的智能插座設(shè)計[4]具有低成本、低功耗等優(yōu)點，但它不具備實時數(shù)據(jù)反饋和遠程控制，接入互聯(lián)網(wǎng)需要復雜的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換。因此，ZigBee通信技術(shù)存在靈活性差、通信距離短的缺點。相比于其它兩種通信技術(shù)，WiFi通信技術(shù)[5]具有建設(shè)便捷、覆蓋范圍廣、高數(shù)據(jù)傳輸速率、無線接入等優(yōu)點。

針對以上問題，綜合各種無線通信技術(shù)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及云平臺和設(shè)計成本的考慮，本文設(shè)計了一款基于機智云平臺的智能WiFi插座。其采用無線WiFi通信技術(shù)，只要在有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以通過手機應(yīng)用端隨時監(jiān)測和控制插座，加上機智云平臺提供可靠和穩(wěn)定的服務(wù)器服務(wù)，使得這款插座具有低功耗、低成本、功能豐富、安全可靠等優(yōu)點，給人們提供了一種安全、便利、可靠的生活環(huán)境。

1 智能WiFi插座的系統(tǒng)設(shè)計方案

如圖1所示，整個系統(tǒng)設(shè)計框架主要由機智云平臺、手機App應(yīng)用端、ESP8266WiFi模組、插座硬件端、路由器等組成，通過建立連接和傳輸協(xié)議，使已經(jīng)移植好GAgent的ESP8266WiFi模組與路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)，由機智云平臺提供服務(wù)器服務(wù)，用戶使用手機連接WiFi，再通過手機App綁定插座設(shè)備，即可遠程控制插座，實現(xiàn)智能化管理。

1.1 機智云平臺

機智云平臺[6]為開發(fā)者提供了自助式智能硬件開發(fā)工具與開放的云端服務(wù)。通過自助工具、完善的SDK與API服務(wù)能力，最大限度降低了物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻，降低開發(fā)者的研發(fā)成本，提升開發(fā)者的產(chǎn)品投產(chǎn)速度，幫助開發(fā)者進行硬件智能化升級，更好的連接。

1.2 手機App應(yīng)用端

本設(shè)計是針對Android系統(tǒng)進行的開發(fā)[7]。首先，在機智云平臺根據(jù)自己項目需求創(chuàng)建數(shù)據(jù)點。所謂數(shù)據(jù)點，即通信時傳遞的信號控制量。例如：開/關(guān)為布爾型、定時開/關(guān)為數(shù)值型、電量統(tǒng)計為數(shù)值型。接著，機智云平臺會根據(jù)定義的數(shù)據(jù)點，自動生成對應(yīng)的Android應(yīng)用框架，將Android應(yīng)用框架進行二次開發(fā)，進行界面UI的美觀化和加入更豐富的功能。最后，將源碼生成APK包，發(fā)布到騰訊應(yīng)用寶，其將會提供二維碼，用戶只需掃碼下載安裝即可。

1.3 GAgent

1.3.1 GAgent功能概述

GAgent是運行在各種通訊模組上的一款應(yīng)用程序，又稱固件，提供上層應(yīng)用（手機App等控制端、云端）到產(chǎn)品設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)通訊，還提供對設(shè)備的配置入網(wǎng)、發(fā)現(xiàn)綁定、程序升級等功能。GAgent主要的作用是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是設(shè)備數(shù)據(jù)、機智云、應(yīng)用端（App）的數(shù)據(jù)交互橋梁。因此，將GAgent固件移植到ESP8266WiFi模組中，即可實現(xiàn)WiFi模組配置入網(wǎng)。

1.3.2 GAgent接入機智云流程

設(shè)備上電

GAgent請求設(shè)備信息;

回復GAgent設(shè)備信息;

設(shè)備正常工作，需回復GAgent發(fā)出的心跳包;

GAgent網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化通知MCU。

配置入網(wǎng)

為了使設(shè)備連接路由器，需要進行配置入網(wǎng)。目前主要有3種配網(wǎng)方式：airkiss（微信）、airlink、softap。本設(shè)計采用配置入網(wǎng)的方式為：airlink。配置入網(wǎng)步驟為：

App端連接路由器，通過添加設(shè)備，填寫SSID、密碼;

MCU端發(fā)送串口指令，使GAgent進入airlink模式。App端點擊配置設(shè)備，發(fā)送UDP配置包給GAgent，GAgent通過收到的SSID和密碼，連接到路由器，并發(fā)送配置成功包給App;

App收到配置成功包，配置入網(wǎng)成功。

搜索、綁定設(shè)備

手機設(shè)備連接WiFi，通過App登陸賬戶連接云端（若是新用戶，需完成注冊才能登陸），

App發(fā)送UDP廣播包（刷新設(shè)備列表）給GAgent，GAgent收到后發(fā)送回復信息，App獲取云端設(shè)備列表，并顯示設(shè)備列表，MCU通過串口發(fā)送進入綁定模式包給GAgent，GAgent進入綁定模式，App綁定GAgent成功。

1.4 插座硬件端設(shè)計

如圖2所示，插座硬件端主要包括ESP8266WiFi模組、AD-DC降壓模塊、繼電器、AMS1117-3.3V穩(wěn)壓模塊、HLW8012電量統(tǒng)計芯片等組成。

1.4.1硬件系統(tǒng)連接流程

由于ESP8266WiFi模組[8]本身就是單片機，因此它既充當通信設(shè)備，也是控制單元。利用AD-DC降壓模塊將220V交流電轉(zhuǎn)為5V直流電，分別為繼電器、HLW8012芯片和ESP8266WiFi模組提供電源，其中ESP8266WiFi模組要求3.3V穩(wěn)定電源，利用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓模塊將5V電源轉(zhuǎn)為3.3V為其供電。ESP8266WiFi模組的GPIO口通過三極管實現(xiàn)繼電器控制，繼電器的光耦隔離兩端串接在火線上，從而實現(xiàn)通過GPIO口來控制電源的斷開或閉合。繼電器電路圖如圖3所示。

1.4.2 HLW8012電量統(tǒng)計設(shè)計

HLW8012為單相多功能計量芯片[9]，其提供高頻脈沖 CF 用于電能計量和高頻脈沖 CF1 用于指示電流有效值或者電壓有效值，該芯片采用 SOP8 封裝。 HLW8012電路連接圖如圖4所示，電路采樣結(jié)構(gòu)采用：非隔離采樣方案 +非隔離電源，此結(jié)構(gòu)具有體積小、成本低的優(yōu)點。此外，該電路是以N為參考電平，即N是0V，L對N的電壓有效值是220V。圖4中參考電平N和5V參考電平GND需要連在一次，否則會因為輸入信號 V1P、V1N和V2P相對于GND的電壓是虛浮的狀態(tài)而燒壞芯片。

HLW8012引腳說明

如圖4所示，HLW8012引腳V1P，V1N為輸入電流采樣信號，將錳銅電阻R2串接入零線，通過測其兩端電壓值來計算電流值;引腳V2P為輸入電壓采樣信號，串接入火線，4個470K電阻分壓后得到交流電輸入至V2P引腳進行測量;CF、CF1直接接入到 CPU 的輸入端，通過計算 CF、CF1 的脈沖周期來計算功率值、電流有效值和電壓有效值的大小;SEL 為電壓/電流測量切換端口，SEL置高（高電平>4.5V），CF1 輸出電壓頻率脈沖，SEL 置低，CF1 輸出電流頻率脈沖。

功率、電壓和電流的計算

HLW8012數(shù)據(jù)手冊中有功率、電壓和電流在理論狀態(tài)下的計算公式，但是由于芯片內(nèi)部和外圍采樣電路的影響會導致誤差，因此需要將設(shè)計的插座進行校正，通過校正后的數(shù)據(jù)再進行計算，以縮小誤差。

CF 腳輸出的脈沖頻率的周期表示功率值 P，功率越大，CF 腳輸出的脈沖頻率越大，成比例變化。即符合等比公式：

參數(shù)說明： Pref ：參考負載功率

Fref ：參考負載的脈沖頻率

P ：負載

F ：負載對應(yīng) CF1 腳輸出的脈沖頻率

變量Pref和Fref是將插座進行校正后的參考值，F(xiàn)為CF引腳輸出的脈沖頻率，功率P即為所求值。同理，電壓和和電流的計算也符合等比公式，注意電壓或電流測量時需用SEL端口進行切換，并且切換后需延時一段時間，再進行讀取數(shù)據(jù)，本設(shè)計只采用電流測量。

插座的校正

如果對精度要求不高，允許在 5%-10%左右，那么可以不進行校準，直接參考相關(guān)的校正文件。校正過程如下：在測試過程中，使用己知負載，比如使用 Pref=100W 燈泡當作負載，插在插座上并通電，然后 CPU 實測出 100W 負載下的功率頻率 Fref（周期）、電壓頻率（周期）和電流頻率（周期），并記錄下來，把這組數(shù)據(jù)做為常數(shù)，寫入CPU程序內(nèi)。最后利于等比關(guān)系用于計算，就可以得出接近于真實值的數(shù)據(jù)，P=F* P_ref/F_ref ， Pref和Fref是己知量，F(xiàn)是CPU實測的未知負載的CF輸出頻率。

2 智能WiFi插座的功能與實現(xiàn)

2.1 App登陸與設(shè)備綁定

首先，打開App，進入“登陸”界面，通過注冊賬號進行登陸。接著，進入“我的設(shè)備”界面，點擊“一鍵配置”，長按插座的入網(wǎng)配置按鈕3秒，使得ESP8266WiFi模組進入聯(lián)網(wǎng)配置模式。然后，輸入WiFi賬號和密碼，應(yīng)用將根據(jù)輸入的WiFi信息去匹配設(shè)備。匹配完成后，即可以點擊設(shè)備，進入插座控制界面，如圖5所示。

2.2 插座的功能介紹

插座的開/關(guān)

用戶直接點擊圖5中正上方的插座圖標，即可實現(xiàn)開/關(guān)控制，當插座為開啟狀態(tài)時，會顯示電量統(tǒng)計值。

插座的定時控制

當模式切換為“定時”模式時，MCU會首先同步網(wǎng)絡(luò)時間，并將網(wǎng)絡(luò)時間進行一次上報。如果用戶輸入預(yù)約開啟或關(guān)閉時間，在MCU端接收到此數(shù)據(jù)點后，將進行解析，并以每一分鐘的間隔時間將解析時間與同步的網(wǎng)絡(luò)時間做對比，當滿足條件時，GPIO口將輸出高/低電平，控制繼電器開/關(guān)。時間設(shè)定完畢后，MCU本地會保存當前設(shè)定的定時時間，本地RTC時鐘會正常運行，因此即使過程中斷網(wǎng)，也不會影響已經(jīng)設(shè)定的定時開關(guān)操作。

插座的倒計時控制

當模式切換為“倒計時”模式時，在用戶輸入倒計時開啟或關(guān)閉的時間后，MCU收到此數(shù)據(jù)點，并進行解析，將解析的時間值存入定時器，當定時器到達預(yù)設(shè)條件時，觸發(fā)中斷，GPIO口將輸出高/低電平，控制繼電器開/關(guān)。

循環(huán)開/關(guān)

當選擇循環(huán)打開時，定時或者倒計時模式會以一天的周期進行循環(huán)。

3 智能WiFi插座的應(yīng)用前景分析

3.1智能WiFi插座的應(yīng)用特點

智控功能

手機遠程遙控，一鍵開關(guān)，多種定時模式，比如可以根據(jù)熱水器、小夜燈、魚缸、取暖器等多種場景開啟相應(yīng)定時模式。

簡單的配網(wǎng)方法

下載軟件;

接入電源;

添加/查找設(shè)備;

網(wǎng)絡(luò)配置;

配網(wǎng)完成。

3.2智能WiFi插座的應(yīng)用分析

插座從普通的電器連接器升級成了擁有獨立系統(tǒng)的智能化設(shè)備[10]，是一種擁有不錯創(chuàng)意的產(chǎn)品。它利用了現(xiàn)有家庭中的WiFi網(wǎng)絡(luò)，讓智能手機或平板電腦等在聯(lián)網(wǎng)條件下，通過App操作打開或者關(guān)閉指定的電器。由于智能插座能夠做到讓電器完全斷電，對于電視機、電熱水器等待機功率較大的電器，用智能插座控制后就能做到隨用隨開，每個月也能省下可觀的電費。以往離家在外無法完成的家務(wù)事，通過WiFi智能插座可讓電器獨立完成，給用戶的生活帶來了諸多的便利，并且內(nèi)設(shè)防短路、防過載的功能，真正做到安全。

4 結(jié)語

在當前的社會發(fā)展環(huán)境下，智能化發(fā)展是未來的發(fā)展趨勢。一款好的智能產(chǎn)品能極大的豐富人們的生活品質(zhì)，提高人們的生活質(zhì)量。本文從將插座智能化的角度出發(fā)，設(shè)計了一款基于機智云平臺的智能WiFi插座，用戶通過它不僅能方便的管理用電設(shè)備，而且還能減少用電開銷，更是為家人添加一份安全保障。通過對設(shè)計的不斷完善和測試，該成果各項性能可靠、穩(wěn)定。因此，這款智能WiFi插座具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。

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作者簡介：

鄧天金（1996-），男，四川人，大學本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學電子信息工程專業(yè)，主要從事于電子信息方面的研究。

王昭武（1998-），男，江西人，大學本科，現(xiàn)就讀于西北民族大學電子信息工程專業(yè)，主要從事于電子信息方面的研究。

通訊作者：

樊娟（1983-），甘肅渭源人，實驗師，碩士，主要研究方向為大學物理實驗教學、物理教育。