基于ESP8266的Wi-Fi智能插排

鮑民悅

摘? 要：該課題主要對智能插排進(jìn)行研究，智能插排是一種大規(guī)模生產(chǎn)的智能家居產(chǎn)品，它的出現(xiàn)在一定程度上打破了智能家居定制化的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，使人們可以深入感受智能家居產(chǎn)品所帶來的便利，最重要的是展現(xiàn)技術(shù)再加工給生活帶來的簡明、直觀以及方便之處。該文對基于ESP8266的Wi-Fi智能插排進(jìn)行研究設(shè)計，通過系統(tǒng)設(shè)計理念，對Wi-Fi智能插排進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：智能插排;ESP8266;Wi-Fi

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

智能插排是以智能家居產(chǎn)品為基礎(chǔ)，具有自己獨(dú)立特征的小型電子產(chǎn)品，隨著智能家居概念的不斷成熟，智能插排也得到了一定的發(fā)展，現(xiàn)有的智能插排使用的是定時型智能技術(shù)。該文正是在這種背景下設(shè)計了一套由硬件平臺、服務(wù)器和手機(jī)軟件構(gòu)成的智能插排控制系統(tǒng)，并且可以在Android手機(jī)的遠(yuǎn)程控制下進(jìn)行智能控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計理論

該文以主控芯片ESP8266為MCU平臺，采用本身自帶無線Wi-Fi模塊的串口來完成通信過程，系統(tǒng)的設(shè)計主要使用外加433M無線收發(fā)模塊。

1.1 電壓變換裝置

中央控制器、Wi-Fi模塊以及繼電器模塊需要3.3 V～5 V的直流驅(qū)動電壓，主要是由高性能的電流模塊PWM控制器THX208芯片，將普通的220 V交流電轉(zhuǎn)換為5 V左右的低壓直流電。

1.2 無線通信技術(shù)

Wi-Fi的概念在1999年第一次被提出，Wi-Fi是一種無線通信技術(shù)。1999年使用的Wi-Fi是IEEE 802.11b，它與紅外線通信技術(shù)、藍(lán)牙等通信技術(shù)一起被稱為短距離通信技術(shù)。一直到近幾年Wi-Fi才得以迅速發(fā)展，現(xiàn)在使用最多的無線標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.1 ib，傳輸速率也從2 M提高到20 M，甚至可以達(dá)到200 M/s的速度，但是在現(xiàn)在即使是這樣的高速率也無法滿足人們對于網(wǎng)絡(luò)的高要求。

1.3 無線連接方案

無線連接方式選擇ATK的ESP8266無線網(wǎng)絡(luò)，這種無線連接方式的優(yōu)點(diǎn)是成本低、功耗低以及軟硬件設(shè)計簡化等，這種無線網(wǎng)絡(luò)的控制過程是手機(jī)無線設(shè)備——Wi-Fi模塊——EAP8266處理器——無線繼電器——智能插排。

首先使用無線智能手機(jī)下載APP之后，通過Wi-Fi發(fā)送信號和數(shù)據(jù)到ESP8266的無線模塊中，該無線模塊屬于一種無線傳輸設(shè)備，它可以將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳送到MCU中，隨后MCU可以通過GPIO端口來實現(xiàn)對于繼電器的控制，最終實現(xiàn)對智能插座的控制。

2 Wi-Fi智能插排設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 ESP8266主控平臺

ESP8266芯片是由樂鑫公司研發(fā)并生產(chǎn)的適用于無線智能家居的芯片，它可以形成一個比較完整的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，在使用ESP8266芯片作為智能產(chǎn)品的唯一的應(yīng)用處理器時，該芯片可以保證整個設(shè)計方案占據(jù)的PCB空間最低。ESP8266使用的固件化協(xié)議棧，其中主要包括Wi-Fi Direct（P2P）、802.11b/g/n、Soft-AP、LwIP協(xié)議棧以及內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，所以不需要客戶再一次設(shè)計這一模塊，而且8266中還涵蓋了功率放大器、IR開關(guān)、匹配網(wǎng)絡(luò)電路以及Balun-LNA。ESP8266芯片的主要運(yùn)營模式有睡眠模式、激活模式以及深度睡眠模式3種形式，這3種運(yùn)行模式之間互相配合，從而達(dá)到低功耗的工作要求，并且可以保證如果智能插排處于不工作的狀態(tài)時，不會給客戶增加用電量。

ESP8266芯片內(nèi)部含有一個32位的微型CPU，芯片接口和CPU的連接情況具體如下：1）JTAG調(diào)試接口;2）儲存控制器;3）儲存控制器的數(shù)據(jù)總線;4）AHB接口。ESP8266不僅含有內(nèi)核，還有很多外設(shè)，其中有很多數(shù)字接口和模擬接口，在使用ESP8266芯片時還需要使用串口功能和通用I/O。

2.1.2 電源電路

電源電路主要是為智能插排提供穩(wěn)定持續(xù)的直流電源，因為ESP8266芯片的工作電壓是3.3 V的直流電壓，所以電源模塊的主要工作就是將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為3.3 V的直流電?，F(xiàn)在主要有3種轉(zhuǎn)變方式可以將高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞯土麟姡鹤枞萁祲悍桨?、開關(guān)電源方案以及變壓器整流濾波方案。這3種方案都有一定的優(yōu)點(diǎn)，同時也有缺點(diǎn)，象開關(guān)電源方案中使用的芯片是專用的，性能好、體積小，但是芯片對于立板的要求相對比較高，如果在設(shè)計反饋電路時存在不當(dāng)之處就會產(chǎn)生大量的磁污染，可能會影響Wi-Fi信號，甚至直接影響開關(guān)芯片的輸出情況;阻容降壓方案在工業(yè)中的應(yīng)用比較少，因為阻容降壓是一種非隔離方案，所以安全系數(shù)比較低，但是智能插排這種智能家居產(chǎn)品對于安全方面的要求非常高;而變壓器整流濾波方案中使用的隔離式降壓方案，這種方案相對比較穩(wěn)定且安全系數(shù)高，并且電磁靜電能力強(qiáng)、大功率負(fù)載強(qiáng)。

2.1.3 電能計量模塊

電能計量模塊主要是用于定量分析電氣設(shè)備的用電情況，并且將用電設(shè)備的無功功率、有功功率以及總功率通過Wi-Fi信號的形式傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)APP中。該模塊中使用的是HLW8012單相電能計量芯片，它可以測量設(shè)備的電量、有功功率、電流和電壓的有效值，其中還有兩路ADC和PGA來進(jìn)行電流和電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換之后可以將HLW8012芯片內(nèi)部的電流和電壓的有效值轉(zhuǎn)化為方波脈沖形式輸出，而且各數(shù)值的頻率、大小和周期呈反比，和頻率的大小成正比。

2.1.4 繼電器模塊

繼電器是一種可以同時具備被控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的電子元器件，當(dāng)輸入通道從低電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷夯蛘邚母唠妷恨D(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷簳r，繼電器就會控制用電設(shè)備是處于斷電狀態(tài)還是通電狀態(tài)。而繼電器模塊主要是負(fù)責(zé)執(zhí)行用電設(shè)備的上電和斷電，ESP8266芯片需要將用電設(shè)備切換到某一狀態(tài)時，就需要繼電器模塊來實現(xiàn)這一過程。

2.2 軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程主要是設(shè)計手機(jī)APP、單片機(jī)程序以及服務(wù)器軟件等，在進(jìn)行智能插排的控制系統(tǒng)時，軟件系統(tǒng)需要負(fù)責(zé)控制整個控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以根據(jù)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，可以將控制系統(tǒng)分為3個主要部分：在廣域網(wǎng)環(huán)境中，智能插排和手機(jī)APP之間的連接可能會超時，為了使兩者之間建立新的連接，首先，手機(jī)需要向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請求，然后服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的打洞，其中傳輸?shù)男畔⒕褪嵌?，這個創(chuàng)建的洞就是插排和手機(jī)之間的新連接;在局域網(wǎng)環(huán)境中，手機(jī)APP和智能插排必須在同一局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行連接，之后通過UDP/IP協(xié)議將信息傳輸?shù)椒?wù)器中，完成注冊工作;在無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，需要通過點(diǎn)擊按鍵的形式來完成控制插排的開關(guān)。

3 結(jié)語

在智能插排的工作過程中，通過手機(jī)APP中對應(yīng)的圖標(biāo)就可以控制家中的智能家居產(chǎn)品的工作和關(guān)閉狀態(tài)，也就是說使用者可以通過手機(jī)APP來查看家中智能家居設(shè)備實時的開關(guān)狀態(tài)、定時以及用電狀況，這樣在很大程度上節(jié)約了電能、為使用者提供了方便并且降低了不安全事故的發(fā)生概率。

參考文獻(xiàn)

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