基于Esp8266多功能安全智能插座

王 彪，李 輝，鄧俊杰，趙言勝

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

當(dāng)今大學(xué)生寢室的桌子使用面積有限并且時(shí)常放置大量的電子設(shè)備，而隨意放在桌面的各種飲品不小心潑灑到電子設(shè)備或插座中極易導(dǎo)致線路短路，所以如何高效的使用有限空間和提高用電安全顯得十分重要。此外，夜里在沒(méi)有照明的情況下學(xué)生上下床很容易發(fā)生摔倒等諸多問(wèn)題，如果能用手機(jī)控制電燈的開(kāi)關(guān)或插座的通斷就很方便。正是在這種背景下設(shè)計(jì)了一套由硬件平臺(tái)、服務(wù)器和手機(jī)軟件構(gòu)成的智能插座，實(shí)現(xiàn)手機(jī)的遠(yuǎn)程控制操作，并通過(guò)溫度傳感器檢查插座內(nèi)部溫度，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋防止過(guò)熱。獨(dú)特的外觀設(shè)計(jì)可以防止液體的流入，同時(shí)它還具有電子鐘、藍(lán)牙音箱和電燈的功能可以減少常用電子設(shè)備數(shù)量，內(nèi)部還具有的較大空間可收納充電設(shè)備的多余電源線，提高了桌面使用面積[1-3]。

1 硬件框架

基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的硬件框架如圖1所示，主要包括Arduino UNO控制器模塊、ESP8266串口Wi-Fi模塊、LED顯示屏模塊、穩(wěn)壓模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊及溫度傳感器模塊。

1.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

ESP8266芯片工作時(shí)所需要的工作電壓是3.3 V的低壓直流電，為了達(dá)到所需的工作電壓，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊，將日常使用的220 V高壓交流電轉(zhuǎn)化成芯片工作時(shí)所需的3.3 V低壓直流電。把日常所用的高壓交流電轉(zhuǎn)化為為低壓直流電的方法主要有三種：（1）變壓器整流濾波方案；（2）阻容降壓方案；（3）開(kāi)關(guān)電源方案。三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但與其余兩個(gè)方案相比，變壓器整流濾波方案可以使用隔離式降壓方案，這種方案比較穩(wěn)定，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，所以選擇變壓器整流濾波方案。

1.2 ESP8266串口Wi-Fi模塊

ESP8266串口Wi-Fi模塊的封裝大小和低能耗技術(shù)適合移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的使用設(shè)計(jì)，可將平時(shí)使用的移動(dòng)設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，來(lái)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的互聯(lián)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266具有完善的節(jié)能結(jié)構(gòu)可以長(zhǎng)時(shí)間工作，支持三種不同工作模式，分別是主動(dòng)模式、睡眠模式和深度睡眠模式，用戶可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模式。ESP8266串口Wi-Fi擁有很多優(yōu)點(diǎn)，如能耗較低、體積較小、價(jià)格便宜、燒寫(xiě)固件方便、傳輸數(shù)據(jù)速度快、工作溫度范圍極其廣泛、保持穩(wěn)定的性能及適應(yīng)各種操作環(huán)境。此外，ESP8266僅需很少的外圍電路，可將所占PCB空間降低。

圖1 硬件框架圖

1.3 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

本文設(shè)計(jì)的智能插座的繼電器驅(qū)動(dòng)模塊是使用3.3 V低壓電源來(lái)控制220 V高壓開(kāi)關(guān)，繼電器設(shè)置為高電平觸發(fā)。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊與Arduino UNO控制器的連接關(guān)系是：繼電器驅(qū)動(dòng)模塊的VCC、GND連接Arduino UNO控制器的8管腳和GND，繼電器的IN1、IN2連接插座。繼電器驅(qū)動(dòng)模塊起到電動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用，通過(guò)Arduino UNO控制繼電器驅(qū)動(dòng)模塊，再由繼電器驅(qū)動(dòng)模塊控制插座的通斷或電燈的開(kāi)關(guān)。智能插座設(shè)計(jì)的繼電器驅(qū)動(dòng)模塊在關(guān)閉和開(kāi)啟時(shí)都有LED顯示燈閃爍不同顏色來(lái)提示，當(dāng)使用者需要切斷插座電源時(shí)，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備將關(guān)閉信號(hào)傳遞給Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器接收到需要關(guān)閉插座信號(hào)后，使8管腳置低電平，相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)模塊關(guān)閉電源，然后插座就不會(huì)通電；同樣當(dāng)使用者需要打開(kāi)插座時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)傳遞給Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器把8管腳設(shè)置為高電平。

1.4 傳感器模塊

本文所設(shè)計(jì)的智能插座的傳感器模塊為溫度傳感器。在平時(shí)生活中，存在使用插座充電時(shí)無(wú)人注意情況，如果插座使用時(shí)負(fù)載太大，就有可能會(huì)短路引發(fā)火災(zāi)事故。但利用溫度傳感器檢測(cè)插座內(nèi)溫度過(guò)高，那么溫度傳感器就把溫度過(guò)高的信號(hào)傳送到Arduino，Arduino通過(guò)繼電器切斷插座電源供給，同時(shí)Arduino通過(guò)ESP8266向手機(jī)發(fā)送信息，使用戶及時(shí)采取措施，避免造成更大的損失。

2 SolidWorks模擬的外部圖形

圖2為插座實(shí)物仿真圖。

2.1 尺寸及各功能說(shuō)明

智能插座各組成部分：①為插座的外部擋板；②為電子時(shí)鐘顯示屏；③為光源；④為藍(lán)牙音響；⑤為電子設(shè)備充電線末端伸出位置；⑥為電源插孔。

尺寸：長(zhǎng)為32 cm，寬為14 cm，高為14 cm。

插座接通電源，用電子設(shè)備將插頭插入⑥的電源插孔中，多余電源線部分可都放入插座中的多余空間內(nèi)，僅僅將電子設(shè)備充電線末端從⑤的小孔中伸出，然后將①擋板關(guān)閉，這樣可以防止液體進(jìn)入保證使用安全，也可以將多余的線進(jìn)行隱藏保持桌面整潔，③是光源與插座連為一體，擁有較大的發(fā)光面積可以調(diào)節(jié)亮度并進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)，并且它與插座主體有一定距離，避免插座過(guò)熱造成的危害，④是音響可以與手機(jī)藍(lán)牙連接播放音樂(lè)，本產(chǎn)品有極大的可開(kāi)發(fā)性可以與其他物品相結(jié)合，使其更具實(shí)用性。

圖2 實(shí)物仿真圖

3 軟件的設(shè)置

使用ESP8266進(jìn)行智能插座的遠(yuǎn)程無(wú)線控制基本操作：首先ESP8266進(jìn)行初始化，將移動(dòng)設(shè)備連接上ESP8266的Wi-Fi，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備發(fā)送指令到服務(wù)器，服務(wù)器將信息傳遞給ESP8266，最后ESP8266接受消息并將數(shù)據(jù)傳給Arduino開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板通過(guò)控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)插座的通斷或電燈的開(kāi)關(guān)，并通過(guò)ESP8266將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送反饋到手機(jī)顯示，防止插座溫度過(guò)高引起火災(zāi)。控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程圖

3.1 Wi-Fi的初始化

首先設(shè)置串口Wi-Fi的工作模式。通常ESP8266共支持3種工作模式，分別是softAP模式、station模式及softAP＋station。通常采用softAP模式，即無(wú)線接入點(diǎn)模式，因?yàn)樗梢越档蜔o(wú)線組網(wǎng)的成本。ESP8266發(fā)送Wi-Fi熱點(diǎn)信號(hào)，將移動(dòng)端設(shè)備接入熱點(diǎn)組建一個(gè)局網(wǎng)中。

ESP82666初始化設(shè)置步驟如下。

（1）發(fā)送AT+CWMODE=2，設(shè)置Wi-Fi的工作模式為softAP模式，即無(wú)線接入點(diǎn)模式。

（2）AT+CWSAP=“name”，“password”，設(shè)置Wi-Fi名稱和密碼。

（3）發(fā)送AT+CIPMUX=0，并設(shè)置禁止多連接模式。

（4）AT+CIPSTART=“TCP”，“X1.X2.X3.X4”，9999；讓模塊連上服務(wù)器，X1.X2.X3.X4為IP地址，9999為端口。

3.2 通信協(xié)議和服務(wù)器的搭建

微信小程序和ESP8266的通信協(xié)議的擬定如下。

微信小程序下發(fā)控制的通信協(xié)議如表1所示。

ESP8266上報(bào)同步的通信協(xié)議如表2所示。

使用百度天工服務(wù)器去搭建微信小程序MQTT硬件服務(wù)器的過(guò)程如下：

（1）在百度云注冊(cè)賬號(hào)，在“已開(kāi)通服務(wù)”中選擇“物接入loT Hub”進(jìn)行身份創(chuàng)建；

（2）開(kāi)始創(chuàng)建身份，填寫(xiě)必要信息，選擇數(shù)據(jù)類型MQQT；

（3）創(chuàng)建身份完成后，拿到MQTT連接的密碼和賬號(hào)；

（4）一共要?jiǎng)?chuàng)建2個(gè)用戶，一個(gè)是設(shè)備ESP8266，一個(gè)是微信小程序連接客戶端。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地介紹了基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了設(shè)計(jì)思路、硬件與軟件的實(shí)行方案，以供參考。

表1 下發(fā)通信協(xié)議

表2 上報(bào)通信協(xié)議