基于單片機(jī)的插座定時系統(tǒng)設(shè)計

朱俊濤 郭莉莉 張展 李璇

摘要：針對傳統(tǒng)插座功能簡單、不能定時的問題，設(shè)計了一款基于STM32單片機(jī)的插座定時系統(tǒng)。該插座定時系統(tǒng)具有短路保護(hù)、遠(yuǎn)程控制等功能，通過搭建消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）通信服務(wù)器，配合微信小程序?qū)崿F(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，也可通過實體按鍵實現(xiàn)插座的定時功能，最后將插座通電狀態(tài)顯示在OLED屏幕上。

關(guān)鍵詞：定時插座;STM32;ESP8266;MQTT

1 ? ?系統(tǒng)總體描述

本系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，使用ESP8266模塊連接MQTT服務(wù)器，實現(xiàn)插座系統(tǒng)和外界通信與控制。通過按鍵模塊及OLED顯示屏，實現(xiàn)通過按鍵和顯示屏完成插座的定時設(shè)置。交流電控制部分使用繼電器完成，采用降壓模塊連接220 V交流電源供電。直接使用STM32模塊上的RTC晶振來定時。為使用時更靈活，MQTT通信部分使用自建服務(wù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 ? ?硬件設(shè)計

2.1 ? ?單片機(jī)主控模塊

本設(shè)計使用的是STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32F103系列單片機(jī)是ST公司使用ARM公司設(shè)計的Cortex-M3架構(gòu)生產(chǎn)的32 bit單片機(jī)，其更接近計算機(jī)中的CPU，具有運(yùn)行速度較快，穩(wěn)定性強(qiáng)且價格較低等特點(diǎn)[1]。

2.2 ? ?電源模塊

交流轉(zhuǎn)直流電源模塊采用SM-PLG06A-4 W型開關(guān)電源模塊，該模塊支持85～264 V交流輸入，輸出直流電壓5 V、電流800 mA，最高輸出功率4 W足以帶動插座定時系統(tǒng)的全部組件。本設(shè)計在電源電路中添加了多級濾波電容，提高了電源的穩(wěn)定性。在輸入端火線處添加5 A/AC250 V的保險絲，作用是在電源模塊出現(xiàn)問題時及時熔斷保護(hù)電路。使用AMS1117穩(wěn)壓器，將5 V直流穩(wěn)壓至3.3 V直流并為單片機(jī)供電。

2.3 ? ?顯示模塊

顯示模塊使用0.96寸128×64點(diǎn)陣的OLED顯示屏，SCL為IIC通信中的時鐘管腳，而SDA則是IIC通信中的數(shù)據(jù)管腳。使用IIC通信協(xié)議，STM32僅需兩根線就能控制其顯示。

2.4 ? ?繼電器模塊

參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計了繼電器驅(qū)動電路。STM32通過PB1引腳控制繼電器，輸出高電平時繼電器導(dǎo)通，低電平時繼電器斷開，從而實現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。在繼電器處并聯(lián)的發(fā)光二極管可以起到顯示繼電器狀態(tài)的作用[3]，繼電器接通則LED發(fā)光，反之LED熄滅。

2.5 ? ?Wi-Fi模塊

插座定時系統(tǒng)是通過ESP8266 Wi-Fi模塊輸出高低電平給STM32，STM32收到高電平時接通繼電器，反之繼電器斷開。

2.6 ? ?按鍵模塊

使用4個獨(dú)立按鍵與STM32單片機(jī)的IO口PA0～PA3相連，按鍵為低電平觸發(fā)，當(dāng)按下與單片機(jī)IO口相連的按鍵時該IO口將接地，即向單片機(jī)輸入低電平信號。通過編程實現(xiàn)定時時間設(shè)定的功能。

按下一次按鍵K1則定時1 min，類似地按鍵K2是定時10 min，按鍵K3對應(yīng)定時60 min，定時方式為累加。按鍵K4的作用是將定時時間清零。插座定時系統(tǒng)處于定時狀態(tài)且定時時間不為0時將接通繼電器。系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

3 ? ?軟件設(shè)計

3.1 ? ?服務(wù)器端搭建

Wi-Fi模塊和小程序與服務(wù)器通信的方式采用了MQTT協(xié)議，它是客戶端與服務(wù)器之間基于消息發(fā)布及訂閱的傳輸協(xié)議。

本設(shè)計中服務(wù)器端安裝的操作系統(tǒng)為CentOS7.6，為便于調(diào)試，在服務(wù)器安全組中放行全部端口。微信小程序連接MQTT服務(wù)器需要通過Web Socket協(xié)議。首先需要搭建Nginx環(huán)境，接著安裝EMQ公司的MQTT軟件。安裝完成后設(shè)置Nginx代理MQTT的Web Socket的端口號8083，至此MQTT服務(wù)器搭建完成。

3.2 ? ?主程序設(shè)計

在STM32單片機(jī)中首先運(yùn)行OLED顯示屏和定時器的初始化，初始化完成后OLED屏幕會點(diǎn)亮。接著進(jìn)入循環(huán)，先掃描獨(dú)立按鍵，如果有按鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如開啟定時;接著判斷ESP8266 Wi-Fi模塊輸出的電平，高電平接通繼電器，低電平斷開繼電器。Wi-Fi模塊輸出的電平判斷在按鍵掃描之后進(jìn)行，因此通過按鍵定時且定時時間不為0時不能通過Wi-Fi模塊關(guān)閉繼電器，僅在按鍵定時時間為0時可通過Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程控制。OLED顯示通電狀態(tài)，若使用按鍵定時，還會顯示定時時間，最后返回按鍵掃描循環(huán)。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

3.3 ? ?微信小程序設(shè)計

本系統(tǒng)中微信小程序的作用接近于一個MQTT的客戶端，簡化了收發(fā)消息的過程。正因如此，只需記下相應(yīng)的消息模板和訂閱的主題，即可使用任何能收發(fā)MQTT消息的程序?qū)崿F(xiàn)定時插座遠(yuǎn)程控制，包括但不限于PC端、Android端、iOS端[4]。

3.4 ? ?Wi-Fi模塊程序設(shè)計

ESP8266 Wi-Fi模塊中運(yùn)行的程序流程如下：在接通電源后先進(jìn)行初始化。初始完成后掃描附近的Wi-Fi，在發(fā)現(xiàn)已存儲的Wi-Fi后建立連接，如果未發(fā)現(xiàn)已存儲的Wi-Fi，延時1 s后重復(fù)連接Wi-Fi的步驟。Wi-Fi連接完成后與MQTT服務(wù)器建立連接，如果連接失敗，重復(fù)嘗試，MQTT服務(wù)器連接成功后訂閱MQTT主題。

4 ? ?整體調(diào)試

將插座定時系統(tǒng)接通電源，待Wi-Fi模塊連接上Wi-Fi后開始調(diào)試。先按下K1，OLED屏幕顯示定時1 min，繼電器接通，負(fù)載LED燈點(diǎn)亮。1 min后繼電器斷開，負(fù)載LED燈熄滅。在微信小程序端點(diǎn)擊接通電源按鈕，負(fù)載LED燈點(diǎn)亮，小程序端的電源圖標(biāo)從空心變成實心。點(diǎn)擊關(guān)閉電源按鈕，負(fù)載LED燈熄滅，小程序端的電源圖標(biāo)從實心變成空心。在小程序端選擇定時1 min，其效果同點(diǎn)擊接通電源按鈕，1 min后效果同點(diǎn)擊關(guān)閉電源按鈕。至此，系統(tǒng)整體調(diào)試成功。

設(shè)計的插座定時系統(tǒng)實物圖如圖4所示。

5 ? ?結(jié)語

本插座定時系統(tǒng)采用STM32F103C8T6，單片機(jī)通過編程控制繼電器模塊實現(xiàn)控制插座的供電。通過按鍵設(shè)置定時時間，也可通過微信小程序遠(yuǎn)程調(diào)整插座電源狀態(tài)或設(shè)置定時時間，并用OLED屏幕顯示插座電源狀態(tài)和定時時間等信息。經(jīng)過調(diào)試，插座定時系統(tǒng)運(yùn)行正常，具有操作簡單的特點(diǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] MA M，HUANG B，WANG B，et al.Development of an energy-

efficient smart socket based on STM32F103[J]. Applied Sciences，2018，8（11）：2276-2290.

[2] 林炳炎，廖華平，楊堅，等.基于智能插座的家居系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（22）：27-29.

[3] 蔣宏杰.智能家居控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué)，2017.

[4] 顧新萍.基于微信小程序的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].青島：青島大學(xué)，2019.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：朱俊濤（1997—），男，江蘇蘇州人，研究方向：信號處理、單片機(jī)技術(shù)。

通信作者：郭莉莉（1986—），女，江蘇邳州人，博士研究生，講師，研究方向：信號處理、協(xié)作通信。