基于單片機(jī)和Wi-Fi技術(shù)的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羌丹丹，龔瑜

（南通市生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇南通，226019）

0 引言

隨著單片機(jī)技術(shù)、Wi-Fi通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，家電的智能遠(yuǎn)程控制需求日益明顯[1-5]。林玩杰[6]等人設(shè)計(jì)了一款A(yù)ndroid智能手機(jī)控制的智能家居系統(tǒng)，采用STM32F103作為系統(tǒng)主處理器，通過(guò)I/O口控制燈的開(kāi)和關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明：用戶通過(guò)手機(jī)客戶端APP連接Wi-Fi便可以遠(yuǎn)程監(jiān)控家居情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用燈光控制、環(huán)境檢測(cè)以及視頻監(jiān)控等功能。陳國(guó)童[7]等人基于Wi-Fi通信技術(shù)，利用ESP8266串口Wi-Fi模塊與STM32微處理進(jìn)行通信連接，并與Android手機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的智能控制。池雪艷[8]采用單片機(jī)完成了無(wú)線智能家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以STM32芯片為核心控制器，Windows PC端作為控制終端，單片機(jī)通過(guò)串口連接Wi-Fi網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

本設(shè)計(jì)提出一種基于單片機(jī)和Wi-Fi技術(shù)的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家電的開(kāi)關(guān)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要是由硬件與軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分包括51單片機(jī)STC89C52RC、Wi-Fi芯片ESP8266、降壓芯片AMS1117、電源等，軟件部分包括單片機(jī)控制程序和手機(jī)APP Tlink上鏈接協(xié)議的設(shè)置，以及設(shè)備管理等。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)和手機(jī)終端APP是系統(tǒng)的控制核心。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)作為微處理器，是本設(shè)計(jì)的控制核心。硬件電路部分主要由五部分構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)電路、Wi-Fi電路、繼電器電路、按鍵電路和外部存儲(chǔ)器電路等，如圖2所示。

圖2 硬件電路構(gòu)成框圖

2.1 單片機(jī)工作電路設(shè)計(jì)

（1）時(shí)鐘電路

Wi-Fi模塊ESP8266和單片機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信，51單片機(jī)使用的晶振頻率通常選12MHz，而進(jìn)行通信時(shí)，一般選擇11.0592MHz，12MHz晶振配置9600波特率時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。搭建如圖3所示的時(shí)鐘電路，可以為單片機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定的工作時(shí)鐘。

圖3 時(shí)鐘電路圖

（2）復(fù)位電路

單片機(jī)復(fù)位采用硬件復(fù)位，RESET直接接到單片機(jī)的復(fù)位引腳RST，將10UF的電容接入，同時(shí)接入大小為10K的電阻，系統(tǒng)所用的單片機(jī)在5V電壓下工作，則充電到電壓的0.7倍即3.5V，其所需要的時(shí)間為10k*10UF= 0.1us。硬件復(fù)位電路圖如圖4所示。

圖4 復(fù)位電路圖

（3）STC89C52RC單片機(jī)電路

STC89C52RC單片機(jī)電路如圖5所示，加上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路就構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)。

圖5 STC89C52RC單片機(jī)電路

2.2 Wi-Fi電路設(shè)計(jì)

（1）穩(wěn)壓電路

STC89C52RC單片機(jī)的工作電壓是3.3V ～5.5V，其通常供電電壓是5V，ESP8266供電電壓是3.3V，構(gòu)建穩(wěn)壓電路尤為重要。穩(wěn)壓電路圖如圖6所示。

圖6 穩(wěn)壓電路

（2）ESP8266電路

安可信公司的配有Wi-Fi模塊的ESP8266，其搭載的電路如圖7所示，TX和RX直接和單片機(jī)串口對(duì)接，電源為3.3V，EN腳為使能腳，拉低后單片機(jī)復(fù)位。

圖7 ESP8266電路

2.3 繼電器電路設(shè)計(jì)

由于繼電器的工作電流一般為50 ～70mA，而51系列單片機(jī)的I/O口輸出電流一般只有幾百u(mài)A，須采用電流放大來(lái)解決此問(wèn)題。繼電器電路如圖8所示。

圖8 繼電器電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)上電后首先會(huì)進(jìn)行定時(shí)器、串口、I2C等初始化，設(shè)置好WIFI波特率9600bps，然后單片機(jī)會(huì)發(fā)送AT指令控制ESP8266進(jìn)行Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)，此過(guò)程中添加看門(mén)狗功能，Wi-Fi連接不上時(shí)會(huì)自動(dòng)重啟，直至連接上Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)；WIFI網(wǎng)絡(luò)連接上后會(huì)通過(guò)TCP連接服務(wù)器公網(wǎng)IP，和服務(wù)器端建立TCP連接后就可以相互進(jìn)行通信了。與服務(wù)器端建立通信后，單片機(jī)會(huì)讀取外部存儲(chǔ)器中的值，并對(duì)繼電器進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3.2 Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)置ESP8266的波特率為9600bps，使之與單片機(jī)的串口波特率一致。通過(guò)AT指令來(lái)配置其波特率：AT+UART=9600,8,1,0,0，波特率 9600，數(shù)據(jù)位 8，停止位 1，校驗(yàn)位0。ESP8266的驅(qū)動(dòng)程序如下：

3.3 AT24C02軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)和AT24C02直接是通過(guò)I2C進(jìn)行通信。由于單片機(jī)I2C硬件接口，所以用軟件來(lái)模擬I2C通信。利用單片機(jī)的兩根PIN腳，分別作為SCL、SDA，通過(guò)模擬I2C協(xié)議和AT24C02進(jìn)行通信，以此存儲(chǔ)和讀取信息。

4 系統(tǒng)調(diào)試

按照硬件電路設(shè)計(jì)搭建實(shí)物，并進(jìn)行硬件檢查測(cè)試。硬件測(cè)試無(wú)誤后，采用Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)模擬家電信號(hào)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)手機(jī)APP Tlink登錄到平臺(tái)賬號(hào)，分別測(cè)試三路開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，打開(kāi)其中兩路，可以觀察繼電器閉合的響聲，對(duì)應(yīng)的指示燈也已經(jīng)點(diǎn)亮，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。系統(tǒng)硬件實(shí)物與測(cè)試過(guò)程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)硬件實(shí)物與測(cè)試過(guò)程

5 結(jié)論

本文提出基于單片機(jī)和Wi-Fi技術(shù)的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。搭建的家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)測(cè)試，信號(hào)反應(yīng)無(wú)誤，滿足了人們對(duì)智能家電的部分使用需求。