一種基于WiFi無(wú)線通訊的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡長(zhǎng)鵬，馬海霞，林思敏，李中興，黃國(guó)健

（1. 上海品研測(cè)控技術(shù)有限公司， 上海 201109；2. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院， 廣州 510800；3. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣州 510515）

0 引言

隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和生活水平的快速提高，人們開(kāi)始追求科技含量高和品質(zhì)卓越的產(chǎn)品體驗(yàn)。智能家居系統(tǒng)提供了一個(gè)更加便捷、舒適的人機(jī)信息交互平臺(tái)，讓消費(fèi)者對(duì)家中所有電器的控制指令傳達(dá)更加方便、迅速，不僅提高了人們的生活條件以及起居環(huán)境，而且更有助于消費(fèi)者合理地安排時(shí)間、節(jié)約資源。插座是人們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)的基本開(kāi)關(guān)電器，其功能及種類也很多。許多研究設(shè)計(jì)人員提出了各種各樣的設(shè)計(jì)思路，并成功進(jìn)行了試驗(yàn)。文獻(xiàn)[1]討論了WiFi在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[2]針對(duì)傳統(tǒng)插座的不便和現(xiàn)代化智能家居的要求，設(shè)計(jì)了一款兼具可移動(dòng)、遠(yuǎn)程控制基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能插座系統(tǒng)，闡述了智能插座的設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)智能插座系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試；文獻(xiàn)[3]通過(guò)與傳統(tǒng)節(jié)電插座的節(jié)能方式進(jìn)行對(duì)比，研究了節(jié)能的目的及意義，分析了智能節(jié)能插座的特點(diǎn)，對(duì)智能型節(jié)電插座進(jìn)行了分析、對(duì)比和研究，將Zigbee技術(shù)引入智能節(jié)電插座系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控用戶電能的使用情況，適當(dāng)減少電能的消耗，提高電能的利用率；文獻(xiàn)[4-7]研究了無(wú)線通信技術(shù)在插座控制中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[8-9]論述了智能控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀；文獻(xiàn)[10-11]介紹了單片機(jī)在低成本小型家用電器中的應(yīng)用。綜上所述，一些新型插座的設(shè)計(jì)雖能夠解決某些實(shí)際問(wèn)題，但是成本太高、無(wú)法遠(yuǎn)程控制等問(wèn)題依舊普遍存在，無(wú)法被大眾所接受并廣泛使用。為此，設(shè)計(jì)一款能夠使用手機(jī)進(jìn)行控制的智能節(jié)電插座勢(shì)在必行。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制智能插座的通電狀態(tài)，并限制插座的功率，避免因長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作而引起危險(xiǎn)。即使用戶不在家中，也可以通過(guò)手機(jī)APP 對(duì)智能插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，避免引起火災(zāi)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，無(wú)線WiFi 技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)融入到了市民生活的各個(gè)方面，給人們的生活帶來(lái)了極大的方便。WiFi 通信與其他藍(lán)牙、紅外、GSM 等通訊方式相比有其優(yōu)越的性能，如表1所示。

表1 當(dāng)前的智能插座控制模式比較

基于此，本文設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)以WiFi 為通訊方式，51單片機(jī)控制繼電器通斷電功能的智能型節(jié)電插座。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

1.1.1 主控芯片選擇

本文的主控芯片選用STC89C51單片機(jī)，是美國(guó)STC公司推出的一種51 內(nèi)核的單片機(jī)，是目前業(yè)內(nèi)較常用的一款MCU。片內(nèi)含有Flash 程序存儲(chǔ)器、AD 轉(zhuǎn)換模塊、UART 通信模塊、SPI通信模塊、SRAM存儲(chǔ)器、PWM等。相較于嵌入式和AVR系列的MCU來(lái)說(shuō)，雖然其功能不夠強(qiáng)大，并且反應(yīng)速度也不夠快，但是其具有應(yīng)用成本低、簡(jiǎn)單易懂以及功能齊全等優(yōu)勢(shì)，且完全符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

1.1.2 WiFi模塊的選擇

本設(shè)計(jì)選擇ESP8266 作為無(wú)線WiFi 模塊的核心，其是樂(lè)鑫信息技術(shù)推出的一款串口轉(zhuǎn)無(wú)線模芯片，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡(jiǎn)單，無(wú)需編寫時(shí)序信號(hào)。選用ESP8266 作為核心元件，需要的外圍元器件有1 個(gè)無(wú)源晶振、10 個(gè)電阻電容電感和1 個(gè)Flash，電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔。ESP8266 模塊核心處理器在較小尺寸內(nèi)便封裝集成了業(yè)界領(lǐng)先的TENSILICA L106，是一款超低功耗的32 位微型MCU，帶有16 位的精簡(jiǎn)模式，主頻支持80 MHz 和160 MHz 兩種頻率，支持RTOS，集成了WiFi MAC/BB/RF/PA/LNA，板內(nèi)載天線，相比于其他WiFi 模塊，具有應(yīng)用方便、成本低和重量輕等特點(diǎn)，而且此模塊還有配套的控制APP，非常適合智能插座的遠(yuǎn)程控制。基于WiFi 的智能插座總體方案如圖1所示。使用手機(jī)APP 作為WiFi 信號(hào)的發(fā)射端，對(duì)插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，WiFi 信號(hào)模塊接收到命令后， 將命令傳達(dá)STC89C51 單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作， 從而控制插座的通斷。WiFi 模塊、STC89C51RC 單片機(jī)系統(tǒng)和繼電器模塊都由USB接口供電。

圖1 總體方案

1.2 硬件電路

硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電源模塊（其中需要5 V電源、3.3 V穩(wěn)壓電源）、主控制模塊、無(wú)線WiFi模塊和繼電器模塊。ESP8266 模塊是基于串口通訊的WiFi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)串口無(wú)線WiFi 模塊，可以將串口設(shè)備直接接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。該模塊使用ASC II 碼可以與手機(jī)直接進(jìn)行通信，首先手機(jī)將編碼變?yōu)锳SC II 碼并進(jìn)行發(fā)射，UART-WiFi 模塊接收ASC II 碼并產(chǎn)生中斷給單片機(jī)。此外，該WiFi 模塊可以像普通路由器一樣，通過(guò)終端設(shè)置和修改密碼，也可以通過(guò)配置軟件進(jìn)行修改和設(shè)置，安全性較高。

由于ESP8266無(wú)線模塊的工作電源是3.3 V，而USB供電接口供電為5 V，所以本設(shè)計(jì)采用電源轉(zhuǎn)換芯片ASM1117-3.3 V進(jìn)行電壓變換，使得ESP8266 無(wú)線模塊能夠正常運(yùn)行。硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件電路

1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、STC89C51、晶振電路和復(fù)位電路組成。晶振震蕩頻率為11.0592 MHz。單片機(jī)能正常運(yùn)行的必備條件是接通電源和擁有晶振等電路，此最小系統(tǒng)可作為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控部分，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行A/D 擴(kuò)展、存儲(chǔ)器擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理

1.3.1 復(fù)位電路

復(fù)位操作可以完成單片機(jī)片內(nèi)電路的初始化，清理所有的寄存器， 使單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。 當(dāng)ST8C9C51 單片機(jī)的復(fù)位引腳RST 出現(xiàn)5 ms 以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST 持續(xù)為高電平，則單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)而違法執(zhí)行程序。因此要求復(fù)位后能夠及時(shí)脫離復(fù)位狀態(tài)。電路圖如圖4所示。

圖4 復(fù)位電路

1.3.2 晶振電路

晶振振蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)中晶振的作用非常大，其結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上，晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，則單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。電路圖如圖5所示。

圖5 晶振電路

1.4 WiFi模塊電路

WiFi 模塊電路選用ESP8266 模組作為主元器件，需要的外圍元器件有1 個(gè)無(wú)源晶振、10 個(gè)電阻電容電感、1 個(gè)Flash。電路如圖6所示。

圖6 WIFI模塊電路

1.5 繼電器模塊

繼電器的驅(qū)動(dòng)采用電流從E 極流入的三極管，三極管在高電平時(shí)截止，在電路中起到開(kāi)關(guān)的作用。LED1 和繼電器是并聯(lián)的關(guān)系，其工作過(guò)電壓是3 V，而電路接入的電壓是5 V，所以在LED1處串聯(lián)了電阻R8 對(duì)電路進(jìn)行分壓，使其可以正常工作。繼電器模塊電路工作過(guò)程是：當(dāng)PNP 的引腳輸入低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，LED1發(fā)光，同時(shí)繼電器通電吸合，電流流到接地點(diǎn)形成回路。電路圖如圖7所示。

圖7 繼電器電路

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的編譯軟件是Keil μvision4，是一款基于Windows的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包含一個(gè)高效的編譯器、項(xiàng)目管理器和MAKE 工具。μvision4 支持所有的Keil C51 工具，包括C 編譯器、宏匯編器、連接定位器和日標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。

為了方便后期調(diào)試和維護(hù)，本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需要將各種功能分別封裝成多個(gè)相互獨(dú)立的子函數(shù)。主函數(shù)在需要時(shí)，會(huì)對(duì)指定的子函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，這樣使得程序有良好的層次性。根據(jù)此設(shè)計(jì)理念，本設(shè)計(jì)最終選擇的編輯語(yǔ)言是C 語(yǔ)言。C 語(yǔ)言是一門結(jié)構(gòu)化、層次分明、按模塊化方式組織程序的通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有可移植性強(qiáng)、運(yùn)行速度快、易于進(jìn)行后期調(diào)試及維護(hù)等特點(diǎn)。C 語(yǔ)言能以簡(jiǎn)易的方式編譯并處理低級(jí)存儲(chǔ)器，是少有的僅產(chǎn)生少量的機(jī)器語(yǔ)言并且不需要任何運(yùn)行環(huán)境支持便能運(yùn)行的高效程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。盡管C 語(yǔ)言提供了許多低級(jí)處理的功能，但仍然保持著跨平臺(tái)的特性，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫出的C 語(yǔ)言程序可在包括一些類似嵌入式處理器以及超級(jí)計(jì)算機(jī)等作業(yè)平臺(tái)的許多計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行編譯。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

單片機(jī)首先串口初始化，設(shè)置波特率。接著向WiFi模塊發(fā)送AT 指令，使WiFi 模塊與手機(jī)的WiFi 熱點(diǎn)相連接，并在手機(jī)上創(chuàng)建好連接服務(wù)。手機(jī)再通過(guò)控制APP向WiFi模塊發(fā)送無(wú)線的控制指令，單片機(jī)在接收到WiFi模塊從串口傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)入中斷函數(shù)來(lái)執(zhí)行接收數(shù)據(jù)的模式。接收到的控制指令存儲(chǔ)在寄存器中，單片機(jī)在寄存器中讀取接收到的控制指令，根據(jù)接收到的指令控制繼電器的通斷。

3 實(shí)物搭建與測(cè)試

搭建實(shí)物如圖9 所示。燒錄好程序后，首先打開(kāi)手機(jī)熱點(diǎn)， 然后打開(kāi)ESP8266 配套APP， 連接IP地 址103.212.33.134。發(fā)送通訊指令fs% xw0293%A1，系統(tǒng)接收到指令后，繼電器吸合，插座通電，如圖9（a）所示，發(fā)送通訊指令fs% xw0293%A3，系統(tǒng)接收到指令后，繼電器斷開(kāi)，插座斷電，如圖9（b）所示。

圖9 實(shí)物測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于WiFi 無(wú)線通訊的智能插座，用STC89C51單片機(jī)對(duì)控制繼電器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)插座的遠(yuǎn)程通斷操作。采用低成本的51系列單片機(jī)，降低了插座的成本。通過(guò)串口WiFi 模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備就能接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。此WiFi模塊可以通過(guò)終端像普通路由器一樣設(shè)置和修改密碼，也可以通過(guò)配置軟件進(jìn)行修改和設(shè)置，安全性較高。通過(guò)手機(jī)APP 發(fā)送指令，操作簡(jiǎn)單、便捷。硬件電路具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線合理、實(shí)物可操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，并能達(dá)到實(shí)現(xiàn)所需功能的需求。

在本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)及軟件，就可以拓展定時(shí)通斷電量使用情況統(tǒng)計(jì)、電壓或電流異常檢測(cè)報(bào)警等新功能。