智能插座控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

譚一柳，江淘，王軒

（1.江西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，江西南昌，330000； 2.江西小贛士咨詢有限公司，江西南昌，330000 ；3.靖安綠地申飛置業(yè)有限公司，江西宜春，336000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種智能化設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入人們的生活。據(jù)調(diào)查，家用設(shè)備待機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的平均功率仍占中國(guó)用電量的10%以上。在這種長(zhǎng)待機(jī)模式下，使用的傳統(tǒng)插座的負(fù)載越來(lái)越大，這不僅帶來(lái)了嚴(yán)重的家庭隱患，而且也大大降低了設(shè)備的使用壽命。本文對(duì)家用電器插座進(jìn)行了智能化改造和創(chuàng)新，用單片機(jī)控制繼電器的通斷，并通過(guò)WiFi模塊遠(yuǎn)程控制插座，以便隨時(shí)控制插座的開(kāi)關(guān)和定時(shí)功能設(shè)置。人們無(wú)論在何時(shí)何地，都能隨時(shí)掌控家里的大大小小的電器開(kāi)關(guān)待機(jī)等問(wèn)題，同時(shí)也增加了生活趣味性，增加了生活科技感。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

構(gòu)架一種通過(guò)單片機(jī)STM32F103C8T6為核心實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的定時(shí)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，使其可以很好地操控220V/10A規(guī)格的插座，確保其能夠在24H內(nèi)提早設(shè)置定時(shí)，持續(xù)精準(zhǔn)地操控用電設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)停，由于主要憑借其中的時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)定時(shí)目標(biāo)，因此非常精準(zhǔn)，另外能夠憑借WiFi平臺(tái)操控插座開(kāi)關(guān)，因此能夠具備便捷、節(jié)能以及智能等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103C8T6主控芯片介紹

STM32系列的單片機(jī)是由意法半導(dǎo)體公司制造的,其屬于32位的單片機(jī)芯片，本次設(shè)計(jì)采用的型號(hào)為STM32F103C8T6(以ARM Cortex-M內(nèi)核為基礎(chǔ))，程序存儲(chǔ)器(64KB)內(nèi)置其中，可以在-40℃～85℃溫度區(qū)間穩(wěn)定運(yùn)行，2V～3.6V為其工作電壓范圍，為該芯片提供的工作電壓是3.3V，該元件實(shí)際的內(nèi)核工作頻率能夠達(dá)到72MHz，圖2為該單片機(jī)最小系統(tǒng)板部分?jǐn)U展引腳。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)板部分?jǐn)U展引腳圖

2.2 電源模塊電路

由于本次設(shè)計(jì)對(duì)電源的要求并不是很高，用現(xiàn)在5V的USB電源就足以運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。所以使用USB數(shù)據(jù)電源線來(lái)供電。P3是電源的直流插座開(kāi)關(guān)，觸角2和觸角3連接地線，觸角1連接到開(kāi)關(guān)控制，然后輸出至VCC進(jìn)行系統(tǒng)程序化供電（VCC為5V），電源模塊電路如圖3所示。

圖3 電源接口及開(kāi)關(guān) 控制電路圖

2.3 繼電器模塊電路

本次設(shè)計(jì)是基于STM32單片機(jī)控制Wi-Fi智能插座，所以采用繼電器控制插座的開(kāi)關(guān)。本次設(shè)計(jì)是為了控制220V交流電，設(shè)計(jì)中存在安全隱患，此外，由于繼電器的正常工作電壓為5V，單片機(jī)的I/O接口輸出容量無(wú)法滿足使用需求，因此，決定使用（OC）光電隔離器進(jìn)行控制，如圖4所示。

圖4 繼電器模塊和HLW8032模塊電路圖

2.4 ESP8266 Wi-Fi通信模塊電路

ESP8266模塊采用TTL串行口傳輸，可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。模塊內(nèi)置有TCP/IP協(xié)議，基本可以實(shí)現(xiàn)TCP、UPD等協(xié)議，使用時(shí)，只需通過(guò)串口發(fā)送相應(yīng)的指令即可。ESP8266 WiFi模塊有八個(gè)引腳，使用起來(lái)十分方便。模塊的電源電壓基本為3.3V， 4腳接3.3V電源腳，8腳接GND，ESP8266 WiFi模塊串行通信腳接STM32單片機(jī)的串口2，ESP8266 WiFi模塊1腳（串口發(fā)送數(shù)據(jù)腳）接STM32的串口數(shù)據(jù)接收腳PA3，ESP8266模塊5腳（串口發(fā)送數(shù)據(jù)腳）接STM32的串口數(shù)據(jù)發(fā)送腳PA2，2腳接R5電阻上拉，模塊進(jìn)入STA指令模式，如圖5所示。

圖5 ESP8266 WiFi 模塊電路圖

2.5 DS18B20溫度傳感器模塊電路

溫度傳感器中的DS18B20（“一線總線”接口）和其他測(cè)溫設(shè)備（比如熱敏電阻這種傳統(tǒng)設(shè)備）之間存在著本質(zhì)性差異，有必要引起一定的關(guān)注。以下即其基本特征：與微處理器接口不復(fù)雜、對(duì)寬電壓更適合等，傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建可以輕松實(shí)現(xiàn)，操作使用更加便捷。因此DS18B20這種直插型的溫度傳感器被本設(shè)計(jì)采用，如圖6所示。

圖6 溫度傳感器 DS18B20模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.6 HLW8032模塊電路

本設(shè)計(jì)中加入了交流電檢測(cè)模塊HLW8032，其作用是用于測(cè)量電能參數(shù)，并且這個(gè)模塊的供電模式是需要單獨(dú)供電，模塊需要220V的電壓，所以采用單獨(dú)供電。220V的電只是在通電狀態(tài)下經(jīng)過(guò)了此模塊，并且這個(gè)模塊是3.3V供電的，設(shè)計(jì)中的其他模塊，比如WiFi模塊也是3.3V，STM32是5V輸入，3.3V輸出。本次設(shè)計(jì)接入220V，是因?yàn)檩斎氲?20V是本次設(shè)計(jì)的被測(cè)對(duì)象，220V只是經(jīng)過(guò)了這個(gè)模塊，但它并不是電源，只是把輸入的220V作為被測(cè)的對(duì)象，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主要以WiFi智能插座的WiFi模塊通訊子程序設(shè)計(jì)和顯示子程序設(shè)計(jì)為主要部分進(jìn)行分析。本次設(shè)計(jì)的主要程序功能為： WiFi連接程序，使用APP進(jìn)行微距離遠(yuǎn)程操控開(kāi)關(guān)；定時(shí)定溫自動(dòng)通斷，通過(guò)APP設(shè)置定時(shí)通斷功能；顯示時(shí)間、電流、電壓數(shù)據(jù)，并可遠(yuǎn)程修改顯示時(shí)間和日期。

3.1 主程序流程圖

系統(tǒng)初始化完成之后，程序進(jìn)行循環(huán)，首當(dāng)其沖的就是STM32F103C8T6的串行端口發(fā)送相應(yīng)的指令給STA，從而對(duì)ESP8266WiFi模塊進(jìn)行配置，配置成功，則進(jìn)行標(biāo)識(shí)位為1；不成功則繼續(xù)配置，直至成功。配置完成之后，LED燈亮，等待手機(jī)客戶端的連接，如WiFi熱點(diǎn)鏈接成功，則進(jìn)入手機(jī)互聯(lián)的狀態(tài)，STM32F103C8T6芯片以5S為周期向手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)一次，以此維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈接的狀態(tài)。STM32F103C8T6芯片實(shí)時(shí)接收ESP8266WiFi通信模塊所傳來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)繼電器的電源開(kāi)關(guān)的掌控和定時(shí)設(shè)置的操作。圖7則是本次設(shè)計(jì)主程序流程圖。

圖7 主程序流程圖

3.2 Wi-Fi通訊子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ESP82666WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)通信和互聯(lián)。ESP82668266本身就是一個(gè)WiFi熱點(diǎn)，可以連接到STA或AP。本設(shè)計(jì)將模塊設(shè)置為服務(wù)器模式，監(jiān)控等待連接的端口，首先通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用連接模塊生成的WiFi熱點(diǎn)，然后開(kāi)始連接服務(wù)器的端口，連接成功后建立TCP通信，服務(wù)器IP為“192.168.4.1”，端口為8888。ESP8266通信流程圖圖8所示。

圖8 Wi-Fi 通訊子程序流程圖

3.3 顯示子程序設(shè)計(jì)

如果引腳信號(hào)（RS、R/W）為1，E引腳從1向0轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。如果R/W、RS這兩個(gè)引腳信號(hào)分別是0、1，E引腳自1向0轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)行數(shù)據(jù)存入。至此即能對(duì)讀取數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制（基于RS、R/W高低電平設(shè)置）。

圖9 LCD采集、收集及顯示流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

4.1 系統(tǒng)調(diào)試

（1）硬件調(diào)試

完成硬件的焊接和初步檢查后，進(jìn)行上電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)顯示器LCD1602上的溫度狀態(tài)沒(méi)有顯示出來(lái)，原來(lái)是由于DS18B20插在主板上時(shí)引腳插反造成的。在檢查繼電器裝置之中的模塊電路時(shí)，選擇三節(jié)南孚干電池給單片機(jī)供電，主板沒(méi)有正常運(yùn)行，檢查發(fā)現(xiàn)電路板供電電壓較低，其后選擇5V電源時(shí)，繼電器正常工作。

（2）軟件調(diào)試

KEIL5 MDK是程序調(diào)試的軟件平臺(tái)，此類調(diào)試的重點(diǎn)在于調(diào)試或修改程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)缺陷，從而進(jìn)一步完成軟件設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）APP調(diào)試

繼電器通過(guò)WiFi模塊產(chǎn)生局域網(wǎng)熱點(diǎn)信號(hào)，通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端TCP Tool平臺(tái)手機(jī)APP連接。連接成功則可進(jìn)行下一步系統(tǒng)測(cè)試，局域網(wǎng)連接客戶端端口地址：192.168.4.1，端口號(hào)為：8888。系統(tǒng)通電狀態(tài)下，局域網(wǎng)信號(hào)正常產(chǎn)生。當(dāng)APP提示連接成功，則又開(kāi)始下一步系統(tǒng)測(cè)試，正常運(yùn)行情況下，實(shí)時(shí)監(jiān)控WiFi插座的電流、電壓、時(shí)間等參數(shù)。 通過(guò)客戶端下達(dá)相應(yīng)指令進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，O1指令為打開(kāi)繼電器電源指令，C1指令為關(guān)閉繼電器電源指令。當(dāng)局域網(wǎng)連接成功，通過(guò)ON/OF指令設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)功能，例如設(shè)置8：00開(kāi)啟，則輸入指令ON8:00，就可直接設(shè)置早上8:00定時(shí)開(kāi)啟繼電器。（繼電器設(shè)置時(shí)間為24小時(shí)制）繼電器溫度檢測(cè)功能設(shè)置為基礎(chǔ)40℃，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)溫度為40℃，繼電器則自動(dòng)斷電，如圖10所示。

圖10 實(shí)物運(yùn)行圖

4.2 調(diào)試結(jié)果分析

本次設(shè)計(jì)的WiFi插座達(dá)到了預(yù)期的功能。其能夠很好地控制家用規(guī)格的插座，能夠在24H中隨意設(shè)置定時(shí)開(kāi)關(guān)；液晶顯示屏能夠很好地顯示插座實(shí)際的電路運(yùn)行情況，插座正常工作時(shí)指示燈綠燈點(diǎn)亮，不工作時(shí)指示燈不亮。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的插座能較好地實(shí)現(xiàn)一路智能插座的控制功能，后面可以嘗試多加入幾路插座口，并且使各個(gè)插座口互不干涉，但總電路又可以得到控制，且省電、安全，這樣可以更好地滿足人們對(duì)多路插座需求。增加插座路數(shù)，可以給定時(shí)插座加上保護(hù)措施，如漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)等，以此達(dá)到更加安全的目的。本次設(shè)計(jì)中使用的WIFI模塊的可連接范圍比較小，一般只能在室內(nèi)起作用，如果采用廣域網(wǎng)更大的WIFI模塊并在手機(jī)上進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，人們可以隨時(shí)隨地對(duì)插座進(jìn)行定時(shí)控制，智能插座將可以更好地為人們服務(wù)。