基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 鋒，劉海鋒

（廣東石油化工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)，隨著人們生活水平的提高，家用電器的數(shù)量越來(lái)越多，人們對(duì)家電的節(jié)能性和安全性要求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能控制和管理成為普遍需求。在不改變現(xiàn)有家用電器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能控制，最簡(jiǎn)單的辦法就是在插座上實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備監(jiān)測(cè)和控制的智能化。

移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也推動(dòng)了大量智能終端及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。然而，文獻(xiàn)[1-5]中的智能插座產(chǎn)品的作業(yè)都比較單一，只有監(jiān)控、安保以及管控等簡(jiǎn)單功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到數(shù)字化以及終端監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的智能插座，不僅具備傳統(tǒng)插座的斷開和閉合功能，而且具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)等多終端設(shè)備上查看智能插座的狀態(tài)、數(shù)據(jù)，較好地滿足了人們對(duì)普通電氣設(shè)備的智能化需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由燈座硬件終端、服務(wù)器端和用戶控制端三部分組成，如圖1所示。燈座硬件終端負(fù)責(zé)接收從服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后，判斷是否需要做出相應(yīng)的控制動(dòng)作。服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自智能燈座硬件終端和用戶控制網(wǎng)頁(yè)的數(shù)據(jù)、監(jiān)聽用戶和硬件終端的數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶控制端是用戶監(jiān)控端與用戶對(duì)接的一個(gè)交互界面。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能燈座硬件主要包括電源AC-DC及穩(wěn)壓模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、主控制器、交流調(diào)光模塊、功率測(cè)量模塊，如圖2所示。電源AC-DC及穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)給直流部分供電，聯(lián)網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)收發(fā)來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，主控制器將數(shù)據(jù)處理后輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)給交流調(diào)光模塊，最后交流調(diào)光模塊根據(jù)占空比輸出相應(yīng)的電壓給普通燈泡。功率測(cè)量模塊負(fù)責(zé)對(duì)插座電壓、電流、功率進(jìn)行測(cè)量。

圖2 智能燈座的硬件整體框圖

2.1 核心控制電路設(shè)計(jì)

主控芯片ESP8266-12F既作為MCU，又作為網(wǎng)關(guān)模塊。它里面包含了支持WiFi通信的組網(wǎng)模組，也包含了一個(gè)32位的集成處理器，且可以對(duì)這個(gè)內(nèi)部集成的處理器燒錄程序進(jìn)行控制。

2.2 HLK-PM01模塊

HLK-PM01是一種AC-DC模塊，可以直接把220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V直流穩(wěn)壓的電源。通過(guò)該模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流，然后給核心控制模塊以及其外圍電路提供電源。

2.3 AM1117模塊

AM1117是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，在1 A電流下壓降為1.2 V，內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路。220 V的交流電先經(jīng)過(guò)HLK-PM01模塊，轉(zhuǎn)換出來(lái)5 V的直流穩(wěn)壓的電源后，再接入AM1117芯片對(duì)應(yīng)的輸入引腳，最后轉(zhuǎn)換成3.3 V DC供應(yīng)給主控芯片ESP8266-12F。

2.4 MOC3041光耦模塊

MOC3041是7 500 V AC光電耦合器類型的三端雙向可控驅(qū)動(dòng)器。發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并傳給光敏管，最后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。由于沒(méi)有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號(hào)，又有隔離干擾的作用。

2.5 BTA16雙向可控硅

BTA16-600B是雙向可控硅的一種，采用TO-220AB封裝方式。該雙向可控硅具有關(guān)斷速度快的特點(diǎn)，其芯片背面自帶散熱片，散熱性能較好，支持的最大電流為160 A，適用于中功率的高頻電路中。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

用戶控制端和服務(wù)器之間采用了B/S和Nginx不斷監(jiān)聽相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)端口（如80、18083等），一旦接收到請(qǐng)求，就會(huì)把請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的服務(wù)中。如果是請(qǐng)求靜態(tài)文件，就直接到對(duì)應(yīng)位置查找，讀取后返回?cái)?shù)據(jù)。如果是MQTT數(shù)據(jù)，就先判斷其賬號(hào)和密碼的正確性，然后把數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，最后轉(zhuǎn)發(fā)到訂閱該主題的所有客戶端。如果是Flask的請(qǐng)求數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)，把模板渲染成HTML文件后返回給用戶瀏覽器Gunicorn和Nginx，也就是本項(xiàng)目用來(lái)進(jìn)行服務(wù)器優(yōu)化的兩個(gè)重要工具。Gunicorn是用來(lái)提高異步性能的，彌補(bǔ)Python自身異步性能的不足。服務(wù)器軟件流程如圖3所示。

圖3 服務(wù)器軟件流程

3.2 燈座終端軟件設(shè)計(jì)

燈座在上電后，首先會(huì)檢查網(wǎng)絡(luò)配置并嘗試進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，如果聯(lián)網(wǎng)成功就會(huì)進(jìn)一步連接MQTT服務(wù)器，否則會(huì)等待用戶通過(guò)微信AirKiss配網(wǎng)。待連接MQTT服務(wù)器成功后，燈座終端會(huì)訂閱相關(guān)主題，然后進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)的過(guò)程。在這個(gè)循環(huán)過(guò)程中，燈座需要不斷檢查是否有來(lái)自服務(wù)器的信息，如果有，就對(duì)信息的內(nèi)容進(jìn)行解析，根據(jù)指令來(lái)調(diào)整PWM的占空比，進(jìn)而通過(guò)交流斬波模塊處理后就成為了具體電壓，最終供給燈泡。燈座軟件流程如圖4所示。

圖4 燈座軟件流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 交流斬波電路調(diào)試

上文已經(jīng)對(duì)交流斬波電路做了初步的仿真測(cè)試，本節(jié)進(jìn)一步對(duì)該電路進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，如圖5所示。

圖5 交流斬波電路測(cè)試

最后輸出的波形在示波器上的呈現(xiàn)如圖6所示。圖中的兩條曲線中位于較下面的是PWM信號(hào)輸入的波形，從右邊的數(shù)據(jù)可以看出其頻率為1 kHz，占空比為50%；位于較上面的是交流斬波后輸出的波形，波形基本與仿真的結(jié)果一致。

圖6 斬波波形

4.2 燈座終端配網(wǎng)測(cè)試

初次使用必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置才能使燈座聯(lián)網(wǎng)，配置方法是通過(guò)智能手機(jī)的微信客戶端進(jìn)行的。打開微信上的“掃一掃”功能，掃描指定的二維碼，進(jìn)入如圖7所示的界面；然后依次點(diǎn)擊“配置設(shè)備上網(wǎng)”，根據(jù)提示輸入當(dāng)前所連接的WiFi密碼；最后點(diǎn)擊“連接”按鈕，就可以等待燈座自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)了。經(jīng)過(guò)短暫的等待，會(huì)提示網(wǎng)絡(luò)連接成功，就可以進(jìn)行下面的測(cè)試和使用了。

圖7 微信AirKiss配網(wǎng)截圖

4.3 發(fā)送數(shù)據(jù)測(cè)試

通過(guò)WiFi配置后，ESP主控芯片已經(jīng)能正常聯(lián)網(wǎng)了，會(huì)在串口打印網(wǎng)絡(luò)IP地址等信息；接著程序會(huì)自動(dòng)連接MQTT代理服務(wù)器，如果連接成功，串口會(huì)顯示“連接成功”的相關(guān)信息。

4.4 服務(wù)器端調(diào)試

網(wǎng)頁(yè)測(cè)試時(shí)，在瀏覽器輸入訪問(wèn)用戶監(jiān)控頁(yè)面的地址，即http：//deng.901studio.cn，就能進(jìn)行相應(yīng)燈座的控制操作了。

圖8所示是在個(gè)人電腦上打開監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)的效果截圖。由圖8可以看出，當(dāng)前狀態(tài)的所有燈座設(shè)備的狀態(tài)，包括是否在線、亮度和開關(guān)情況，都一目了然；圖中“大廳燈”是唯一在線的，其他不在線的設(shè)備會(huì)對(duì)應(yīng)顯示“離線”的字樣，而且在“大廳燈”處會(huì)有黃色特別提示，該黃色的深淺根據(jù)燈的亮度實(shí)時(shí)改變，這就是數(shù)據(jù)可視化的明顯體現(xiàn)。

圖8 測(cè)試PC端控制頁(yè)面截圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)交流調(diào)光電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制、IoT組網(wǎng)、網(wǎng)頁(yè)前端開發(fā)、服務(wù)器后端開發(fā)、系統(tǒng)運(yùn)維等，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，達(dá)到預(yù)期效果，能夠滿足智能家居需求。該插座的推廣使用將帶來(lái)良好的社會(huì)效益。