智能插板設(shè)計與實現(xiàn)

翟明澤，王偉屹，劉斌，魯國慶，魏建朝

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西延安，716000）

0 引言

隨著智能家居行業(yè)不斷發(fā)展，智能家居的出現(xiàn)使人們的生活更便利、更安全。據(jù)消防部門統(tǒng)計，2006 年～2015 年，全國各類火災(zāi)共212.2 萬起，其中電氣火災(zāi)60.7 萬起，約占總數(shù)的28.6%。而其中，因超負(fù)荷使用插線板引發(fā)的火災(zāi)事故更是時有發(fā)生。為了實時管理家居插座，預(yù)防插線板使用過程中意外發(fā)生火災(zāi)，造成生命財產(chǎn)損失，節(jié)約社會資源，本文采用嵌入式以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一款支持手機(jī)終端遠(yuǎn)程操控并且在電流過載時可以自動斷電保護(hù)的智能插座。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■1.1 硬件構(gòu)成

硬件部分主要由Arduino 開發(fā)板、AC-DC 轉(zhuǎn)換模塊、ESP8266 WiFi 模塊、繼電器模塊和空氣開關(guān)組成。AD-DC模塊完成將市電220V，50Hz 交流電轉(zhuǎn)換成直流電為Arduino 開發(fā)板供電。ESP8266 WiFi 模塊將插座網(wǎng)絡(luò)化，同時與物聯(lián)網(wǎng)[1]巴法云平臺通信完成信息的傳輸與處理。

1.1.1 WiFi 控制模塊

ESP8266WiFi 模塊是一款專門針對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用及開發(fā)所設(shè)計的WiFi 模塊，芯片集成TCP/IP 協(xié)議棧和MCU,增加了外圍電路、串口Flash、板載天線等功能單元，用戶的物理設(shè)備可以通過該模塊與無線網(wǎng)絡(luò)相連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信[2]。此外ESP8266 WiFi 模塊相較于其他的WiFi 模塊具有超低能耗、成本低、使用簡便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)從而在業(yè)內(nèi)極富競爭力。因此本文選用ESP8266 WiFi 模塊來作為智能插板的無線通信控制模塊（見圖1）。

圖1 ESP8266 WiFi 模塊電路圖

1.1.2 空氣開關(guān)

空氣開關(guān)也被稱為低壓斷路器。低壓斷路器是由操作機(jī)構(gòu)、觸點(diǎn)、保護(hù)裝置（各種脫扣器）和滅弧系統(tǒng)等組成。主觸點(diǎn)是靠手動或電動操作合閘的。當(dāng)主觸點(diǎn)閉合后，低壓斷路器的自由脫扣機(jī)構(gòu)將主觸點(diǎn)鎖在合閘位置上。低壓斷路器的過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯(lián)，而欠電壓脫扣器的線圈則與電源并聯(lián)。當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過載時，低壓斷路器的過電流脫扣器的銜鐵才會吸合，使得自由脫扣機(jī)構(gòu)動作，主觸點(diǎn)斷開主電路，達(dá)到保護(hù)器件的目的。

1.1.3 繼電器模塊選擇

1 路5V 繼電器。此電磁繼電器線圈驅(qū)動電壓為5V，輸出驅(qū)動能力為250VAC/10A[3]。此款電器使用簡單，輸入能夠直接與單片機(jī)IO 口或直接與數(shù)字電路進(jìn)行連接，輸入高電平時繼電器吸合，輸入低電平時繼電器釋放，體積小巧便于集成在插座內(nèi)部。

HH52P 小型中間繼電器。此電磁繼電器反應(yīng)快、吸力強(qiáng)且性能十分的穩(wěn)定。但是相較于1 路5V 繼電器，它的體積更加龐大，不容易將此繼電器集成在插板之中。此外繼電器的額定通過電流為5A，無法滿足插板10A 的額定電流大小的性能要求，即無法支持插板的中高負(fù)載，這會無形之中降低了插板的實用性能。HH52P 小型中間繼電器是兩開兩閉的觸電形式，但智能插板只需要操控插板的開關(guān)，只需要一路控制即可，若選用HH52P 小型中間繼電器會導(dǎo)致其性能上的浪費(fèi)。

綜上所述，本文選擇1 路5V 繼電器（見圖2）。

圖2 電磁繼電器模塊電路圖

1.1.4 AC-DC 轉(zhuǎn)換模塊

ESP8266 WiFi 模塊的工作電壓為直流低電壓3.3V，而插板輸出為市交流電220V 50Hz，因此需要采用AC-DC模塊[4]完成全波整流、濾波以及穩(wěn)壓功能將電源電壓整流為ESP8266 WiFi 模塊所需要的啟動工作電壓。本文采用B0303D-1WR2 芯片，該芯片功耗較低，且輸出電流較大，能夠帶動ESP8266 WiFi 模塊正常工作，從而保證整個系統(tǒng)能夠正常工作。B0303D-1WR2 芯片電路如圖3 所示。

圖3 B0303D—1WR2 芯片電路圖

■1.2 硬件總體結(jié)構(gòu)介紹

硬件電路采用AC-DC 為Arduino 開發(fā)板以及ESP8266 WiFi 提供工作電壓。ESP8266 WiFi 模塊完成向物聯(lián)網(wǎng)平臺巴法云傳送數(shù)據(jù)、接收云端數(shù)據(jù)和控制繼電器的開關(guān)?？諝忾_關(guān)防止智能插板因為斷路或過載而導(dǎo)致插板上電器的損壞。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計由微信小程序設(shè)計和ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計組成。

■2.1 微信小程序設(shè)計

微信小程序[5]使用微信開發(fā)者工具來對微信小程序進(jìn)行編程。首先完成顯示設(shè)備狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、打開按鈕和關(guān)閉按鈕的界面設(shè)計。其次將智能插板與巴法云用戶所建立的設(shè)備相連接。然后向巴法云獲取插板的設(shè)備狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)，為了實時更新插板的狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)，設(shè)置每隔五秒刷新一次狀態(tài)。最后根據(jù)打開和關(guān)閉按鈕狀態(tài)遠(yuǎn)程控制智能插板通斷。微信小程序流程圖如圖5 所示。

圖5 微信小程序設(shè)計圖

■2.2 ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計

Arduino IDE 中文版是官方發(fā)布的一款針對Arduino及模塊開發(fā)的軟件，其擁有開源的圖形化集成開發(fā)環(huán)境，并支持跨平臺運(yùn)行的免費(fèi)軟件，Arduino IDE 主要基于processing IDE 開發(fā)而成，具有界面簡潔直觀、上手難度較低、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)，能夠幫助用戶快速完成對于Arduino開發(fā)板或模塊的程序編寫，并燒寫到Arduino 開發(fā)板中運(yùn)行，大大提高了編程開發(fā)效率[6]。ESP8266 WiFi 模塊使用Arduino IDE 來對其進(jìn)行編程。首先對模塊設(shè)置WiFi 和心跳值，并對巴法云用戶的TCP 客戶端進(jìn)行初始化，然后向TCP 客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)并與TCP 客戶端建立連接，并通過向客戶端發(fā)送心跳來檢查模塊是否斷開連接。其次檢查WiFi是否連接，并通過WiFi 接收來自巴法云平臺的消息。若從巴法云平臺收到“Turn ON”消息，則通過指定引腳向繼電器發(fā)出低電平（即使繼電器連通），若從巴法云平臺收到“Turn OFF”消息，則通過指定引腳向繼電器發(fā)出高電平（即使繼電器斷開）。ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計流程圖如圖6 所示。

圖6 ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計流程圖

3 系統(tǒng)結(jié)果測試

智能插板接入家用電器臺燈后，在移動終端上開啟微信小程序，通過界面可以實時監(jiān)測到智能插座的當(dāng)前狀態(tài)，通過微信小程序的開關(guān)指令遠(yuǎn)程控制插板通斷電，進(jìn)而完成負(fù)載燈通斷電的控制。圖7 為微信小程序控制界面，圖8 為在微信小程序界面下發(fā)打開指令，通過巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠(yuǎn)程啟動智能插座時臺燈處于照明工作狀態(tài)。圖9 為在微信小程序界面下發(fā)關(guān)閉指令，通過巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠(yuǎn)程關(guān)閉智能插座時臺燈處于暗滅狀態(tài)。

圖7 微信小程序控制界面

圖8 遠(yuǎn)程開啟智能插板

圖9 遠(yuǎn)程關(guān)閉智能插板

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的插板存在無法遠(yuǎn)程操控以及實時監(jiān)控插板狀態(tài)等缺點(diǎn)。本文設(shè)計的智能插座通過采用日漸成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及微信小程序等對傳統(tǒng)插座進(jìn)行智能化的升級從而對傳統(tǒng)智能插板的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。該智能插座實現(xiàn)了用戶通過微信小程序來實時監(jiān)控房間中插板的狀態(tài)并且通過微信小程序?qū)Σ灏宓拈_關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，從而使人們的生活更加便利，預(yù)防日常生活中因插座老化、過載等原因而導(dǎo)致的火災(zāi)險情，減少因火災(zāi)而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。