基于ESP8266-12F 的智能語音物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)設(shè)計(jì)

李明，楊家輝，吳海賓，劉付仕錦，李永華

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，廣東陽江，529566）

0 引言

智能家居在改變用戶生活方式的同時(shí)，也使用戶的工作效率和生活品質(zhì)得到了很好的提升[1]。上班前只要說“我要上班了”，房子里的所有燈和電器都可以關(guān)掉，清掃機(jī)器人就可以開始工作了。外出后，如果您發(fā)現(xiàn)某些電器未關(guān)閉，也可以通過手機(jī)在應(yīng)用程序中操作，而不是回家后手動關(guān)閉。同時(shí)，你也可以在家里用手機(jī)觀看現(xiàn)場。上班前的一段時(shí)間，自動開啟空調(diào)和熱水器，這樣你回家時(shí)可以進(jìn)入一個(gè)更舒適的生活環(huán)境，同時(shí)可以避免等待電熱水器燒水的時(shí)間。此外，針對廣大需求者的不同要求，智能家居可以根據(jù)需求進(jìn)行個(gè)性化改造。智能家居系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于智能開關(guān)、智能窗簾、監(jiān)控系統(tǒng)、空調(diào)等領(lǐng)域[2]。在智能家居方面的產(chǎn)品創(chuàng)新也越來越多。

1 智能家居方案分析

智能家居產(chǎn)品可以通過射頻通信、紅外通信和Zigbee通信進(jìn)行控制。其中，Zigbee 技術(shù)可以在家中建立一個(gè)Zigbee-LAN，并互連該LAN 覆蓋的多個(gè)智能家居子節(jié)點(diǎn)。雖然Zigbee 技術(shù)通信距離短，通信速率不如Internet 通信，但應(yīng)用于室內(nèi)控制時(shí)對通信距離和通信速率的要求較低，基本可以滿足家庭通信的需要。此外，Zigbee 技術(shù)具有成本較低、功耗低的特點(diǎn)。Zigbee 模塊的電源使用量極低，一個(gè)電池正常情況下能維持半年以上，不像其他大多數(shù)通信設(shè)備需要額外的電源[3]。

使用現(xiàn)代主要的通信手段，智能家居產(chǎn)品也能接入互聯(lián)網(wǎng)。WiFi 通訊連接便捷，處理快捷，同步快捷。本文使用ESP8266-12F 為主要控制器件，主控芯片具有通信功能。原理圖和PCB 圖使用立創(chuàng)EDA 進(jìn)行設(shè)計(jì)繪制，由Arduino開源編程軟件編程，選用點(diǎn)燈科技作為接入米家的第三方平臺，進(jìn)而可以使用小愛同學(xué)進(jìn)行語音控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）對于本地控制，用戶可以通過實(shí)體開關(guān)在家中對電氣設(shè)備進(jìn)行控制，此時(shí)手機(jī)上可以同時(shí)接收到開關(guān)狀態(tài)更新的消息。

（2）對于遠(yuǎn)程控制，用戶可以通過手機(jī)軟件對家中的電氣設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)能夠監(jiān)測家中電氣設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。

（3）可以使用小愛同學(xué)進(jìn)行智能語音控制。

2.2 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)方案為：

（1）對于本地控制功能的方案，直接對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行編程即可實(shí)現(xiàn)。

（2）對于遠(yuǎn)程控制功能的方案，用戶使用手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，在手機(jī)使用點(diǎn)燈科技軟件中點(diǎn)擊設(shè)備，再點(diǎn)擊頁面按鍵，操作指令就會先發(fā)送至點(diǎn)燈科技的服務(wù)器，再由服務(wù)器發(fā)送至已連接的路由器中，最終與家里的智能開關(guān)進(jìn)行通信。

（3）對于語音控制方面，直接編程使用點(diǎn)燈科技的庫文件和接入米家的庫文件。

另外，使用實(shí)體輕觸按鍵開關(guān)，輸入信號接入到3.3 V直流源的芯片。使用常規(guī)86 開關(guān)底盒作為殼體，方便安裝使用和改造。智能開關(guān)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是繼電器，繼電器使用光耦合三極管進(jìn)行驅(qū)動，使用反向二極管對繼電器進(jìn)行保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，本文的硬件整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 硬件整體設(shè)計(jì)框圖

2.3 主控電路設(shè)計(jì)

電源通過整流模塊得到5 V 電源進(jìn)行供電，使用AMS1117-3.3 作為5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 給芯片進(jìn)行供電。ESP8266-12F 是目前市面上性價(jià)比最高的WiFi 芯片，支持802.11 b/g/n（即2.4 G），自帶板載天線。該芯片包含50 KB 可用RAM、32 Mbit 閃存、內(nèi)置32 位Micro 單片機(jī)，主頻支持 80 MHz 和 160 MHz，支持RTOS WiFi @2.4 GHz，支持 WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK 安全模式，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換、TCP/IP 協(xié)議棧、功率放大等多種功能。該芯片包含深度睡眠模式以節(jié)約能耗，還有9 個(gè)可用的輸入輸出端口?；贓SP8266-12F 的主控電路如圖2 所示。

圖2 芯片主控電路

在圖2 中，芯片根據(jù)手冊要求，需要對RST 腳和EN腳分別上拉一個(gè)10 kΩ 和一個(gè)1 kΩ 的電阻，RST 引腳為復(fù)位引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)單片機(jī)復(fù)位，該引腳也需要接一個(gè)10 kΩ 電阻進(jìn)行上拉，保持高電平狀態(tài)。并聯(lián)接入一個(gè)100 nF 的電容可以起到濾波的作用，GPIO4、GPIO5、GPIO16 定義為輸入引腳，需要下拉一個(gè)1 kΩ 的電阻進(jìn)行復(fù)位引腳狀態(tài)。VCC 引腳為3.3 V 電源輸入引腳，并聯(lián)一個(gè)100μF，一個(gè)22μF 和一個(gè)100 nF 的電容可以有效濾波，改善輸入電源的波形。GND 為接地引腳；根據(jù)芯片手冊要求，GPIO15 下拉一個(gè)10 kΩ 電阻，GPIO0 和GPIO2 運(yùn)行模式下要各上拉一個(gè)10 kΩ 電阻，下載模式需要各下拉一個(gè)10 kΩ 電阻。TXD0 和RXD0 是串口傳輸和接收引腳。

2.4 繼電器驅(qū)動電路

繼電器用于執(zhí)行220 V 通斷任務(wù)的主要器件。本文設(shè)計(jì)使用的是PANASONIC（松下）旗下的ALDP105W 繼電器。ALDP105W 繼電器的觸點(diǎn)最大可承受277 V 的交流電壓，額定電流可達(dá)5 A。線圈吸合觸點(diǎn)所需的電壓為5 V，采用光耦隔離電路給繼電器供電，增加一層光電隔離，從而保護(hù)線路安全。開關(guān)管使用S8050。并聯(lián)在線圈兩側(cè)的二極管能為電感線圈提供泄放回路從而保護(hù)三極管。該系統(tǒng)共包含3 條繼電器控制電路，分別用于控制3 路負(fù)載。單片機(jī)輸出引腳GPIO12、GPIIO13、GPIO14 用于輸出高低電平控制三極管，其電平變化分別由SW1、SW2、SW3 控制。

初次上電，繼電器處于斷開狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)SW1 按下時(shí)，GPIO4 置為高電平，經(jīng)芯片處理后，GPIO12 輸出高電平，S8050 三極管導(dǎo)通。5 V 電壓經(jīng)過光耦驅(qū)動導(dǎo)通S8050 三極管，再到繼電器上，電流經(jīng)芯片導(dǎo)通的三極管接地，形成回路。此時(shí)觸點(diǎn)間吸合，松手后繼電器持續(xù)吸合，GPIO4 經(jīng)下拉電阻置為低電平。當(dāng)再次按下SW1 時(shí)，GPIO4 置為高電平，經(jīng)芯片處理后，GPIO12 輸出低電平，S8050 三極管關(guān)斷，磁場消失使觸點(diǎn)彈回，此時(shí)電路開路。由于線圈的儲能作用，線圈中的電流在線圈與二極管之間會形成回路，該殘留電流會被回路中的阻抗消耗。觸摸開關(guān)SW2 或SW3操作方法與SW1 相同。

3 程序設(shè)計(jì)

首先，對硬件設(shè)備上電，程序會對芯片的所有輸入輸出口進(jìn)行初始化，將配置好的路由器名字、密碼和設(shè)備密鑰進(jìn)行初始化，然后開始接入點(diǎn)燈科技服務(wù)器。聯(lián)網(wǎng)成功后會同步本地開關(guān)狀態(tài)到點(diǎn)燈科技服務(wù)器，如果沒有聯(lián)網(wǎng)成功，設(shè)備會一直進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，但不會影響本地按鍵操作，本地按鍵仍然可以控制指令操作。如果聯(lián)網(wǎng)成功，則同步本地開關(guān)狀態(tài)至服務(wù)器，數(shù)據(jù)同步完成后，通過接入米家可以使用小愛同學(xué)進(jìn)行手機(jī)語音控制，同時(shí)也可以使用點(diǎn)燈APP 進(jìn)行操作。每一次的操作完成都會觸發(fā)心跳回調(diào)包將當(dāng)前操作的開關(guān)狀態(tài)到發(fā)送到點(diǎn)燈科技服務(wù)器，每10 秒鐘會自動刷新一次各個(gè)開關(guān)狀態(tài)。最后服務(wù)器接收處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并輸出到ESP8266-12F 芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相關(guān)指令通過輸入輸出口輸出執(zhí)行指令進(jìn)行開關(guān)操作。

ESP8266-12F 芯片的輸出信號到繼電器會有白色LED燈會亮起，點(diǎn)燈科技軟件的設(shè)備里的頁面上的按鍵會變成黃色，并顯示“開”。ESP8266-12F 芯片沒有信號輸出，白色LED 燈滅，點(diǎn)燈科技軟件的設(shè)備里的頁面上的按鍵會變成灰色，并顯示“關(guān)”。

具體操作流程如圖3 所示。

圖3 操作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)電路

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路功能，通過相關(guān)CAD 軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路板，電路板共分為兩層，上層板硬件電路框圖如圖4所示，下層板硬件電路框圖如圖5 所示。根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)PCB 板，PCB 電路上層板頂層3D 模型如圖6 所示，上層板底層3D模型如圖7所示。將設(shè)計(jì)的PCB板制成電路板實(shí)物，并焊接相關(guān)元件得到設(shè)計(jì)的電路板，實(shí)物圖如圖8 所示。

圖4 上層板硬件電路框圖

圖5 下層板硬件電路框圖

圖6 上層板頂層3D 模型

圖7 上層板底層3D 模型

圖8 實(shí)驗(yàn)電路板

最后完成平臺的聯(lián)網(wǎng)、搭建語音控制和遠(yuǎn)程控制?？梢灾苯雍艚谐鲂弁瑢W(xué)后，下發(fā)指令，進(jìn)行語音控制?；虼蜷_點(diǎn)燈APP 進(jìn)入設(shè)備頁面，進(jìn)行手動遠(yuǎn)程操作。

5 結(jié)束語

本文從智能家居系統(tǒng)的智能開關(guān)出發(fā)，提出了一種兼具本地控制與遠(yuǎn)程控制功能的智能開關(guān)DIY 設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備與網(wǎng)關(guān)采用WiFi 通信方式，智能開關(guān)硬件電路以ESP8266-12F 的 WiFi 模塊為控制核心，外設(shè)電路包括電源轉(zhuǎn)換電路和繼電器控制電路。在研究過程中，完成的工作主要有：

（1）分析了各種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇WiFi 通信的系統(tǒng)通信策略。

（2）結(jié)合國內(nèi)智能家居的發(fā)展方向，參考了市場上眾多智能家居產(chǎn)品的解決方案后，制定了該設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案。

（3）從功能體驗(yàn)上考慮，對硬件電路進(jìn)行改善。增加了白色LED 指示燈作為有無信號輸出的確認(rèn)，降低開發(fā)調(diào)試難度。

在技術(shù)層面上，智能開關(guān)與其他智能家居中的功能性有許多相似之處。例如，智能開關(guān)的設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于智能插座。在硬件設(shè)計(jì)上，由原先的三路切換裝置改為一路（最多支援四路），并將原本的智慧型開關(guān)負(fù)載端，以220V 標(biāo)準(zhǔn)電器插口取代電力裝置。如果負(fù)荷較大，應(yīng)合理選擇繼電器的功率大小。在軟件設(shè)計(jì)方面，可以修改小愛同學(xué)的庫文件。

本文設(shè)計(jì)的智能開關(guān)系統(tǒng)要能真正應(yīng)用到生活中，比如家庭開關(guān)，汽車轉(zhuǎn)向開關(guān)等，還很多需要改進(jìn)的地方。從其功耗、功能和成本的角度考慮，本文設(shè)計(jì)的智能開關(guān)的不足之處包括：

（1）目前智能開關(guān)設(shè)備從運(yùn)行開始時(shí)就一直處于工作狀態(tài)，不能智能地在不需要的場景下進(jìn)入睡眠模式，達(dá)到降低功耗的目的。后期通過對程序的優(yōu)化可以嘗試加入睡眠模式，使開關(guān)在絕大多數(shù)不工作的情況下，保持休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低能耗。

（2）可以提升設(shè)備的安全性能。在功率輸出端加入檢測用電設(shè)備電流的功能，當(dāng)檢測到電流過高時(shí)，可自動切斷電源，保護(hù)電器安全和人身安全。

（3）本文聯(lián)網(wǎng)配置單一，只能在程序?qū)懞煤笤傧螺d進(jìn)去。后期優(yōu)化可添加掃碼進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)程序配置界面，方便用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接配置。