鄭定超， 李 稦

(浙江東方職業(yè)技術學院 信息傳媒與自動化學院， 浙江 溫州 325200)

隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，越來越多的智能電器產品和設備(例如智能家居控制系統(tǒng)、智能儀器儀表)出現在人們的生活和生產中。通過手機、平板等移動終端，可方便地控制設備的通斷電、獲取設備的運行參數等信息。物聯(lián)網，顧名思義就是物物相聯(lián)的互聯(lián)網，當所有設備進入互聯(lián)網后，我們可以通過網絡方便直接地獲取設備相關信息并對設備進行控制[1]。目前研發(fā)的產品大多已經智能化，許多舊設備雖然仍具有較好的使用性能，但是不能聯(lián)網，不具備智能控制的功能。如果購買新設備而淘汰舊設備，就需要增加成本，也會造成較大的資源浪費。因此，本文擬設計一款具有智能控制的繼電器模塊，將其用于舊設備的電路改造，通過移動終端操控繼電器的動作來控制設備的啟停，使一些舊設備具有智能控制的功能。

1 智能繼電器模塊的系統(tǒng)框架

所設計的智能繼電器模塊包括繼電器模塊、WIFI模塊、移動終端應用程序和機智云平臺。這里主要介紹該系統(tǒng)的整體框架及其機智云平臺。

1.1 系統(tǒng)整體框架

在普通繼電器模塊上加裝WIFI模塊，使其具備聯(lián)網、無線通信的功能。WIFI模塊經過燒寫機智云平臺固件，與云平臺進行數據通信。在云平臺上搭建服務器，編寫計算機應用程序，實現用戶終端與云平臺的通信[2]。用戶通過程序發(fā)送數據至云平臺服務器，服務器再轉發(fā)數據，通過WIFI模塊到達繼電器模塊，從而實現遠程無線控制繼電器模塊的功能，通過控制繼電器模塊達到控制設備的目的。智能繼電器模塊的系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.2 機智云平臺

機智云是一個面向個人、企業(yè)開發(fā)的一站式智能硬件開發(fā)及云服務平臺。搭建物聯(lián)網平臺通常需要自己架設服務器，成本高、效率低。機智云平臺能夠根據產品定義自動生成智能硬件與云端軟件的開發(fā)工具包(Software Development Kit，SDK)。開發(fā)者只需搭建平臺、定義相關數據點，即可根據開發(fā)文檔進行系統(tǒng)開發(fā)[3]。智能繼電器模塊的機智云平臺如圖2所示。

2 智能繼電器模塊的具體設計

智能繼電器模塊的具體設計包括：硬件部分的單片機最小系統(tǒng)和外圍模塊電路設計，軟件部分的云服務平臺搭建，移動應用程序(APP)的開發(fā)和微控制器的控制程序設計。智能繼電器模塊的系統(tǒng)構成如圖3所示。

圖2 智能繼電器模塊的機智云平臺示意圖

智能繼電器模塊的系統(tǒng)實現步驟如下：

Step1：在ESP8266型芯片上燒寫機智云固件；

Step2：在機智云開發(fā)者中心創(chuàng)建產品，并定義數據點；

Step3：下載自動生成的模組通信協(xié)議；

圖3 智能繼電器模塊的系統(tǒng)構成

Step4：使用虛擬設備和機智云、APP進行系統(tǒng)調試；

Step5：通過機智云實現APP與虛擬設備的聯(lián)動[4]。

2.1 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)是指單片機能正常工作的最小模塊，包括提供工作脈沖的時鐘電路、提供電能的電源電路以及使電路復原到最初狀態(tài)的復位電路[5]。在設計單片機最小系統(tǒng)電路的基礎上，擴展部分輸入/輸出接口，可以進行后續(xù)功能的設計與添加。選用的STM8型單片機最小系統(tǒng)的控制模塊電路如圖4所示。

圖4 STM8型單片機最小系統(tǒng)的控制模塊電路圖

2.2 外圍模塊電路設計

考慮到體積與功耗等因素，所設計系統(tǒng)的外圍模塊電路主要包括WIFI無線通信電路和繼電器動作電路。WIFI無線通信電路采用樂鑫ESP8266功能模塊。該模塊自帶WIFI網絡解決方案，通過燒寫機智云平臺提供的固件，可快速實現設備M2M(Machine-to-Machine)接入、數據統(tǒng)計分析、遠程控制、OTA(Over-The-Air)升級、第三方接口等功能服務[6]。

所設計系統(tǒng)的繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。其工作原理是電生磁原理[7]，線圈通電后產生電磁力，銜鐵吸住鐵芯而帶動動靜觸點動作[8]。把繼電器模塊(見圖5)接入所服務設備的電源電路中，通過繼電器動作，控制設備電源的通斷，達到對設備控制的目的。

圖5 繼電器模塊電路圖

2.3 云平臺搭建及APP頁面設計

硬件智能化的前提是設備能夠聯(lián)網。GAgent是機智云系統(tǒng)提供的一款兼容國內主流WIFI模塊、移動網絡模塊的模組系統(tǒng)，其主要作用是數據轉發(fā)。它是設備數據、機智云和應用端數據交互的橋梁[9]。在系統(tǒng)設計制作時，燒寫平臺固件后，可在廠家提供的后臺開發(fā)中心創(chuàng)建工程項目。在系統(tǒng)配置完成后，下載工程提供的SDK即可進行項目的開發(fā)[10]。

在軟件功能設計中，終端APP將數據發(fā)送至電路端，控制繼電器動作，進而控制設備的啟停狀態(tài)；用戶根據提示點擊按鈕，可操控遠程設備；設備的狀態(tài)能實時回送至終端APP，以便用戶及時方便地查看設備狀態(tài)并進行操作。圖6所示為手機APP測試頁面。

圖6 手機APP測試頁面

2.4 微控制器控制程序設計

單片機起核心控制作用。它通過WIFI模塊接收APP發(fā)送的數據，處理后進行判斷，控制繼電器動作，并把繼電器的狀態(tài)數據發(fā)送給APP。微控制器的控制流程如圖7所示。

圖7 微控制器的控制流程

3 智能繼電器模塊的系統(tǒng)測試

智能繼電器模塊設計完成后，在家電小風扇的電源電路上加裝此功能模塊，然后通電，風扇不轉；打開手機APP后點擊“繼電器開”按鈕，風扇轉動；點擊“繼電器關”按鈕，風扇停止轉動。但是，該智能繼電器模塊不能控制風扇轉速的檔位。

插座上加裝該智能繼電器模塊，通電后插座電源指示燈不亮，插孔不通電；點擊“繼電器開”按鈕，電源指示燈亮，插孔通電；點擊“繼電器關”按鈕，插座斷電。

經過系統(tǒng)測試，在舊設備上加裝該智能繼電器模塊，能夠通過APP來遠程無線控制設備的通斷電。

4 結 語

伴隨著物聯(lián)網技術的快速發(fā)展，越來越多的智能化產品不斷問世，但全新智能控制系統(tǒng)的設計成本高、周期長。本文針對舊設備設計的智能繼電器模塊采用WIFI控制，可以加裝在原來的電氣設備上，通過控制繼電器的通斷實現設備的通斷電，從而達到提升設備智能化水平的效果。經過系統(tǒng)測試，該智能繼電器模塊能夠實現遠程無線控制電氣設備的通斷電。但是，該模塊仍存在一些不足，例如檔位不能調節(jié)、不能預約斷電時間，還需要進行改進。