張 鋒，劉海鋒

（廣東石油化工學院 電子信息工程學院，廣東 茂名 525000）

0 引 言

當今社會，隨著人們生活水平的提高，家用電器的數(shù)量越來越多，人們對家電的節(jié)能性和安全性要求越來越高，實現(xiàn)對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)構的基礎上實現(xiàn)智能控制，最簡單的辦法就是在插座上實現(xiàn)用電設備監(jiān)測和控制的智能化。

移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展使物聯(lián)網(wǎng)應運而生，同時也推動了大量智能終端及相關行業(yè)的發(fā)展。然而，文獻[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、安保以及管控等簡單功能，遠遠做不到數(shù)字化以及終端監(jiān)控。本文設計的智能插座，不僅具備傳統(tǒng)插座的斷開和閉合功能，而且具有遠程監(jiān)控的功能，可以實現(xiàn)在手機等多終端設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普通電氣設備的智能化需求。

1 總體設計方案

系統(tǒng)由燈座硬件終端、服務器端和用戶控制端三部分組成，如圖1所示。燈座硬件終端負責接收從服務器端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，判斷是否需要做出相應的控制動作。服務器端負責接收和轉(zhuǎn)發(fā)來自智能燈座硬件終端和用戶控制網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)、監(jiān)聽用戶和硬件終端的數(shù)據(jù)，同時把數(shù)據(jù)寫入對應的數(shù)據(jù)庫。用戶控制端是用戶監(jiān)控端與用戶對接的一個交互界面。

圖1 系統(tǒng)設計結(jié)構

2 系統(tǒng)硬件設計

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、功率測量模塊，如圖2所示。電源AC-DC及穩(wěn)壓模塊負責給直流部分供電，聯(lián)網(wǎng)模塊負責收發(fā)來自服務器的數(shù)據(jù)，主控制器將數(shù)據(jù)處理后輸出相應的PWM信號給交流調(diào)光模塊，最后交流調(diào)光模塊根據(jù)占空比輸出相應的電壓給普通燈泡。功率測量模塊負責對插座電壓、電流、功率進行測量。

圖2 智能燈座的硬件整體框圖

2.1 核心控制電路設計

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

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。通過該模塊來實現(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)部集成過熱保護和限流電路。220 V的交流電先經(jīng)過HLK-PM01模塊，轉(zhuǎn)換出來5 V的直流穩(wěn)壓的電源后，再接入AM1117芯片對應的輸入引腳，最后轉(zhuǎn)換成3.3 V DC供應給主控芯片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)動器。發(fā)光二極管把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號并傳給光敏管，最后轉(zhuǎn)換為電信號輸出。由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，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斷速度快的特點，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)軟件設計

3.1 服務器端軟件設計

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

圖3 服務器軟件流程

3.2 燈座終端軟件設計

燈座在上電后，首先會檢查網(wǎng)絡配置并嘗試進行聯(lián)網(wǎng)，如果聯(lián)網(wǎng)成功就會進一步連接MQTT服務器，否則會等待用戶通過微信AirKiss配網(wǎng)。待連接MQTT服務器成功后，燈座終端會訂閱相關主題，然后進入一個無限循環(huán)的過程。在這個循環(huán)過程中，燈座需要不斷檢查是否有來自服務器的信息，如果有，就對信息的內(nèi)容進行解析，根據(jù)指令來調(diào)整PWM的占空比，進而通過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)測試

4.1 交流斬波電路調(diào)試

上文已經(jīng)對交流斬波電路做了初步的仿真測試，本節(jié)進一步對該電路進行實物測試，如圖5所示。

圖5 交流斬波電路測試

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)測試

初次使用必須進行網(wǎng)絡配置才能使燈座聯(lián)網(wǎng)，配置方法是通過智能手機的微信客戶端進行的。打開微信上的“掃一掃”功能，掃描指定的二維碼，進入如圖7所示的界面；然后依次點擊“配置設備上網(wǎng)”，根據(jù)提示輸入當前所連接的WiFi密碼；最后點擊“連接”按鈕，就可以等待燈座自動連接網(wǎng)絡了。經(jīng)過短暫的等待，會提示網(wǎng)絡連接成功，就可以進行下面的測試和使用了。

圖7 微信AirKiss配網(wǎng)截圖

4.3 發(fā)送數(shù)據(jù)測試

通過WiFi配置后，ESP主控芯片已經(jīng)能正常聯(lián)網(wǎng)了，會在串口打印網(wǎng)絡IP地址等信息；接著程序會自動連接MQTT代理服務器，如果連接成功，串口會顯示“連接成功”的相關信息。

4.4 服務器端調(diào)試

網(wǎng)頁測試時，在瀏覽器輸入訪問用戶監(jiān)控頁面的地址，即http：//deng.901studio.cn，就能進行相應燈座的控制操作了。

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

圖8 測試PC端控制頁面截圖

5 結(jié) 語

本文通過交流調(diào)光電路設計、單片機控制、IoT組網(wǎng)、網(wǎng)頁前端開發(fā)、服務器后端開發(fā)、系統(tǒng)運維等，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能插座。經(jīng)過系統(tǒng)測試，達到預期效果，能夠滿足智能家居需求。該插座的推廣使用將帶來良好的社會效益。