翟明澤，王偉屹，劉斌，魯國(guó)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(jì)，2006 年～2015 年，全國(guó)各類火災(zāi)共212.2 萬(wàn)起，其中電氣火災(zāi)60.7 萬(wàn)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(shí)有發(fā)生。為了實(shí)時(shí)管理家居插座，預(yù)防插線板使用過(guò)程中意外發(fā)生火災(zāi)，造成生命財(cái)產(chǎn)損失，節(jié)約社會(huì)資源，本文采用嵌入式以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一款支持手機(jī)終端遠(yuǎn)程操控并且在電流過(guò)載時(shí)可以自動(dòng)斷電保護(hù)的智能插座。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■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(shí)與物聯(lián)網(wǎng)[1]巴法云平臺(tái)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(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用及開發(fā)所設(shè)計(jì)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(guò)該模塊與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)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(jiǎn)便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)從而在業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力。因此本文選用ESP8266 WiFi 模塊來(lái)作為智能插板的無(wú)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(dòng)或電動(dòng)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(guò)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(guò)載時(shí)，低壓斷路器的過(guò)電流脫扣器的銜鐵才會(huì)吸合，使得自由脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)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(dòng)電壓為5V，輸出驅(qū)動(dòng)能力為250VAC/10A[3]。此款電器使用簡(jiǎn)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(shí)繼電器吸合，輸入低電平時(shí)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(guò)電流為5A，無(wú)法滿足插板10A 的額定電流大小的性能要求，即無(wú)法支持插板的中高負(fù)載，這會(huì)無(wú)形之中降低了插板的實(shí)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(huì)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(dòng)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(dòng)ESP8266 WiFi 模塊正常工作，從而保證整個(gè)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(tái)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)。空氣開關(guān)防止智能插板因?yàn)閿嗦坊蜻^(guò)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)由微信小程序設(shè)計(jì)和ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì)組成。

■2.1 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序[5]使用微信開發(fā)者工具來(lái)對(duì)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(jì)。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(shí)時(shí)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(jì)圖

■2.2 ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì)

Arduino IDE 中文版是官方發(fā)布的一款針對(duì)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(tái)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(jiǎn)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(duì)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(lái)對(duì)其進(jìn)行編程。首先對(duì)模塊設(shè)置WiFi 和心跳值，并對(duì)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(guò)向客戶端發(fā)送心跳來(lái)檢查模塊是否斷開連接。其次檢查WiFi是否連接，并通過(guò)WiFi 接收來(lái)自巴法云平臺(tái)的消息。若從巴法云平臺(tái)收到“Turn ON”消息，則通過(guò)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(tái)收到“Turn OFF”消息，則通過(guò)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(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 ESP8266 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)結(jié)果測(cè)試

智能插板接入家用電器臺(tái)燈后，在移動(dòng)終端上開啟微信小程序，通過(guò)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到智能插座的當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)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(guò)巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠(yuǎn)程啟動(dòng)智能插座時(shí)臺(tái)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(guò)巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠(yuǎn)程關(guān)閉智能插座時(shí)臺(tái)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(duì)傳統(tǒng)的插板存在無(wú)法遠(yuǎn)程操控以及實(shí)時(shí)監(jiān)控插板狀態(tài)等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的智能插座通過(guò)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(duì)傳統(tǒng)插座進(jìn)行智能化的升級(jí)從而對(duì)傳統(tǒng)智能插板的缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)。該智能插座實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)微信小程序來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控房間中插板的狀態(tài)并且通過(guò)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(guò)載等原因而導(dǎo)致的火災(zāi)險(xiǎn)情，減少因火災(zāi)而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。