楊功銀

（湖南開放大學(xué)（湖南網(wǎng)絡(luò)工程職業(yè)學(xué)院），湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，電視已經(jīng)在城鄉(xiāng)家庭中得到普及。電視給少年兒童帶來了知識(shí)和歡樂的同時(shí)，也讓許多自制力差的孩子因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間看電視導(dǎo)致視力和學(xué)習(xí)成績(jī)下降，這給家長(zhǎng)帶來了不小的困擾。解決少年兒童沉迷電視問題是一個(gè)社會(huì)難題，本文欲從技術(shù)上解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一款基于ESP8266EX 芯片的電視開關(guān)控制系統(tǒng)。通過此系統(tǒng)，家長(zhǎng)可以隨時(shí)利用手機(jī)微信客戶端控制家里的電視，對(duì)孩子看電視進(jìn)行有效監(jiān)管。

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了降低成本，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)直接采用ESP8266EX 芯片作為主控模塊。由于ESP8266EX芯片的GPIO 引腳輸出電壓和電流能力有限，使用GPIO 引腳與繼電器模塊連接，實(shí)現(xiàn)低電壓控制高電壓的目的[1]。為了不讓電視機(jī)在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作，系統(tǒng)使用溫度傳感器DS18B20 實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前電視機(jī)內(nèi)部溫度。當(dāng)溫度異常，系統(tǒng)將切斷電視電源。為了遠(yuǎn)程獲取當(dāng)前電視的開關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)使用ESP8266EX 芯片自帶的AD 模塊采集電視電源板的輸出電壓，附加簡(jiǎn)單的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。ESP8266EX 芯片是一款能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連的微控制器，可以用它與中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)ONENET 云平臺(tái)相連。系統(tǒng)采用目前廣泛流行的微信小程序作為應(yīng)用端，具有開發(fā)周期短、安全性高的優(yōu)點(diǎn)[2]。本系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ESP8266EX 核心電路設(shè)計(jì)

ESP8266EX 芯片集成了一個(gè)Tensilica L 106 處理器，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有SRAM，ADC，PWM、天線開關(guān)、射頻、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器以及電源管理模塊。正是因?yàn)槠浔容^完善的設(shè)計(jì)，ESP8266EX 最小系統(tǒng)只需要簡(jiǎn)單的外圍電路[3]。參照ESP8266EX 相關(guān)設(shè)計(jì)資料，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)核心電路如圖2 所示。

圖2 ESP8266EX 核心電路

ESP8266EX的電源由數(shù)字電源和模擬電源組成。ESP8266EX 的數(shù)字電源電壓在1.8 ～3.3 V，由Pin11和Pin17 兩個(gè)引腳外接3.3 V 提供。ESP8266EX 的模擬電源由Pin1、Pin2、Pin4、Pin29、Pin30 外接電源提供，電壓在2.5 ～3.6 V。ESP8266EX 芯片內(nèi)部的功率放大器和低噪聲功率放大器的工作電壓由Pin1、Pin3、Pin4 外接的模擬電源提供，內(nèi)置鎖相環(huán)電路工作電壓由Pin29、Pin30 引腳外接模擬電源提供。與數(shù)字電源不同的是，模擬電源的幾個(gè)引腳都使用了電容和電感元件，構(gòu)成了LC 濾波電路。濾波電路將電源引入的高頻諧波減弱或去除，提高供電質(zhì)量。為了提高電路的可靠性和穩(wěn)定性，這里選擇的電感額定電流都在1 A 左右，滿足其不少于500 mA 的要求。電路圖中的電容C3 容量達(dá)到10 μF，這是考慮到ESP8266EX 工作在TX 時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，如果不加上這個(gè)大電容，電源會(huì)被拉低進(jìn)而影響電路的正常工作[4]。

ESP8266EX 的7 腳是芯片的使能引腳，外接RC 電路控制；32 腳是復(fù)位腳，在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有上拉電阻，外部通過RC 電路實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位。由于Pin7 腳低電平持續(xù)200 μs 以上時(shí)，ESP8266EX 也將重啟，因此，可以通過7 腳、32 腳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)重啟。

2.2 Flash 電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用8 個(gè)引腳的SPI 接口的Flash，容量大小為2 MB。Flash 芯片的6 腳是時(shí)鐘引腳，通過電阻R4 與ESP8266EX 芯片的21 腳相連。R4 可以使驅(qū)動(dòng)電流減少，降低外部電路的干擾和串?dāng)_，此外還可以使時(shí)序得到調(diào)節(jié)。外擴(kuò)Flash 可以保存應(yīng)用程序和系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)從Flash 加載運(yùn)行。

2.3 晶振電路

ESP8266EX 芯片可支持多種不同頻率的時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)采用了26 MHz 的晶振。晶振的輸入端與ESP8266EX 芯片的28 腳相連，輸出端與ESP8266EX 芯片的27 腳相連。同時(shí)，晶振輸入端和輸出端分別增加了對(duì)地調(diào)節(jié)電容C2、C1。

2.4 射頻接收電路

ESP8266EX 芯片的WiFi 信號(hào)接收電路比較簡(jiǎn)單。射頻信號(hào)通過由C5、L2、C6 構(gòu)成的濾波電路進(jìn)入芯片的2 腳，然后在芯片內(nèi)部進(jìn)行處理。

2.5 測(cè)溫和AD 采集電路

本設(shè)計(jì)測(cè)溫功能用DS18B20 芯片實(shí)現(xiàn)。DS18B20 是一款體積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的常用傳感器。它只有電源地端、數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出端以及電源端三個(gè)引腳。AD 采集電路利用ESP8266EX 芯片的AD 采集引腳采集電視機(jī)電源板開機(jī)后產(chǎn)生的12 V 電壓。這里的電壓只有在電視正常開機(jī)后才會(huì)有，不開機(jī)時(shí)是0 V。因而，通過判斷此電壓的存在，可以知曉電視機(jī)當(dāng)前是否開機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三部分：一是云平臺(tái)相關(guān)設(shè)備的創(chuàng)建和配置[5]；二是運(yùn)行在ESP8266EX 芯片上的嵌入式軟件開發(fā)，主要完成與云平臺(tái)的通信、溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)及對(duì)電視機(jī)的開關(guān)控制；三是微信小程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。

3.1 ONENET 云平臺(tái)設(shè)備創(chuàng)建與配置

由于需要異地遠(yuǎn)程控制，本設(shè)計(jì)需要選用一款云平臺(tái)。中國(guó)移動(dòng)設(shè)計(jì)的ONENET 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是一款面向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)和智慧生活應(yīng)用的平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）平臺(tái)。開發(fā)者可以輕松使用MQTT、LwM2M、COAP、HTTP 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將各種傳感器和智能硬件快速接入該平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低成本物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署[6]。在本設(shè)計(jì)中，筆者登錄ONENET 官網(wǎng)（https://open.iot.10086.cn/console/summary）創(chuàng)建了一款電視開關(guān)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，在這個(gè)產(chǎn)品下創(chuàng)建了電視機(jī)、微信小程序控制端兩個(gè)設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行了一些必要的相關(guān)配置。

3.2 ESP8266EX 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

ESP8266EX 芯片主要實(shí)現(xiàn)電視機(jī)內(nèi)部工作溫度和工作電壓采集、與云平臺(tái)進(jìn)行雙向通信。

ESP8266EX 這款芯片本身具有ADC 采集功能，可以完成對(duì)電壓的采集。溫度采集可以使用DS18B20 這個(gè)傳感器。部分關(guān)鍵代碼如下。

ESP8266EX 芯片采用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議與云平臺(tái)通信。MQTT 協(xié)議是一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)通信協(xié)議，底層使用TCP/IP 協(xié)議提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接。ESP8266EX 的軟件開發(fā)需要實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議中的幾種報(bào)文。根據(jù)MQTT 協(xié)議的相關(guān)規(guī)定和本項(xiàng)目的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)的程序?qū)崿F(xiàn)了connect報(bào)文用于連接ONENET 平臺(tái)，訂閱報(bào)文用于接收從微信小程序端推送來的控制信息，推送報(bào)文用于上報(bào)ESP8266EX 采集的一些溫度信息和反饋一些控制信息?；谄脚_(tái)的設(shè)備、鑒權(quán)信息、上報(bào)信息協(xié)議和格式等，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的幾種報(bào)文如下。

（1）connect 報(bào)文。示例：10 26 00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 78 00 0A 31 30 38 39 30 32 37 34 39 37 00 06 35 33 37 32 30 39 00 06 79 67 79 35 32 30。

（2）訂閱報(bào)文。示例：82 0D 00 0A 00 08 57 65 69 78 69 6E 69 66 00。

（3）PUBLISH 報(bào)文。示例：30 09 00 04 54 56 69 66 XX XX XX（XX 表示上報(bào)的數(shù)據(jù)信息）。

運(yùn)行在ESP8266EX 芯片上的程序是利用安信可公司提供的集成開發(fā)平臺(tái)開發(fā)的。對(duì)電視機(jī)電源的控制，采用ESP8266EX 芯片的一個(gè)GPIO引腳輸出控制繼電器的方式進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用ESP8266EX 芯片的GPIO4 腳進(jìn)行控制，在安信可提供的集成開發(fā)平臺(tái)中，采用NONRTSDK 對(duì)GPIO4進(jìn)行初始化。對(duì)該引腳的初始化代碼如下。

PIN_FUNC_SELECT（PERIPHS_IO_MUX_GPIO4_U，F(xiàn)UNC_GPIO4）;//GPIO4 引腳配置

GPIO_OUTPUT_SET（GPIO_ID_PIN（4），1）;//GPIO4 輸出高電平

在MQTT 的接收?qǐng)?bào)文中，ESP8266EX 芯片對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行解析。當(dāng)解析的報(bào)文來自topic為Weixinif 同時(shí)指令為TVON 時(shí)，通過代碼控制GPIO 引腳輸出高電平，使繼電器接通從而使電視機(jī)接通電源工作；當(dāng)指令為TVOFF 時(shí)，通過代碼控制GPIO 引腳輸出低電平，使繼電器斷開電視機(jī)電源停止工作。此外，用戶通過閱讀電視說明書可得到電視的長(zhǎng)時(shí)間工作溫度上限，利用微信小程序端設(shè)置電視的關(guān)機(jī)溫度，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度超過設(shè)定值，也可切斷電視機(jī)電源使其停止工作。電視機(jī)工作時(shí)，電源板會(huì)輸出12 V 電壓，ESP8266EX芯片的AD 模塊就是通過采集電源板上的電壓來判斷電視機(jī)的開機(jī)狀態(tài)。ESP8266EX 芯片將電視機(jī)的開機(jī)狀態(tài)信息和溫度信息上報(bào)云平臺(tái)，并通過云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到微信小程序端，使得用戶知曉電視機(jī)的工作狀態(tài)信息并做出控制決策，這樣就可以使得少年兒童看電視的行為可控。軟件切斷電視電源的關(guān)鍵代碼如下。

3.3 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序是一種基于微信的輕量級(jí)應(yīng)用程序，可以在微信內(nèi)被便捷地獲取和傳播，同時(shí)具有出色的用戶使用體驗(yàn)。本設(shè)計(jì)采用微信小程序作為用戶控制端軟件。小程序的界面設(shè)計(jì)在wxml 文件中體現(xiàn)。本文使用了text、View、input 和image 組件，并對(duì)這些組件做了合適的樣式設(shè)計(jì)。界面顯示效果如圖3 所示。

圖3 微信小程序顯示效果圖

作為控制端，小程序需要借助云平臺(tái)將控制信息發(fā)送到ESP8266EX 芯片端并接收來自ESP8266EX 芯片的一些上報(bào)信息。ESP8266EX 芯片與云平臺(tái)使用MQTT 協(xié)議進(jìn)行信息傳遞。理論上，微信端也可以通過MQTT 協(xié)議完成與云平臺(tái)的信息溝通，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，工作量也比較大。本設(shè)計(jì)使用ONENET 云平臺(tái)提供的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）接口，使用HTTP 或HTTPS 調(diào)用進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢以及設(shè)備命令交互。通過查閱ONENET 云平臺(tái)的使用說明，本設(shè)計(jì)中，給云平臺(tái)發(fā)送控制命令采用POST 方法。實(shí)現(xiàn)發(fā)送控制指令的部分關(guān)鍵代碼如下。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于ESP8266EX 芯片的電視開關(guān)控制系統(tǒng)能夠采集電視的工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)溫度信息，并通過ONENET 云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到用戶使用的微信小程序端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。為了節(jié)省成本，減小系統(tǒng)的體積，便于安裝使用，本系統(tǒng)不使用常與ESP8266EX 芯片搭配的帶串口的單片機(jī)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)可使得家長(zhǎng)對(duì)少年兒童的看電視行為實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管，減少沉迷電視對(duì)少年兒童的身心傷害。