基于ESP8266的智能開關控制系統設計

南京科技職業學院 電氣與控制學院 薛 翔 王 琰

隨著網絡技術的迅猛發展，WIFI技術得到了廣泛的應用。WIFI是一種可以將個人電腦、手持設備等終端以無線方式進行互連的技術，為用戶提供了無線的寬帶互聯網訪問。本文介紹了如何通過ESP8266芯片和STC單片機實現家用電器開關的無線遠程控制，提出了一種基于ESP8266的智能開關控制系統方案，并從硬件和軟件兩個層面論述了系統方案的可行性。

1 系統總體設計

本系統主要由WIFI模塊和MCU模塊兩部分組成，通過WIFI模塊ESP8266將單片機MCU鏈接上外網，由手機App發送信息WIFI模塊接收到信息后，再向MCU發送信號，MCU經過對信息的處理，通過繼電器的方式實現家電的通斷控制或者燈的開關控制，形成了一個控制通信網絡。硬件電路主要有STC89C51芯片、DHT11溫濕度傳感器采集電路、LCD液晶顯示電路、繼電器驅動電路、WIFI模塊以及穩壓電路等組成。系統的總體設計框圖如圖1所示。WIFI模塊收發通訊數據，MCU完成數據的采集和外設的驅動。用戶使用手機APP將系統的WIFI模塊連接到指定的路由器后，通過UART串口傳送和接收MCU的相關指令信息，繼電器接負載并通過WIFI控制其通斷。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 MCU模塊

MCU模塊由以STC89C51芯片為核心的最小系統組成，STC89C51芯片在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C51在嵌入式控制應用系統中的得到了廣泛應用。本設計使用TXD和RXD引腳實現與WIFI模塊的串口通信，其他I/O引腳主要用于連接繼電器控制信號、溫濕度傳感器輸出信號以及LCD液晶顯示數據及控制等信號。

2.2 WIFI模塊

WIFI模塊選擇樂鑫公司的基于UART接口的ESP8266-12芯片，該芯片內置32位CPU，能夠獨立運行，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行，可以廣泛應用于智能家居、工業無線控制、無線傳感器等領域。

圖2 ESP8266-12接口及電源電路

圖3 繼電器驅動電路

ESP8266模塊能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的交換。有2種使用方案：一是直接使用內部自帶的處理器，對芯片進行二次開發，通過I/O口控制設備，例如繼電器、傳感器等，此方案節省成本，但開發難度較大；二是ESP8266模塊外接單片機，而其僅用來完成網絡相關的任務，使用AT命令操作，通過串口和外接的單片機通信，此方案開發快，性能穩定，但成本相對較高。本文選用第二種方案。

圖2為ESP8266-12與單片機串口通信接口及電源電路，TXD和RXD分別接單片機的P3.0和P3.1。ESP8266-12的9和11腳通過1K上拉電阻接3.3V電源。采用AMS1117 穩壓芯片將5V電源轉換成3.3V直流電壓，給WIFI和繼電器模塊供電。二極管IN4148反向截止起到保護電路的作用。撥動開關S1正常運行時接通TXD接收模塊發送的數據，下載程序時用S1斷開WIFI模塊，以防數據干擾。

2.3 繼電器驅動模塊

控制系統通過繼電器的方式實現開關的通斷控制。繼電器通過PNP型三極管驅動，當閥值超過設定時，單片機會由高電平跳變成低電平，三極管導通繼電器吸合，繼電器起開關作用，可以驅動負載。圖3為單個繼電器驅動電路，單片機P2.0引腳輸出一個低電平時，PNP型三極管9012導通，電流從+5V電源經線圈再經9012回到GND形成回路，此時繼電器線圈得電吸合，與線圈并聯的LED燈點亮，2.2K分壓電阻保證LED的3V工作電壓，二極管用于消除繼電器吸合時產生的瞬間反相電動勢，接線端子CON2可外接負載電源線，驅動負載的通斷相當于一個智能開關。

2.4 DHT11溫濕度采集模塊

采用DHT11溫濕度傳感器用于檢測室內溫濕度并發送給單片機進行處理和顯示，DHT11與STC89C51單片機連接相對簡單。如圖4所示，DHT11為 4 針單排引腳封裝。單片機的P2.7口用來發收串行數據，即data數據口。DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線串行數據格式,一次通訊時間4ms左右。上拉電阻10K起到信號穩定的作用。傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機的VDD和GND端。傳感器的第三腳懸浮放置。

圖4 DHT11接口電路

圖5 LCD接口電路

2.5 LCD1602液晶顯示電路

LCD1602能夠同時顯示16x02即32個字符，采用LCD1602液晶顯示器顯示網絡連接情況、室內溫濕度值以及開關狀態等信息，LCD與單片機接口連接如圖5所示。1腳接地，2腳接+5v電源，3腳為液晶顯示器對比度調整端，通過一個10K電位器調整對比度。4腳RS接P2.7用于寄存器的選擇。5腳R/W接P2.6用于讀寫信號的控制，6腳EN為使能端接P2.5用于液晶模塊的使能控制。7～14腳即D0～D7為8位雙向數據線接P0口，用于數據的讀寫。

2.6 智能手機APP

智能手機APP為網絡調試助手安卓版。網絡調試助手集成了TCP/UDP客戶端服務器，服務器端支持透明傳輸方式、自動反饋方式和手動發送方式。采用TCP客戶端模式，通過配置IP地址和COM端口號實現APP與ESP8266通信。

3 軟件設計

采用ESP8266實現遠程控制基本流程：ESP8266進行初始化，將手機連上ESP8266的WIFI，然后再通過手機端發送指令，ESP8266接收到命令發給單片機，單片機根據執行相應的操作。STC單片機每2秒鐘從DHT11溫濕度傳感器中讀入溫度和濕度，在液晶屏上顯示并通過ESP8266將采集的溫濕度數據發送到手機APP顯示。控制流程如圖6所示。

3.1 主程序設計

控制系統軟件部分主要分為WIFI配置與通信、溫濕度讀取、繼電器驅動、LCD液晶顯示四部分。系統上電后進入初始化階段讀取系統參數，溫濕度傳感模塊啟用，APP配網設置后，ESP8266配網成功直連數據服務器，傳送相應的控制指令到MCU驅動繼電器動作，同時實時回傳數據到服務器，APP可以即時查看相關的數據。主程序流程如圖7所示。

3.2 WIFI初始化

設置WIFI 的工作模式，ESP8266 支持softAP 模式、station 模式、softAP＋station 共存模式三種模式。本文采用SoftAP模式，即無線接入點模式，ESP8266發射一個WIFI熱

點將手機或電腦等終端設備接入熱點組建一個局域網。STC89C51單片機通過AT指令對ESP8266進行是初始化配置。

配置指令為：

AT+CWMODE=2，設置SoftAP模式。

AT+CWSAP=“NAME”,“password”，設置WIFI名稱和密碼。

AT+CIPSTART=“TCP”,“ X1.X2.X3.X4”,9999；讓模塊連上服務器X1.X2.X3.X4 為IP 地址，9999為端口。

AT+CWJAP=“ssid”,“pwd”；連接路由器，在程序中輸入路由器名稱ssid和密碼pwd；此時，WIFI 模塊就必須重啟，發送指令“AT+RST”給WIFI 模塊。

圖6 控制流程

圖7 主程序流程圖

3.3 關鍵函數設計

void main() ；//主函數，完成系統初始化，溫濕度讀取調用和顯示，開關的WIFI控制。

void uart_RX(void) interrupt 4；//串口中斷處理函數，如果串口接收到數據，執行相應的操作，控制繼電器的動作，直到收到下一個數據指令。

void Timer0 (void) interrupt 1 using 0；//定時中斷函數，單片機每2秒鐘從DHT11溫濕度傳感器中讀入溫度和濕度，用于MCU與DHT11的通訊。

void Uart_init( )；// 單片機串口初始化函數，波特率9600，設置T0和T1工作方式，允許串口接收數據，開中斷，啟動定時器。T0用于定時器，T1用于波特率發生器。

uchar DHT11(void)；// 溫濕度讀取子程序，采用單總線數據格式。

void LCDdisplay（）；// 液晶顯示子函數，包括初始化、寫指令、寫數據、顯示字符串和數據等。

4 結語

本文設計了一種基于ESP8266 WIFI芯片的智能開關系統，以STC單片機為主控制器，從軟件和硬件兩個層面論述了該方案的可行性。在該系統基礎之上，還可以增設家用電器定時開關、燈光的自動調節等其他智能控制功能。通過后期的不斷改進和完善，該控制器的功能將更加多樣化，市場前景也會更加廣闊。