一種基于WIFI方式的無線開關智能模塊原理分析與設計

黃思淮 王金剛 南京工程學院

1 基于WIFI方式的無線開關智能模塊工作原理及模式

1.1 softAP

在基于WIFI方式的無線開關智能模塊當中，其具有一種與手機開啟熱點極為相近的功能模式即softAP，其功能基本與AP一致，但相對于AP廣闊的覆蓋范圍，其覆蓋面相對較小。softAP支持通過對無線網卡進行更換的升級方式，且對接口要求并不高，智能手機、個人電腦等均可以作為其接口，在與WIFI網絡相互連接下，便可以構成一個完整的局域網，使得其他各設備也可以連接至網絡當中。

1.2 station

Station工作模式也是此種基于WIFI方式的無線開關智能模塊中比較常用的一種工作模式，其功能接近筆記本電腦當中的無線網卡。通過將各設備網絡熱點與智能芯片相互連接，利用路由器便可以將所有智能開關一并連接至網絡當中。此時手機移動客戶端借助云端服務器便可以自由完成各項信息數據的上傳下載和交互處理。通過將智能開關連接家庭個人WIFI網絡當中，不僅可以有效保障網絡具有較高的安全穩定性，同時也有助于節約成本費用。在將智能手機作為用戶端時，APP端將負責完成控制家居電器開斷等控制指令的遠程發送，進而實現對家居電器的遠程智能控制。

1.3 共存模式

為了能夠進一步提高基于WIFI方式的無線開關智能模塊的應用效果，除了單純使用上述兩種工作模式之外，還可以通過將二者相互整合，及運用softAP和station相互共存的模式。通過實現兩種模式的優勢互補，以此有效提高無線開關智能模塊的經濟性和有效性。此種模式在工作中，通過以智能芯片為熱點，使得其他設備也可以連接至組網當中，在WIFI信號的作用下，與云端服務器相互連接，此時智能手機移動客戶端發送的控制指令便可以經由云端服務器直接傳輸至各相關設備當中，以此有效完成對家居電器的遠程開斷等智能控制。此時家居電器的開關狀態以及其他相關信息也將一并反饋回智能手機移動客戶端處。本文在設計基于WIFI方式的無線開關智能模塊當中，便通過將包括智能手機等在內的用戶設備作為連接智能芯片的station的softAP接口，在對利用路由器連接至網絡中的這一接口進行有效控制，即可在確保網絡安全穩定的前提下實現對家居電器開關的遠程智能控制。

2 基于WIFI方式的無線開關智能模塊設計

2.1 硬件設計

本文在對基于WIFI方式的無線開關智能模塊進行設計的過程中，在其硬件部分選擇使用采用電壓驅動方式的且擁有一組100mΩ接觸電阻的常開觸點，其觸點負載為15A/250VAC，切換電流及其功率的最大值可以分別達到15A和3750V。技能能夠滿足基于WIFI方式的無線開關智能控制模塊的驅動需求。在電源模塊當中，本文通過設計選擇使用具有較高進精度的AMS1117，其通過實現過熱保護以及限流電路成功集成，不僅具有質量輕、體積小的重要優勢，同時也大大增加了電源模塊工作的安全性。

作為該智能模塊最為重要的部件，在智能芯片的設計中，因考慮到ESP8266 WIFI芯片中的處理器功耗極低，CPU時鐘速度較高，并且支持包括802.11 b/g/n/e/i等在內的眾多WIFI通訊協議。因此選擇將其作為該WIFI智能模塊的核心芯片。在這一智能芯片當中同時擁有主動和被動掃描功能，因此當其在成功接收到啟動指令后便可以自主完成指令執行。在管理執電源時，幾乎不與主機進行互動，因此可以有效節約工作時間實現快速精準反映，在順利完成對家居電器開關的遠程智能控制下還可以達到控制功耗的目的。系統在工作過程中，依托現有的WIFI網絡，智能手機移動客戶端將把用戶端和云端服務器連接在一起，待后者成功接受后通過WIFI發送，由該智能芯片的內置天線經由802.11.b協議完成指令接收。此時芯片將自動調整至softAP + Station模式，在芯片中的內置CPU成功解碼分析接收的指令信息后，解碼信息將被轉換成電平信號形式并及時反饋到繼電器模塊中，進而因其GPIO引腳動作，以此對連接著外部電路的各類家居電器開關進行遠程控制。此時通過電平信號，各類家用電器開關狀態信息將被傳輸回該智能芯片中，由其負責進行打包處理后利用WIFI信號重新傳輸給云端服務器。并最終利用WIFI網絡或是移動通訊網絡將經過打包的家居電器開關信息傳輸并顯示在用戶智能手機的移動客戶端當中。由于本文在設計基于WIFI方式的無線控制智能模塊中采用了softAP與Station模式相互共存的模式，因此不僅可以通過WIFI信號和無線路由器完成對各家居電器開關的遠程集中控制，同時也支持智能手機通過連接移動通訊網絡如4G網等實現直連，進而遠程控制連接著外部電路的各家居電器開關。

2.2 軟件設計

本文在設計基于WIFI方式的無線開關智能模塊的軟件部分中，采用了嵌入式程序設計理念，通過利用由文本編輯器和Lua解釋器及其編譯器共同構成的開發環境，直接完成相關程序代碼的編寫工作。而考慮到各操作系統的編輯器不盡相同，因此使得編輯器版本之間也千差萬別。為此，本文在設計過程中選擇了具有操作簡便、適用范圍廣泛等優勢特征的Notepad編輯器。在文本編輯器當中其需要編輯的文件即源文件中含有程序源代碼，因此通過直接利用Lua解釋器便可以同步完成Lua命令的輸入和執行，并且在出現錯誤的情況下可以自動停止執行命令程序。在實際運行中，當TCP成功處于連接狀態后，softAP模塊將負責對各傳感器采集得到的電流、電壓等參數進行統一檢測和分配、存儲，隨后利用WIFI信號直接將其傳輸至云端服務器中。WIFI模塊在開始運行后，首先需要智能控制模塊的工作模式進行相應設置，如果sation成功連接，則需要對靜態IP以及端口號進行相應設置，此時將出現大約1s的延時情況。在現實DHCP配置完成后模塊將自動進行Espcon.n參數設置并注冊連接回調參數，隨后通過依次完成TCP偵聽建立、接收客戶端數據以及判別數據類型后，如果為傳感器傳來的信息，則直接進行數據的存儲和反饋即可。而如果為指令類數據，則模塊將在WIFI信號下直接發出控制指令實現對家電開關的遠程控制。

3 結束語

本文通過對基于WIFI方式的無線開關智能模塊進行分析研究，指出其通過利用WIFI信號進行傳輸，不僅可以具備較高的傳輸速率和傳輸質量，同時也可以達到控制成本、降低能耗的效果。但由于受到篇幅限制和筆者自身學識的影響，本文并未對設計的基于WIFI方式的無線開關智能模塊的實際應用成效展開相關研究，因此研究還存在實踐性不足的問題，有待日后的進一步改進。