基于ESP8266的Wi-Fi智能插排

鮑民悅

摘? 要：該課題主要對智能插排進行研究，智能插排是一種大規模生產的智能家居產品，它的出現在一定程度上打破了智能家居定制化的傳統生產模式，使人們可以深入感受智能家居產品所帶來的便利，最重要的是展現技術再加工給生活帶來的簡明、直觀以及方便之處。該文對基于ESP8266的Wi-Fi智能插排進行研究設計，通過系統設計理念，對Wi-Fi智能插排進行分析。

關鍵詞：智能插排;ESP8266;Wi-Fi

中圖分類號：TP311? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

智能插排是以智能家居產品為基礎，具有自己獨立特征的小型電子產品，隨著智能家居概念的不斷成熟，智能插排也得到了一定的發展，現有的智能插排使用的是定時型智能技術。該文正是在這種背景下設計了一套由硬件平臺、服務器和手機軟件構成的智能插排控制系統，并且可以在Android手機的遠程控制下進行智能控制。

1 系統設計理論

該文以主控芯片ESP8266為MCU平臺，采用本身自帶無線Wi-Fi模塊的串口來完成通信過程，系統的設計主要使用外加433M無線收發模塊。

1.1 電壓變換裝置

中央控制器、Wi-Fi模塊以及繼電器模塊需要3.3 V～5 V的直流驅動電壓，主要是由高性能的電流模塊PWM控制器THX208芯片，將普通的220 V交流電轉換為5 V左右的低壓直流電。

1.2 無線通信技術

Wi-Fi的概念在1999年第一次被提出，Wi-Fi是一種無線通信技術。1999年使用的Wi-Fi是IEEE 802.11b，它與紅外線通信技術、藍牙等通信技術一起被稱為短距離通信技術。一直到近幾年Wi-Fi才得以迅速發展，現在使用最多的無線標準是IEEE 802.1 ib，傳輸速率也從2 M提高到20 M，甚至可以達到200 M/s的速度，但是在現在即使是這樣的高速率也無法滿足人們對于網絡的高要求。

1.3 無線連接方案

無線連接方式選擇ATK的ESP8266無線網絡，這種無線連接方式的優點是成本低、功耗低以及軟硬件設計簡化等，這種無線網絡的控制過程是手機無線設備——Wi-Fi模塊——EAP8266處理器——無線繼電器——智能插排。

首先使用無線智能手機下載APP之后，通過Wi-Fi發送信號和數據到ESP8266的無線模塊中，該無線模塊屬于一種無線傳輸設備，它可以將接收到的數據通過串口傳送到MCU中，隨后MCU可以通過GPIO端口來實現對于繼電器的控制，最終實現對智能插座的控制。

2 Wi-Fi智能插排設計

2.1 硬件設計

2.1.1 ESP8266主控平臺

ESP8266芯片是由樂鑫公司研發并生產的適用于無線智能家居的芯片，它可以形成一個比較完整的無線網絡解決方案，在使用ESP8266芯片作為智能產品的唯一的應用處理器時，該芯片可以保證整個設計方案占據的PCB空間最低。ESP8266使用的固件化協議棧，其中主要包括Wi-Fi Direct（P2P）、802.11b/g/n、Soft-AP、LwIP協議棧以及內置TCP/IP協議棧，所以不需要客戶再一次設計這一模塊，而且8266中還涵蓋了功率放大器、IR開關、匹配網絡電路以及Balun-LNA。ESP8266芯片的主要運營模式有睡眠模式、激活模式以及深度睡眠模式3種形式，這3種運行模式之間互相配合，從而達到低功耗的工作要求，并且可以保證如果智能插排處于不工作的狀態時，不會給客戶增加用電量。

ESP8266芯片內部含有一個32位的微型CPU，芯片接口和CPU的連接情況具體如下：1）JTAG調試接口;2）儲存控制器;3）儲存控制器的數據總線;4）AHB接口。ESP8266不僅含有內核，還有很多外設，其中有很多數字接口和模擬接口，在使用ESP8266芯片時還需要使用串口功能和通用I/O。

2.1.2 電源電路

電源電路主要是為智能插排提供穩定持續的直流電源，因為ESP8266芯片的工作電壓是3.3 V的直流電壓，所以電源模塊的主要工作就是將220 V的交流電轉化為3.3 V的直流電。現在主要有3種轉變方式可以將高壓交流電轉變為直流低流電：阻容降壓方案、開關電源方案以及變壓器整流濾波方案。這3種方案都有一定的優點，同時也有缺點，象開關電源方案中使用的芯片是專用的，性能好、體積小，但是芯片對于立板的要求相對比較高，如果在設計反饋電路時存在不當之處就會產生大量的磁污染，可能會影響Wi-Fi信號，甚至直接影響開關芯片的輸出情況;阻容降壓方案在工業中的應用比較少，因為阻容降壓是一種非隔離方案，所以安全系數比較低，但是智能插排這種智能家居產品對于安全方面的要求非常高;而變壓器整流濾波方案中使用的隔離式降壓方案，這種方案相對比較穩定且安全系數高，并且電磁靜電能力強、大功率負載強。

2.1.3 電能計量模塊

電能計量模塊主要是用于定量分析電氣設備的用電情況，并且將用電設備的無功功率、有功功率以及總功率通過Wi-Fi信號的形式傳輸到智能手機APP中。該模塊中使用的是HLW8012單相電能計量芯片，它可以測量設備的電量、有功功率、電流和電壓的有效值，其中還有兩路ADC和PGA來進行電流和電壓的模數轉換，經過頻率轉換之后可以將HLW8012芯片內部的電流和電壓的有效值轉化為方波脈沖形式輸出，而且各數值的頻率、大小和周期呈反比，和頻率的大小成正比。

2.1.4 繼電器模塊

繼電器是一種可以同時具備被控制系統和控制系統的電子元器件，當輸入通道從低電壓轉變為高電壓或者從高電壓轉變為低電壓時，繼電器就會控制用電設備是處于斷電狀態還是通電狀態。而繼電器模塊主要是負責執行用電設備的上電和斷電，ESP8266芯片需要將用電設備切換到某一狀態時，就需要繼電器模塊來實現這一過程。

2.2 軟件流程設計

系統的軟件流程主要是設計手機APP、單片機程序以及服務器軟件等，在進行智能插排的控制系統時，軟件系統需要負責控制整個控制系統的正常運行，所以根據控制系統的運行環境，可以將控制系統分為3個主要部分：在廣域網環境中，智能插排和手機APP之間的連接可能會超時，為了使兩者之間建立新的連接，首先，手機需要向服務器發送數據請求，然后服務器進行相應的打洞，其中傳輸的信息就是洞，這個創建的洞就是插排和手機之間的新連接;在局域網環境中，手機APP和智能插排必須在同一局域網內進行連接，之后通過UDP/IP協議將信息傳輸到服務器中，完成注冊工作;在無網絡的環境中，需要通過點擊按鍵的形式來完成控制插排的開關。

3 結語

在智能插排的工作過程中，通過手機APP中對應的圖標就可以控制家中的智能家居產品的工作和關閉狀態，也就是說使用者可以通過手機APP來查看家中智能家居設備實時的開關狀態、定時以及用電狀況，這樣在很大程度上節約了電能、為使用者提供了方便并且降低了不安全事故的發生概率。

參考文獻

[1]曹冬華.基于物聯網架構下的智能插排的設計[J].電子世界，2018（18）：200-201.

[2]劉澤恒.插排的易用性設計研究[D].河北：河北科技大學，2018.