基于Esp8266多功能安全智能插座

王 彪，李 輝，鄧俊杰，趙言勝

（武昌工學院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

當今大學生寢室的桌子使用面積有限并且時常放置大量的電子設備，而隨意放在桌面的各種飲品不小心潑灑到電子設備或插座中極易導致線路短路，所以如何高效的使用有限空間和提高用電安全顯得十分重要。此外，夜里在沒有照明的情況下學生上下床很容易發生摔倒等諸多問題，如果能用手機控制電燈的開關或插座的通斷就很方便。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座，實現手機的遠程控制操作，并通過溫度傳感器檢查插座內部溫度，可以進行實時反饋防止過熱。獨特的外觀設計可以防止液體的流入，同時它還具有電子鐘、藍牙音箱和電燈的功能可以減少常用電子設備數量，內部還具有的較大空間可收納充電設備的多余電源線，提高了桌面使用面積[1-3]。

1 硬件框架

基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的硬件框架如圖1所示，主要包括Arduino UNO控制器模塊、ESP8266串口Wi-Fi模塊、LED顯示屏模塊、穩壓模塊、繼電器驅動模塊及溫度傳感器模塊。

1.1 電源轉換模塊

ESP8266芯片工作時所需要的工作電壓是3.3 V的低壓直流電，為了達到所需的工作電壓，通過電源轉換模塊，將日常使用的220 V高壓交流電轉化成芯片工作時所需的3.3 V低壓直流電。把日常所用的高壓交流電轉化為為低壓直流電的方法主要有三種：（1）變壓器整流濾波方案；（2）阻容降壓方案；（3）開關電源方案。三種方式各有優缺點，但與其余兩個方案相比，變壓器整流濾波方案可以使用隔離式降壓方案，這種方案比較穩定，相對容易實現，所以選擇變壓器整流濾波方案。

1.2 ESP8266串口Wi-Fi模塊

ESP8266串口Wi-Fi模塊的封裝大小和低能耗技術適合移動設備和物聯網的使用設計，可將平時使用的移動設備連接到Wi-Fi無線網絡上，來進行互聯網或局域網的互聯通信，實現聯網功能。ESP8266具有完善的節能結構可以長時間工作，支持三種不同工作模式，分別是主動模式、睡眠模式和深度睡眠模式，用戶可根據需要選擇相應的模式。ESP8266串口Wi-Fi擁有很多優點，如能耗較低、體積較小、價格便宜、燒寫固件方便、傳輸數據速度快、工作溫度范圍極其廣泛、保持穩定的性能及適應各種操作環境。此外，ESP8266僅需很少的外圍電路，可將所占PCB空間降低。

圖1 硬件框架圖

1.3 繼電器驅動模塊

本文設計的智能插座的繼電器驅動模塊是使用3.3 V低壓電源來控制220 V高壓開關，繼電器設置為高電平觸發。繼電器驅動模塊與Arduino UNO控制器的連接關系是：繼電器驅動模塊的VCC、GND連接Arduino UNO控制器的8管腳和GND，繼電器的IN1、IN2連接插座。繼電器驅動模塊起到電動開關的作用，通過Arduino UNO控制繼電器驅動模塊，再由繼電器驅動模塊控制插座的通斷或電燈的開關。智能插座設計的繼電器驅動模塊在關閉和開啟時都有LED顯示燈閃爍不同顏色來提示，當使用者需要切斷插座電源時，通過移動設備將關閉信號傳遞給Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器接收到需要關閉插座信號后，使8管腳置低電平，相應的繼電器驅動模塊關閉電源，然后插座就不會通電；同樣當使用者需要打開插座時，通過網絡將信號傳遞給Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器把8管腳設置為高電平。

1.4 傳感器模塊

本文所設計的智能插座的傳感器模塊為溫度傳感器。在平時生活中，存在使用插座充電時無人注意情況，如果插座使用時負載太大，就有可能會短路引發火災事故。但利用溫度傳感器檢測插座內溫度過高，那么溫度傳感器就把溫度過高的信號傳送到Arduino，Arduino通過繼電器切斷插座電源供給，同時Arduino通過ESP8266向手機發送信息，使用戶及時采取措施，避免造成更大的損失。

2 SolidWorks模擬的外部圖形

圖2為插座實物仿真圖。

2.1 尺寸及各功能說明

智能插座各組成部分：①為插座的外部擋板；②為電子時鐘顯示屏；③為光源；④為藍牙音響；⑤為電子設備充電線末端伸出位置；⑥為電源插孔。

尺寸：長為32 cm，寬為14 cm，高為14 cm。

插座接通電源，用電子設備將插頭插入⑥的電源插孔中，多余電源線部分可都放入插座中的多余空間內，僅僅將電子設備充電線末端從⑤的小孔中伸出，然后將①擋板關閉，這樣可以防止液體進入保證使用安全，也可以將多余的線進行隱藏保持桌面整潔，③是光源與插座連為一體，擁有較大的發光面積可以調節亮度并進行遠程開關，并且它與插座主體有一定距離，避免插座過熱造成的危害，④是音響可以與手機藍牙連接播放音樂，本產品有極大的可開發性可以與其他物品相結合，使其更具實用性。

圖2 實物仿真圖

3 軟件的設置

使用ESP8266進行智能插座的遠程無線控制基本操作：首先ESP8266進行初始化，將移動設備連接上ESP8266的Wi-Fi，通過移動設備發送指令到服務器，服務器將信息傳遞給ESP8266，最后ESP8266接受消息并將數據傳給Arduino開發板，開發板通過控制繼電器模塊實現插座的通斷或電燈的開關，并通過ESP8266將采集的溫度數據發送反饋到手機顯示，防止插座溫度過高引起火災。控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程圖

3.1 Wi-Fi的初始化

首先設置串口Wi-Fi的工作模式。通常ESP8266共支持3種工作模式，分別是softAP模式、station模式及softAP＋station。通常采用softAP模式，即無線接入點模式，因為它可以降低無線組網的成本。ESP8266發送Wi-Fi熱點信號，將移動端設備接入熱點組建一個局網中。

ESP82666初始化設置步驟如下。

（1）發送AT+CWMODE=2，設置Wi-Fi的工作模式為softAP模式，即無線接入點模式。

（2）AT+CWSAP=“name”，“password”，設置Wi-Fi名稱和密碼。

（3）發送AT+CIPMUX=0，并設置禁止多連接模式。

（4）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。

3.2 通信協議和服務器的搭建

微信小程序和ESP8266的通信協議的擬定如下。

微信小程序下發控制的通信協議如表1所示。

ESP8266上報同步的通信協議如表2所示。

使用百度天工服務器去搭建微信小程序MQTT硬件服務器的過程如下：

（1）在百度云注冊賬號，在“已開通服務”中選擇“物接入loT Hub”進行身份創建；

（2）開始創建身份，填寫必要信息，選擇數據類型MQQT；

（3）創建身份完成后，拿到MQTT連接的密碼和賬號；

（4）一共要創建2個用戶，一個是設備ESP8266，一個是微信小程序連接客戶端。

4 結 論

本文系統地介紹了基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的實現，重點介紹了設計思路、硬件與軟件的實行方案，以供參考。

表1 下發通信協議

表2 上報通信協議