WiFi智能插座技術分析

謝素萍 胡淑芬 徐博海 陶秋香

摘 要：筆者介紹了一款采用電源模塊、計量模塊、繼電器模塊三大模塊，并結合ESP8266最小系統(tǒng)共同進行實物制作而成的WiFi智能插座。使用者只需利用現(xiàn)有家庭中的WiFi網(wǎng)絡，先通過相對應的APP操作發(fā)送相關的信息，再通過ESP8266最小系統(tǒng)進行精確處理，最后將具體現(xiàn)象體現(xiàn)為打開或者關閉指定的電器。

關鍵詞：ESP8266最小系統(tǒng);計量;繼電器

1 系統(tǒng)方案

本設計以ESP8266最小系統(tǒng)作為主要控制器，采用分模塊化設計，主要模塊為電源模塊、計量模塊、繼電器模塊。電源模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓輸出，保證整個系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定的工作。計量模塊可準確測量測量回路中交流或直流直流電參數(shù)，可以測量電壓，電流，功率，電能，頻率等電氣數(shù)據(jù)，通過相應接口方便和其他單片機連接實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。 繼電器模塊是一種電控制模塊，是當輸入量的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化，從而有效的控制電力的變化。系統(tǒng)框圖如圖所示：

2 硬件電路

2.1電源模塊

該模塊主要由AC-DC隔離開關電源模塊，DC-DC降壓模塊兩個部分組成。

2.1.1? AC-DC隔離開關電源模塊

AC-DC模塊使用的是HLK-PM01芯片，HLK-PM01是一個220V轉5V的交流轉直流模塊電源，可以取代傳統(tǒng)變壓器、適配器，是一種小型化的開關電源，可以免除因為使用外掛電源適配器，配件又多又煩的困擾。它具有超薄型，超小型，低紋波，低噪聲，低功耗，輸出過載短路保護功能。由于具有這些特點，HLK-PM01使用起來更加安全，數(shù)據(jù)更加可靠。

2.1.2 DC-DC降壓模塊

DC-DC降壓模塊采用了AMS-11173.3V ，AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩(wěn)壓器，它的穩(wěn)壓調整管是由一個PNP驅動的NPN管組成的。為了保證AMS-11173.3的穩(wěn)定性，輸出至少需要連接一個至少22PF的鉭電容。通常，線性調整器的穩(wěn)定性隨著輸出電流增加而減少。同時AMS-1117還具有片內過熱切斷電路，提供了過載和過熱保護，以防環(huán)境溫度過高造成的結溫。ASM-1117模塊將AC-DC模塊降壓得到的5V降至3.3V給系統(tǒng)中的ESP8266最小系統(tǒng)，IM218B計量模塊提供了一個穩(wěn)定可靠的電源。

2.2 ESP8266最小系統(tǒng)

ESP8266最小系統(tǒng)選用了ESP8266-12F芯片，是一個完整的802.11b/g/n WI-FI SOC模塊。該模塊核心處理器ESP8266在較小尺寸封裝中集成了超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻支持80MHZ和160MHZ，支持RTOS，內置1路10Bit高精度ADC，支持UART/GPIO/ADC/PWM/SPI/I2C接口，支持 STA/AP/STA+AP工作模式。本項目采用STA模式，即ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制。ESP8266擁有完整的且自成體系的WI-FI網(wǎng)絡功能，既能夠獨立使用，也可以作為從機搭載于其他主機MCU運行。它強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設備，大大地降低了前期開發(fā)的成本。ESP8266采用低電平復位，需要DC-DC或LDO獨立供電。

2.3計量模塊

IM128B計量模塊主要的芯片有IM128B和電流互感器。該模塊可準確測量測量回路中交流或直流直流電參數(shù)，可以測量電壓，電流，攻率，電能，頻率等電氣數(shù)據(jù)，通過相應接口方便和其他單片機連接實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控功能。通過前端的電能采集電路和信號調理電路，把采集的電信號送到電能計量芯片的輸入端口，電能計量芯片內部通常集成了模數(shù)轉換模塊，數(shù)字處理模塊，并把電能參數(shù)輸出寄存器中，通過通訊接口實現(xiàn)與處理器的信息交流。當計量模塊獲得各種電能參數(shù)后通過uart- TTL通訊接口，采用標準Modbus-RTU協(xié)議和ESP8266進行通訊。為了保證收發(fā)電能參數(shù)的準確性，每個電能參數(shù)通過CRC16生成一個校驗碼封裝在數(shù)據(jù)幀尾。再發(fā)送數(shù)據(jù)幀到ESP8266中，ESP8266接收到完整的數(shù)據(jù)幀后，對封裝的數(shù)據(jù)進行解析，最后再進行相應的處理。

2.4繼電器模塊

繼電器是一種電控制器件，是當輸入量的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)，安全保護，轉換電路等作用。

繼電器的工作原理是當某一輸入量（如電壓，電流，溫度，速度，壓力等）達到預定數(shù)值時，使它動作，以改變控制電路的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)既定的控制或保護的目的。在此過程中，繼電器主要起了傳遞信號的作用。在選用繼電器時，主要是考慮電壓等級以及常開和常閉觸點的數(shù)量。設備的火線接繼電器的常開端（NO），電源線接繼電器的公共端（COM）;不通電情況下，公共端（COM）和常閉端（NC）是連接的;通電時，公共端（COM）和常閉端（NC）斷開，公共端（COM）和常開端（NO）連接，設備正常工作。繼電器驅動方式有低電平驅動和高電平驅動，只要改變跳線帽的位置，即可改變驅動方式，十分快捷簡便。

3 總結

總覽目前市場上有關插座的設備，大部分都是普通的插座，只能依靠手動進行操作，這種普通的插座很容易造成危害。WiFi智能插座搭配上對應的APP能有效地檢測用電器是否處于正常工作狀態(tài)，從而能達到“有危險可及時處理”的保護程度，而且由于WiFi智能插座能夠做到讓電器完全斷電，對于電視機、電熱水器等待機功率較大的電器，用WiFi智能插座控制后就能做到隨用隨開，能使用電經(jīng)濟得到利益最大化。筆者認為WiFi智能插座的廣泛使用能帶動市場效益，使市場與時俱進，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻：

[1]劉克生：零基礎WIFI模塊開發(fā)入門與應用實例 北京：化學工業(yè)出版社 2020年

[2]游洋：物聯(lián)網(wǎng)技術應用教程——ESP8266物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)與智能家居安裝 西南交通大學出版社 2020年

作者簡介：

謝素萍（2001—），女，漢族，江西贛州市信豐縣人，新余學院中興通訊信息學院本科生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。

項目來源：省級大創(chuàng)項目：2020年江西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（項目編號：S202011508003）。