基于物聯網技術的智能插座設計與實現

張 鋒，劉海鋒

（廣東石油化工學院 電子信息工程學院，廣東 茂名 525000）

0 引 言

當今社會，隨著人們生活水平的提高，家用電器的數量越來越多，人們對家電的節能性和安全性要求越來越高，實現對家用電器的智能控制和管理成為普遍需求。在不改變現有家用電器結構的基礎上實現智能控制，最簡單的辦法就是在插座上實現用電設備監測和控制的智能化。

移動通信和互聯網的飛速發展使物聯網應運而生，同時也推動了大量智能終端及相關行業的發展。然而，文獻[1-5]中的智能插座產品的作業都比較單一，只有監控、安保以及管控等簡單功能，遠遠做不到數字化以及終端監控。本文設計的智能插座，不僅具備傳統插座的斷開和閉合功能，而且具有遠程監控的功能，可以實現在手機等多終端設備上查看智能插座的狀態、數據，較好地滿足了人們對普通電氣設備的智能化需求。

1 總體設計方案

系統由燈座硬件終端、服務器端和用戶控制端三部分組成，如圖1所示。燈座硬件終端負責接收從服務器端發送過來的數據，經過處理后，判斷是否需要做出相應的控制動作。服務器端負責接收和轉發來自智能燈座硬件終端和用戶控制網頁的數據、監聽用戶和硬件終端的數據，同時把數據寫入對應的數據庫。用戶控制端是用戶監控端與用戶對接的一個交互界面。

圖1 系統設計結構

2 系統硬件設計

智能燈座硬件主要包括電源AC-DC及穩壓模塊、聯網模塊、主控制器、交流調光模塊、功率測量模塊，如圖2所示。電源AC-DC及穩壓模塊負責給直流部分供電，聯網模塊負責收發來自服務器的數據，主控制器將數據處理后輸出相應的PWM信號給交流調光模塊，最后交流調光模塊根據占空比輸出相應的電壓給普通燈泡。功率測量模塊負責對插座電壓、電流、功率進行測量。

圖2 智能燈座的硬件整體框圖

2.1 核心控制電路設計

主控芯片ESP8266-12F既作為MCU，又作為網關模塊。它里面包含了支持WiFi通信的組網模組，也包含了一個32位的集成處理器，且可以對這個內部集成的處理器燒錄程序進行控制。

2.2 HLK-PM01模塊

HLK-PM01是一種AC-DC模塊，可以直接把220 V交流電轉換成5 V直流穩壓的電源。通過該模塊來實現交流轉直流，然后給核心控制模塊以及其外圍電路提供電源。

2.3 AM1117模塊

AM1117是一個正向低壓降穩壓器，在1 A電流下壓降為1.2 V，內部集成過熱保護和限流電路。220 V的交流電先經過HLK-PM01模塊，轉換出來5 V的直流穩壓的電源后，再接入AM1117芯片對應的輸入引腳，最后轉換成3.3 V DC供應給主控芯片ESP8266-12F。

2.4 MOC3041光耦模塊

MOC3041是7 500 V AC光電耦合器類型的三端雙向可控驅動器。發光二極管把輸入的電信號轉換為光信號并傳給光敏管，最后轉換為電信號輸出。由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號，又有隔離干擾的作用。

2.5 BTA16雙向可控硅

BTA16-600B是雙向可控硅的一種，采用TO-220AB封裝方式。該雙向可控硅具有關斷速度快的特點，其芯片背面自帶散熱片，散熱性能較好，支持的最大電流為160 A，適用于中功率的高頻電路中。

3 系統軟件設計

3.1 服務器端軟件設計

用戶控制端和服務器之間采用了B/S和Nginx不斷監聽相關的網絡端口（如80、18083等），一旦接收到請求，就會把請求轉發到相應的服務中。如果是請求靜態文件，就直接到對應位置查找，讀取后返回數據。如果是MQTT數據，就先判斷其賬號和密碼的正確性，然后把數據傳入數據庫，最后轉發到訂閱該主題的所有客戶端。如果是Flask的請求數據，根據對應用戶的數據，把模板渲染成HTML文件后返回給用戶瀏覽器Gunicorn和Nginx，也就是本項目用來進行服務器優化的兩個重要工具。Gunicorn是用來提高異步性能的，彌補Python自身異步性能的不足。服務器軟件流程如圖3所示。

圖3 服務器軟件流程

3.2 燈座終端軟件設計

燈座在上電后，首先會檢查網絡配置并嘗試進行聯網，如果聯網成功就會進一步連接MQTT服務器，否則會等待用戶通過微信AirKiss配網。待連接MQTT服務器成功后，燈座終端會訂閱相關主題，然后進入一個無限循環的過程。在這個循環過程中，燈座需要不斷檢查是否有來自服務器的信息，如果有，就對信息的內容進行解析，根據指令來調整PWM的占空比，進而通過交流斬波模塊處理后就成為了具體電壓，最終供給燈泡。燈座軟件流程如圖4所示。

圖4 燈座軟件流程

4 系統測試

4.1 交流斬波電路調試

上文已經對交流斬波電路做了初步的仿真測試，本節進一步對該電路進行實物測試，如圖5所示。

圖5 交流斬波電路測試

最后輸出的波形在示波器上的呈現如圖6所示。圖中的兩條曲線中位于較下面的是PWM信號輸入的波形，從右邊的數據可以看出其頻率為1 kHz，占空比為50%；位于較上面的是交流斬波后輸出的波形，波形基本與仿真的結果一致。

圖6 斬波波形

4.2 燈座終端配網測試

初次使用必須進行網絡配置才能使燈座聯網，配置方法是通過智能手機的微信客戶端進行的。打開微信上的“掃一掃”功能，掃描指定的二維碼，進入如圖7所示的界面；然后依次點擊“配置設備上網”，根據提示輸入當前所連接的WiFi密碼；最后點擊“連接”按鈕，就可以等待燈座自動連接網絡了。經過短暫的等待，會提示網絡連接成功，就可以進行下面的測試和使用了。

圖7 微信AirKiss配網截圖

4.3 發送數據測試

通過WiFi配置后，ESP主控芯片已經能正常聯網了，會在串口打印網絡IP地址等信息；接著程序會自動連接MQTT代理服務器，如果連接成功，串口會顯示“連接成功”的相關信息。

4.4 服務器端調試

網頁測試時，在瀏覽器輸入訪問用戶監控頁面的地址，即http：//deng.901studio.cn，就能進行相應燈座的控制操作了。

圖8所示是在個人電腦上打開監控網頁的效果截圖。由圖8可以看出，當前狀態的所有燈座設備的狀態，包括是否在線、亮度和開關情況，都一目了然；圖中“大廳燈”是唯一在線的，其他不在線的設備會對應顯示“離線”的字樣，而且在“大廳燈”處會有黃色特別提示，該黃色的深淺根據燈的亮度實時改變，這就是數據可視化的明顯體現。

圖8 測試PC端控制頁面截圖

5 結 語

本文通過交流調光電路設計、單片機控制、IoT組網、網頁前端開發、服務器后端開發、系統運維等，設計了一種基于物聯網技術的智能插座。經過系統測試，達到預期效果，能夠滿足智能家居需求。該插座的推廣使用將帶來良好的社會效益。