一種物聯網開關電路設計

陳雄海 ,邱少噯 ,吳琳欣 ,孫 雄 ,徐文豪

(1.海南省海口技師學院,海南 海口 570000;2.海口豐潤動漫單片機微控科技開發有限公司,海南 海口 570000)

0 引言

插座在當今生活中早已隨處可見,插座面板的形態、種類及功能特點也日益增加。這類插座能夠滿足普遍用戶的日常生活,也可以有效解決實際問題,但隨著時代的發展、科技的進步,插座智能化已然是當下乃至未來的趨勢,需要具備遠程控制功能,甚至控制界面和底層邏輯功能也需具備DIY 功能,即用戶可根據提供的SDK 軟件,對插座固件程序進行二次開發,實現豐富多變的功能。如此一來,傳統插座的功能就顯得比較局限。本文為此提出一款可以進行二次開發的物聯網云平臺智能開關,滿足用戶DIY、手機移動設備遠程控制功能。

1 整體設計方案

可二次開發的物聯網云平臺智能開關電路由智能插座硬件和手機移動端控制軟件組成。當中涵蓋阿里云生活物聯網平臺的界面開發、云平臺配網技巧及WiFi 模組固件的二次開發[1]。控制軟件和智能硬件之間,主要采用WiFi 通信來完成,因此需要功能強大的WiFi 芯片模組作為控制核心,既能完成復雜的WiFi 協議組網功能、云平臺連接功能、數據無縫傳輸功能和IO邏輯控制功能。物理插座的通斷電開關功能通過交流繼電器控制電路實現,如圖1 所示。

圖1 整體設計方案

智能開關面板預留一位多功能輕觸按鍵,用于內置的WiFi 模組的“一鍵配網”功能[2],同時也可作為內置交流繼電器的開關控制觸發。輕觸按鍵表面采用導光柱結構,內置一位雙色LED 發光二極管,可切換兩種不同顏色的燈光顯示效果,實現智能開關工作狀態指示及交流繼電器吸合情況。

控制軟件端采用阿里云自帶的云組態界面設計,配合“云智能”App,可將界面輕松導入手機、平板等移動設備上,同時由于阿里官方已發布適配不同操作系統的應用App,因此用戶設計的控制軟件可以無縫實現跨平臺使用。

2 硬件設計

2.1 WiFi 模組

WiFi 模組是整個智能開關的“心臟”,屬于最核心的部件,采用的是ESP8285 芯片模組(見圖2),利用其中一個IO 引腳作為繼電器驅動電路的控制腳,即可實現插座開關的通電與斷電功能。

圖2 WiFi 模組電路原理

2.2 繼電器驅動

繼電器使用高性能交流繼電器(見圖3),采用“光耦+三極管”驅動結構[3],最大程度節省硬件布線空間,同時實現了隔離控制效果,進一步提高電路可靠性。

圖3 隔離式繼電器驅動電路

2.3 二次開發編程接口

如圖4 所示,二次開發編程接口采用CH340G 芯片為核心,轉換電腦USB 和TTL 電平,配合三極管開關電路,實現WiFi 模組固件的自動下載功能,方便用戶更改控制程序,輕松實現DIY 功能。

圖4 編程下載口電路

3 軟件設計

系統軟件設計主要是ESP8285 的SDK 開發,當中涉及相當復雜的WiFi 通信協議棧應用,以及云平臺連接的算法[4];同時固件程序需要將來自WiFi 網絡的數據進行過濾,篩選出有效的用戶數據,提取其中的關鍵控制信息,執行可靠的邏輯控制操作。同時軟件在設計上,需要考慮用戶的二次開發便捷性,預留用戶關鍵數據存儲區,就算用戶DIY 的過程中反復燒錄固件程序,芯片模組的注冊信息,配網信息均可原樣保留,這樣可以極大程度上提高二次開發效率。軟件運行的主要流程如圖5 所示。

圖5 軟件設計框架

4 結語

物聯網智能開關設計理念以實際應用+開發學習為主。

在實際應用方面,用戶可通過簡單的配網操作將智能開關連接至家用WiFi 中,使用手機打開云平臺對應的控制App 即可實現遠程控制,雙色LED 發光二極管的硬件設計讓工作狀態表現得更為明確簡單,提高了人機交互的簡易度。

在開發學習方面,智能開關所提供的開源程序及程序注釋便于用戶更好地理解控制程序的邏輯,簡單的程序框架大大降低了學習的難度。用戶可通過電腦連接二次開發編程接口進行控制程序的下載與更改,以鼓勵自主開發、玩中求學的方式提高用戶的學習激情。同時,硬件的框架設計十分清晰,便于初學者在學習物聯網結構時的理解。

物聯網云平臺智能開關以WiFi 入網方式更貼近當下科技熱潮,向用戶更好地詮釋了物聯網的結構體系,讓用戶明白物聯網不再是高深莫測、觸不可及的技術,而是一個十分簡單、實用、能夠引領科技新浪潮的革新技術。

隨著時代的進步,物聯網不再僅僅是一個停留在概念上的科技代名詞,在許多城市的各個角落也早已出現了物聯網的“身影”,例如酒店、小區、學校、工廠等等,物聯網技術正在逐漸走進我們的生活、工作與學習中。

萬物物聯的時代不再遙遠,那些我們曾經幻想的高品質、高科技的生活已經觸手可及,所以掌握物聯網技術應是每個人所必需的,這也是物聯網智能開關的設計初衷。學以致用,玩中求學,這將會是學習物聯網技術的一個全新的思路。