智能插板設計與實現

翟明澤，王偉屹，劉斌，魯國慶，魏建朝

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西延安，716000）

0 引言

隨著智能家居行業不斷發展，智能家居的出現使人們的生活更便利、更安全。據消防部門統計，2006 年～2015 年，全國各類火災共212.2 萬起，其中電氣火災60.7 萬起，約占總數的28.6%。而其中，因超負荷使用插線板引發的火災事故更是時有發生。為了實時管理家居插座，預防插線板使用過程中意外發生火災，造成生命財產損失，節約社會資源，本文采用嵌入式以及物聯網技術設計一款支持手機終端遠程操控并且在電流過載時可以自動斷電保護的智能插座。

1 系統硬件設計

■1.1 硬件構成

硬件部分主要由Arduino 開發板、AC-DC 轉換模塊、ESP8266 WiFi 模塊、繼電器模塊和空氣開關組成。AD-DC模塊完成將市電220V，50Hz 交流電轉換成直流電為Arduino 開發板供電。ESP8266 WiFi 模塊將插座網絡化，同時與物聯網[1]巴法云平臺通信完成信息的傳輸與處理。

1.1.1 WiFi 控制模塊

ESP8266WiFi 模塊是一款專門針對物聯網產品應用及開發所設計的WiFi 模塊，芯片集成TCP/IP 協議棧和MCU,增加了外圍電路、串口Flash、板載天線等功能單元，用戶的物理設備可以通過該模塊與無線網絡相連接，實現遠程通信[2]。此外ESP8266 WiFi 模塊相較于其他的WiFi 模塊具有超低能耗、成本低、使用簡便、功能強大等特點從而在業內極富競爭力。因此本文選用ESP8266 WiFi 模塊來作為智能插板的無線通信控制模塊（見圖1）。

圖1 ESP8266 WiFi 模塊電路圖

1.1.2 空氣開關

空氣開關也被稱為低壓斷路器。低壓斷路器是由操作機構、觸點、保護裝置（各種脫扣器）和滅弧系統等組成。主觸點是靠手動或電動操作合閘的。當主觸點閉合后，低壓斷路器的自由脫扣機構將主觸點鎖在合閘位置上。低壓斷路器的過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯，而欠電壓脫扣器的線圈則與電源并聯。當電路發生短路或嚴重過載時，低壓斷路器的過電流脫扣器的銜鐵才會吸合，使得自由脫扣機構動作，主觸點斷開主電路，達到保護器件的目的。

1.1.3 繼電器模塊選擇

1 路5V 繼電器。此電磁繼電器線圈驅動電壓為5V，輸出驅動能力為250VAC/10A[3]。此款電器使用簡單，輸入能夠直接與單片機IO 口或直接與數字電路進行連接，輸入高電平時繼電器吸合，輸入低電平時繼電器釋放，體積小巧便于集成在插座內部。

HH52P 小型中間繼電器。此電磁繼電器反應快、吸力強且性能十分的穩定。但是相較于1 路5V 繼電器，它的體積更加龐大，不容易將此繼電器集成在插板之中。此外繼電器的額定通過電流為5A，無法滿足插板10A 的額定電流大小的性能要求，即無法支持插板的中高負載，這會無形之中降低了插板的實用性能。HH52P 小型中間繼電器是兩開兩閉的觸電形式，但智能插板只需要操控插板的開關，只需要一路控制即可，若選用HH52P 小型中間繼電器會導致其性能上的浪費。

綜上所述，本文選擇1 路5V 繼電器（見圖2）。

圖2 電磁繼電器模塊電路圖

1.1.4 AC-DC 轉換模塊

ESP8266 WiFi 模塊的工作電壓為直流低電壓3.3V，而插板輸出為市交流電220V 50Hz，因此需要采用AC-DC模塊[4]完成全波整流、濾波以及穩壓功能將電源電壓整流為ESP8266 WiFi 模塊所需要的啟動工作電壓。本文采用B0303D-1WR2 芯片，該芯片功耗較低，且輸出電流較大，能夠帶動ESP8266 WiFi 模塊正常工作，從而保證整個系統能夠正常工作。B0303D-1WR2 芯片電路如圖3 所示。

圖3 B0303D—1WR2 芯片電路圖

■1.2 硬件總體結構介紹

硬件電路采用AC-DC 為Arduino 開發板以及ESP8266 WiFi 提供工作電壓。ESP8266 WiFi 模塊完成向物聯網平臺巴法云傳送數據、接收云端數據和控制繼電器的開關。空氣開關防止智能插板因為斷路或過載而導致插板上電器的損壞。硬件電路結構框圖如圖4 所示。

圖4 硬件電路結構框圖

2 系統軟件設計

軟件設計由微信小程序設計和ESP8266 WiFi 模塊程序設計組成。

■2.1 微信小程序設計

微信小程序[5]使用微信開發者工具來對微信小程序進行編程。首先完成顯示設備狀態、開關狀態、打開按鈕和關閉按鈕的界面設計。其次將智能插板與巴法云用戶所建立的設備相連接。然后向巴法云獲取插板的設備狀態和開關狀態，為了實時更新插板的狀態和開關狀態，設置每隔五秒刷新一次狀態。最后根據打開和關閉按鈕狀態遠程控制智能插板通斷。微信小程序流程圖如圖5 所示。

圖5 微信小程序設計圖

■2.2 ESP8266 WiFi 模塊程序設計

Arduino IDE 中文版是官方發布的一款針對Arduino及模塊開發的軟件，其擁有開源的圖形化集成開發環境，并支持跨平臺運行的免費軟件，Arduino IDE 主要基于processing IDE 開發而成，具有界面簡潔直觀、上手難度較低、使用靈活等優點，能夠幫助用戶快速完成對于Arduino開發板或模塊的程序編寫，并燒寫到Arduino 開發板中運行，大大提高了編程開發效率[6]。ESP8266 WiFi 模塊使用Arduino IDE 來對其進行編程。首先對模塊設置WiFi 和心跳值，并對巴法云用戶的TCP 客戶端進行初始化，然后向TCP 客戶端發送數據并與TCP 客戶端建立連接，并通過向客戶端發送心跳來檢查模塊是否斷開連接。其次檢查WiFi是否連接，并通過WiFi 接收來自巴法云平臺的消息。若從巴法云平臺收到“Turn ON”消息，則通過指定引腳向繼電器發出低電平（即使繼電器連通），若從巴法云平臺收到“Turn OFF”消息，則通過指定引腳向繼電器發出高電平（即使繼電器斷開）。ESP8266 WiFi 模塊程序設計流程圖如圖6 所示。

圖6 ESP8266 WiFi 模塊程序設計流程圖

3 系統結果測試

智能插板接入家用電器臺燈后，在移動終端上開啟微信小程序，通過界面可以實時監測到智能插座的當前狀態，通過微信小程序的開關指令遠程控制插板通斷電，進而完成負載燈通斷電的控制。圖7 為微信小程序控制界面，圖8 為在微信小程序界面下發打開指令，通過巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠程啟動智能插座時臺燈處于照明工作狀態。圖9 為在微信小程序界面下發關閉指令，通過巴法云以及ESP8266 WiFi 模塊遠程關閉智能插座時臺燈處于暗滅狀態。

圖7 微信小程序控制界面

圖8 遠程開啟智能插板

圖9 遠程關閉智能插板

4 結論

針對傳統的插板存在無法遠程操控以及實時監控插板狀態等缺點。本文設計的智能插座通過采用日漸成熟的物聯網技術、嵌入式技術以及微信小程序等對傳統插座進行智能化的升級從而對傳統智能插板的缺點進行彌補。該智能插座實現了用戶通過微信小程序來實時監控房間中插板的狀態并且通過微信小程序對插板的開關進行遠程操控，從而使人們的生活更加便利，預防日常生活中因插座老化、過載等原因而導致的火災險情，減少因火災而導致的經濟財產損失。