基于ESP8266開發的方便視障人群使用的物聯網磁吸插座

馮冬雷，黃一清

（江蘇聯合職業技術學院蘇州分院 電子工程系，江蘇蘇州，215009）

1 整體方案設計

本項目的設計目標是使視障人群能無障礙操作使用本插座系統，滿足低功耗、結構簡單、高易用性、高可靠性的要求。主控單片機選擇ESP8266單片機，于開源電子原型平臺Arduino上完成原型設計。插頭處的方波認證信號由NE555時基集成電路產生，用于維持插頭斷電時物聯網喚醒功能，于插頭內集成鋰電池及TP4056鋰電池充放電電路，電路系統框圖如圖1所示。

圖1 磁吸插座電路系統框圖

1.1 主控芯片選型

作為一款具備物聯網功能的插座，主控系統需具備通信功能，以及低功耗、高兼容性等特征，因此我們在主控選型方面投入了較大精力。在設計之初，計劃采用STC89C52芯片作為硬件核心，通過HC-08串口藍牙模塊實現與網關的通信，該方案具有較低的成本，但由于單片機與通信模塊為分體設計，因此體積較大，且家庭網絡中通常不具有藍牙網關，因此需額外添置，增加了整體的使用成本。

在查閱大量資料后，更換使用ESP8266芯片作為硬件核心，ESP8266是一款由深圳安信可科技開發的內置32位低功耗單片機的無線WiFi模塊，支持802.11 b/g/n，因此廣泛應用于智能家居設備，該芯片同時具備低功耗、高兼容性、高集成度，非常符合本設計的需求。

1.2 磁吸插座系統

目前國內外也有一些為視障人群設計的插座輔助工具，多為導向槽結構，利用特殊設計的導軌引導插頭進入插孔，結構簡單價格低廉，但是該結構只適用于雙孔插頭，大功率電器使用的三孔帶地線的插頭無法使用，因此我們決定設計一款適用于三孔插座的磁吸式插座系統以此解決視障人群使用大功率電器的問題。

設計之初選定了稀土永磁體作為磁吸觸頭主體，但是永磁體磁性較弱容易脫落，因此計劃設計一種吸附后自動閉合落鎖的機械結構。在進一步設計的過程中，發現該結構大幅增加了設備體積以及增加了結構復雜性，因此開始尋找一種更好的解決方案。最終，選擇了一款工業用電磁鐵作為主體，該電磁鐵具有8kg的靜吸力，足以達到設計需求。

1.3 插頭吸附檢測

磁吸式插頭由于接觸面裸露在外，會存在較大的安全風險，因此需要設計插頭吸附檢測，在確認插頭已正確吸附后再進行送電。吸附檢測部分，借鑒參考了當前手機快充系統判斷快充設備的邏輯，由NE555時基芯片產生定值方波，當插頭正確吸附后，插座通過觸點接收到該方波后再進行送電，以此保證了使用中磁吸插座的安全。

1.4 物聯網交互

視障人群在使用家用電器時，時常難以尋找到電器插頭及對應插座，需靠摸索來尋找，極不方便，同樣可能帶來安全問題，因此引入時下熱門的物聯網技術，輔助視障人群更好的使用電力。

目前國內應用最廣、部署最簡單的物聯網智能家居系統是由小米科技開發的小米智能家居系統（小愛同學），因此將插座與插頭均接入小愛同學，視障用戶可通過呼喚小愛同學快速定位插座插頭以及實現電器的語音遙控，極大地增加了視障用戶使用電力的便捷性。

2 機械結構的設計

2.1 磁吸插座機械結構設計

插座部分底部設計兼容標準86型面板盒。插座整體為圓角矩形設計，頂端中心為磁吸觸點，可見三環鍍金彈片，當插頭吸附后，彈片受力形變，與插頭觸點緊密貼合，以防止接觸不良及減小接觸電阻。位于三環彈片正中的是電磁鐵，該電磁鐵可提供8kg的靜吸力，可防止插頭意外脫落造成危險，同時電磁鐵也作為插頭吸附檢測的觸點，接收由插頭發送的方波認證信號并傳輸給單片機進行判斷。位于三環彈片外圍的是引導盤通過與插頭匹配的外形引導插頭精確吸附。在磁吸觸點左側，是吸附解除開關，當使用者需要取下插頭時，按下接觸開關，插座將斷開主觸點供電及斷開電磁鐵，此時可取下磁吸插頭。磁吸插座截面如圖2所示。

圖2 磁吸插座截面圖

2.2 磁吸插頭機械結構設計

插頭外形部分采用鐘形設計，使之具有良好的握持手感，外部環繞一圈紋理，在防滑的同時兼顧美觀。插頭頂端為了便于接線，為可拆卸設計，在頂端中心留有出線孔。環繞出線孔數圈的是同心圓鏤空紋理，作為出音孔，當呼喚小愛同學查找該插座時，位于插座內部的蜂鳴器將以一定規律鳴叫，聲音通過出音孔傳出。在插頭底部，是大面積的三環觸點，此為主電源觸點，分別為交流L、N、PE，根據國標，該觸點設計通過電流為10A。位于三環觸點中心的，是用于與插座部分電磁鐵吸引的鐵片，同時該鐵片也作為插頭吸附檢測時的數據觸點，當與電磁鐵緊密吸合后向插座單片機傳輸方波認證。磁吸插頭截面如圖3所示。

圖3 磁吸插頭截面圖

3 系統電路的設計

3.1 磁吸插座電路設計

磁吸插座部分電路需完成智能家居系統的遠程響應及發聲定位和產生插頭吸附檢測用的方波。主控芯片選用集成有一塊ESP8266單片機的ESP8266 Lua WiFi V3開發板。

為防止誤觸插座磁吸觸點部分發生危險，本插座設計有吸合檢測，若無插頭接入則不送電，該流程由中間繼電器控制，中間繼電器啟動電壓較高，因此插座內使用了12V 400mA的開關電源模塊，通過AMS1117 3.3V穩壓芯片降壓提供給單片機。單片機共使用了兩路輸入，分別為插頭吸附檢測信號輸入及磁吸解除開關；三路輸出，分別控制中間繼電器通斷、電磁鐵通斷及蜂鳴器通斷。電磁鐵及中間繼電器啟動需較大電壓，因此單片機通過兩塊場效應管進行控制。

3.2 磁吸插頭電路設計

磁吸插頭部分電路完成智能家居系統的遠程響應發聲定位和產生插頭吸附檢測用的方波。

在遠程響應發聲部分，主控使用了一塊集成有ESP8266單片機的ESP-01S無線模塊，單片機I0接口接入一蜂鳴器，當插頭被智能家居系統遠程呼喚時，蜂鳴器觸發鳴叫。為了保證插頭未吸附狀態下也能被智能家居系統遠程喚醒，插頭內置有鋰電池及鋰電池充電模塊，在插頭吸附使用時能自行充電，若長時間未使用電池虧電，插頭提供備用接口進行應急恢復。插頭吸附檢測用方波由一塊NE555時基芯片產生。NE555脈沖發生器電路如圖4所示。

圖4 NE555脈沖發生器電路如圖

為ESP8266單片機及NE555脈沖發生器供電的是一塊輸出為5V/700mA的開關電源模塊。開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。相比傳統線性電源，開關電源具有體積小、效率高的優勢。選用的開關電源模塊具有3.5W的輸出，能滿足帶動設備的需求。由于單片機需要3.3V供電，因此額外為單片機準備了一塊AMS1117 3.3V穩壓芯片，將5V轉為3.3V供給單片機。鋰電池充放電模塊TP4056為5V輸入，因此由5V開關電源模塊直接提供。

4 系統程序的設計

本設計于開源電子原型設計平臺Arduino上進行開發。磁吸插座與智能家居系統的聯動采用了第三方服務平臺Blinker提供的小愛同學接入方案。Blinker提供了基于ESP8266的小愛同學庫文件，通過簡單調用即可快速接入小愛同學。圖5、6分別為磁吸插頭部分程序流程圖和磁吸插座部分程序流程圖。

圖5 磁吸插頭部分程序流程圖

圖6 磁吸插座部分程序流程圖

4.1 連接小愛同學及進行呼喚判斷的程序

4.2 觸點吸合及解除部分程序

5 系統整體調試

在電路調試過程中，起初沒有考慮到ESP8266僅能通過3.3V供電，導致輸出電平過低無法正常驅動外部設備，經過查找資料，通過添加上拉電阻，增加三極管作為開關電路的方式實現了控制。

在程序調試過程中，遇到了無法通過第三方服務商接入小米智能家居系統的問題，在多次嘗試后，我們更改了第三方服務商用的中繼服務器，再次嘗試小愛同學已可以成功識別該插頭。