一種基于WiFi無線通訊的智能插座設計與實現

胡長鵬，馬海霞，林思敏，李中興，黃國健

（1. 上海品研測控技術有限公司， 上海 201109；2. 華南理工大學廣州學院電氣工程學院， 廣州 510800；3. 廣東機電職業技術學院， 廣州 510515）

0 引言

隨著新技術的不斷涌現和生活水平的快速提高，人們開始追求科技含量高和品質卓越的產品體驗。智能家居系統提供了一個更加便捷、舒適的人機信息交互平臺，讓消費者對家中所有電器的控制指令傳達更加方便、迅速，不僅提高了人們的生活條件以及起居環境，而且更有助于消費者合理地安排時間、節約資源。插座是人們日常生活中隨處可見的基本開關電器，其功能及種類也很多。許多研究設計人員提出了各種各樣的設計思路，并成功進行了試驗。文獻[1]討論了WiFi在智能家居系統中的應用；文獻[2]針對傳統插座的不便和現代化智能家居的要求，設計了一款兼具可移動、遠程控制基于無線網絡的智能插座系統，闡述了智能插座的設計思路，對系統的硬件和軟件設計進行了說明，并對智能插座系統進行了測試；文獻[3]通過與傳統節電插座的節能方式進行對比，研究了節能的目的及意義，分析了智能節能插座的特點，對智能型節電插座進行了分析、對比和研究，將Zigbee技術引入智能節電插座系統中，能夠實時地監控用戶電能的使用情況，適當減少電能的消耗，提高電能的利用率；文獻[4-7]研究了無線通信技術在插座控制中的應用；文獻[8-9]論述了智能控制技術的應用現狀；文獻[10-11]介紹了單片機在低成本小型家用電器中的應用。綜上所述，一些新型插座的設計雖能夠解決某些實際問題，但是成本太高、無法遠程控制等問題依舊普遍存在，無法被大眾所接受并廣泛使用。為此，設計一款能夠使用手機進行控制的智能節電插座勢在必行。通過無線網絡來實現遠程控制智能插座的通電狀態，并限制插座的功率，避免因長時間超負荷工作而引起危險。即使用戶不在家中，也可以通過手機APP 對智能插座進行遠程控制，避免引起火災，造成不必要的經濟損失。近年來，無線WiFi 技術發展迅速，已經融入到了市民生活的各個方面，給人們的生活帶來了極大的方便。WiFi 通信與其他藍牙、紅外、GSM 等通訊方式相比有其優越的性能，如表1所示。

表1 當前的智能插座控制模式比較

基于此，本文設計了一款能夠實現以WiFi 為通訊方式，51單片機控制繼電器通斷電功能的智能型節電插座。

1 硬件設計

1.1 總體方案

1.1.1 主控芯片選擇

本文的主控芯片選用STC89C51單片機，是美國STC公司推出的一種51 內核的單片機，是目前業內較常用的一款MCU。片內含有Flash 程序存儲器、AD 轉換模塊、UART 通信模塊、SPI通信模塊、SRAM存儲器、PWM等。相較于嵌入式和AVR系列的MCU來說，雖然其功能不夠強大，并且反應速度也不夠快，但是其具有應用成本低、簡單易懂以及功能齊全等優勢，且完全符合本系統的設計需求。

1.1.2 WiFi模塊的選擇

本設計選擇ESP8266 作為無線WiFi 模塊的核心，其是樂鑫信息技術推出的一款串口轉無線模芯片，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號。選用ESP8266 作為核心元件，需要的外圍元器件有1 個無源晶振、10 個電阻電容電感和1 個Flash，電路結構非常簡潔。ESP8266 模塊核心處理器在較小尺寸內便封裝集成了業界領先的TENSILICA L106，是一款超低功耗的32 位微型MCU，帶有16 位的精簡模式，主頻支持80 MHz 和160 MHz 兩種頻率，支持RTOS，集成了WiFi MAC/BB/RF/PA/LNA，板內載天線，相比于其他WiFi 模塊，具有應用方便、成本低和重量輕等特點，而且此模塊還有配套的控制APP，非常適合智能插座的遠程控制?；赪iFi 的智能插座總體方案如圖1所示。使用手機APP 作為WiFi 信號的發射端，對插座進行遠程控制，WiFi 信號模塊接收到命令后， 將命令傳達STC89C51 單片機，單片機發出命令，驅動繼電器動作， 從而控制插座的通斷。WiFi 模塊、STC89C51RC 單片機系統和繼電器模塊都由USB接口供電。

圖1 總體方案

1.2 硬件電路

硬件電路主要包括單片機最小系統設計、電源模塊（其中需要5 V電源、3.3 V穩壓電源）、主控制模塊、無線WiFi模塊和繼電器模塊。ESP8266 模塊是基于串口通訊的WiFi 無線網絡模塊，能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的數據交換。通過串口無線WiFi 模塊，可以將串口設備直接接入無線網絡。該模塊使用ASC II 碼可以與手機直接進行通信，首先手機將編碼變為ASC II 碼并進行發射，UART-WiFi 模塊接收ASC II 碼并產生中斷給單片機。此外，該WiFi 模塊可以像普通路由器一樣，通過終端設置和修改密碼，也可以通過配置軟件進行修改和設置，安全性較高。

由于ESP8266無線模塊的工作電源是3.3 V，而USB供電接口供電為5 V，所以本設計采用電源轉換芯片ASM1117-3.3 V進行電壓變換，使得ESP8266 無線模塊能夠正常運行。硬件電路設計如圖2所示。

圖2 硬件電路

1.3 單片機最小系統

單片機最小系統主要由電源、STC89C51、晶振電路和復位電路組成。晶振震蕩頻率為11.0592 MHz。單片機能正常運行的必備條件是接通電源和擁有晶振等電路，此最小系統可作為本設計系統的主控部分，通過對其進行A/D 擴展、存儲器擴展等，使單片機完成較復雜的功能。如圖3所示。

圖3 單片機最小系統原理

1.3.1 復位電路

復位操作可以完成單片機片內電路的初始化，清理所有的寄存器， 使單片機從一種確定的狀態開始運行。 當ST8C9C51 單片機的復位引腳RST 出現5 ms 以上的高電平時，單片機就完成了復位操作。如果RST 持續為高電平，則單片機就處于循環復位狀態而違法執行程序。因此要求復位后能夠及時脫離復位狀態。電路圖如圖4所示。

圖4 復位電路

1.3.2 晶振電路

晶振振蕩器，在單片機系統中晶振的作用非常大，其結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機一切指令的執行都是建立在這個基礎上，晶振提供的時鐘頻率越高，則單片機的運行速度也就越快。電路圖如圖5所示。

圖5 晶振電路

1.4 WiFi模塊電路

WiFi 模塊電路選用ESP8266 模組作為主元器件，需要的外圍元器件有1 個無源晶振、10 個電阻電容電感、1 個Flash。電路如圖6所示。

圖6 WIFI模塊電路

1.5 繼電器模塊

繼電器的驅動采用電流從E 極流入的三極管，三極管在高電平時截止，在電路中起到開關的作用。LED1 和繼電器是并聯的關系，其工作過電壓是3 V，而電路接入的電壓是5 V，所以在LED1處串聯了電阻R8 對電路進行分壓，使其可以正常工作。繼電器模塊電路工作過程是：當PNP 的引腳輸入低電平時，三極管導通，LED1發光，同時繼電器通電吸合，電流流到接地點形成回路。電路圖如圖7所示。

圖7 繼電器電路

2 軟件設計

本設計使用的編譯軟件是Keil μvision4，是一款基于Windows的開發平臺，包含一個高效的編譯器、項目管理器和MAKE 工具。μvision4 支持所有的Keil C51 工具，包括C 編譯器、宏匯編器、連接定位器和日標代碼到HEX的轉換器。

為了方便后期調試和維護，本設計根據系統需要將各種功能分別封裝成多個相互獨立的子函數。主函數在需要時，會對指定的子函數進行調用，這樣使得程序有良好的層次性。根據此設計理念，本設計最終選擇的編輯語言是C 語言。C 語言是一門結構化、層次分明、按模塊化方式組織程序的通用程序設計語言，具有可移植性強、運行速度快、易于進行后期調試及維護等特點。C 語言能以簡易的方式編譯并處理低級存儲器，是少有的僅產生少量的機器語言并且不需要任何運行環境支持便能運行的高效程序設計語言。盡管C 語言提供了許多低級處理的功能，但仍然保持著跨平臺的特性，以一個標準規格寫出的C 語言程序可在包括一些類似嵌入式處理器以及超級計算機等作業平臺的許多計算機平臺上進行編譯。主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程

單片機首先串口初始化，設置波特率。接著向WiFi模塊發送AT 指令，使WiFi 模塊與手機的WiFi 熱點相連接，并在手機上創建好連接服務。手機再通過控制APP向WiFi模塊發送無線的控制指令，單片機在接收到WiFi模塊從串口傳來的數據后，進入中斷函數來執行接收數據的模式。接收到的控制指令存儲在寄存器中，單片機在寄存器中讀取接收到的控制指令，根據接收到的指令控制繼電器的通斷。

3 實物搭建與測試

搭建實物如圖9 所示。燒錄好程序后，首先打開手機熱點， 然后打開ESP8266 配套APP， 連接IP地 址103.212.33.134。發送通訊指令fs% xw0293%A1，系統接收到指令后，繼電器吸合，插座通電，如圖9（a）所示，發送通訊指令fs% xw0293%A3，系統接收到指令后，繼電器斷開，插座斷電，如圖9（b）所示。

圖9 實物測試

4 結束語

本文設計了一種基于WiFi 無線通訊的智能插座，用STC89C51單片機對控制繼電器進行控制，從而實現對插座的遠程通斷操作。采用低成本的51系列單片機，降低了插座的成本。通過串口WiFi 模塊，傳統的串口設備就能接入無線網絡。此WiFi模塊可以通過終端像普通路由器一樣設置和修改密碼，也可以通過配置軟件進行修改和設置，安全性較高。通過手機APP 發送指令，操作簡單、便捷。硬件電路具有設計簡單、布線合理、實物可操作性強的特點，并能達到實現所需功能的需求。

在本設計實現的基礎上通過改進設計及軟件，就可以拓展定時通斷電量使用情況統計、電壓或電流異常檢測報警等新功能。