基于Alios-Things的智能電源開關系統設計

許林 劉靜超 蔡紅專 陳春虎

摘 要：文章所述智能電源開關的設計是基于Alios-Things實時物聯網操作系統開發的一種可同時由本地開關和手機App聯網控制的電源開關。傳統的電源開關需要人為操作其閉合與斷開，在開關通斷頻繁的場合，此類開關大大浪費人力資源，且執行的效率極低。而智能電源開關能在大大節約人力資源的同時，提升開關的執行效率。此開關用戶操作簡單，使用方便，可給人們的生活和工作帶來實質性的安全與便捷。

關鍵詞：ESP8266;WiFi;阿里云平臺;繼電器

0 ? 引言

縱觀開關的發展歷程，從20世紀70年代的“拉線開關”到80年代的“拇指開關”再到90年代的“翹板開關”“觸摸開關”，直到現在出現了智能開關;縱觀互聯網發展的整個歷程以及現今5G技術的誕生，人類在不久的將來進入真正的物聯網時代，基于物聯網平臺的智能開關的出現是必然的趨勢。本設計研究的主要內容是以嵌入式系統應用開發為核心，并基于Alios-Things實時物聯網操作系統開發的一種可同時由本地開關和手機APP聯網控制的電源開關控制器，即主要是以ESP-8266WiFi為核心功能模塊開發的一款智能開關，其中網絡信息傳輸通過阿里云物聯網平臺上的Alink協議實現。此智能開關控制器可大大提高開關的執行效率，并且具有較高的穩定性。整個開關設計的拓撲結構如圖1所示。

1 硬件設計

1.1 ?MCU 模塊

此設計采用的MCU是 ESP-8266WiFi模塊，由安信可科技有限公司設計開發，其內部加載的核心處理器是ESP8266，模塊尺寸較小，并且集成封裝了超低功耗的32位微型處理器。相比其他同價位的芯片而言，它具有更加快速的運算處理能力，并且可支持實時操作系統（RTOS）。除此之外，為了其有更好的集成度，對于板載天線等一些外部設備，都集成在功能模塊的PCB板上面，開發者可以方便對其編寫相應功能程序，構建屬于自己獨立的網絡，也可以為需要連網且本身沒有聯網功能的設備添加網絡的功能，即通過網絡實現對某些設備的監控與控制。因此，它在物聯網設計研發中，以及在配合嵌入其他的系統設備方面有著的天然優勢[1]。

1.2 ?電源與電平轉換模塊

電源與電平轉換模塊如圖2所示。電源模塊中P1為USB 接口，該模塊主要為整個開關控制系統供電，其次作用是數據的交換與傳輸。U1是正向低壓降穩壓器AMS1117，本設計采用其固定版本，輸出電壓大小為3.3 V。在設計當中，為了確保正向低壓降穩壓器運行的穩定性，在其輸入與輸出端并聯大小為10uf的濾波電容，目的是要過濾電源干擾信號，得到穩定電源信號[2]。以CH340C構成的電平轉換電路，它主要是將USB電平轉換TTL電平，目的是統一電平，方便與PC機相互通信，具體為CH340C芯片的D-連接USB口的D-引腳，CH340C芯片的D+引腳連接USB口的D+的引腳。與此同時，ESP-8266WiFi模塊的兩個接口TXD與RXD與CH340C芯片的RXD與TXD引腳相連接，其中電容C4的加入，為其增強信號的穩定性，有效防止了信號干擾[3]。

1.3 ?本地無線控制模塊

圖3為DL-BK24K6 TX/RX模塊示意圖。DL-BK24K6 TX/RX是一款內含微處理器可相互通訊的無線按鍵控制模塊，該模塊內置現成的無線遙控程序以及遙控學習的相關代碼程序，操作用戶不需要做任何的編程工作。其中DL-BK24K6 RX為無線接收模塊，DL-BK24K6 TX是無線發射模塊，兩者的供電電壓均為3.3V 直流電源。對于發射模塊A7端口與接收模塊B7端口來說，兩者均是對碼鍵。在使用之前，TX發射模塊和RX接收模塊必須相互配對，只有配對成功才能正常使用。這與藍牙設備的配對有著異曲同工之處，其中接收模塊只能識別并執行配對成功的發射模塊的指令。配對成功后需要將接收配對的開關斷開，其目的是禁止其他發射模塊與其配對，即防止其他非法配對設備來惡意連接配對并非法操控接收設備。發射模塊與接收模塊兩者配對完成后永久保存，上電即可使用，無需重新配對。如果用戶需要清除當前的配對設備，只需長按配對按鍵，一直到B6的指示燈閃3次過后，即可清除配對。

在使用過程中，發射模塊的發射按鍵S1改變A1的電平狀態，進而無線遙控接收模塊B1接口的輸出狀態，控制ESP8266 MCU芯片相應的端口功能輸出。相類似，發射模塊共有多路輸入控制端，接收模塊有對應相同路數輸出控制端。各路可同時工作且互不干擾，其最大通訊距離可達到 ? ? ? 120 m，這種設計完全有效替代傳統的有線控制開關，大大節約了線路成本。

1.4 ?主控模塊

圖4所示為有MCU組成的主控制模塊。對于以ESP8266為核心處理單元的模塊而言，當IO15、IO0、IO2分別為低、高、高電平時，該芯片模塊處于正常工作狀態[4]。IO5口外接下拉電阻，為連接本地無線控制模塊做準備。TXD與RXD分別連接CH340C的RXD與TXD，實現數據通訊功能。

復位按鈕部分，當芯片開始上電， RST引腳低電平，系統上電復位。此時電源對電容充電，當電容兩端電壓等于電源兩端電壓之時停止充電。往往充電時間為3至5個RC時間常數。當電容充電完成的時候，RST端口為高電平，高電平對芯片無效，芯片正常工作。當需要系統復位時，復位按鍵按下，RST端口通過與地相連為低電平，電容同時放電，系統處于復位狀態[5]。

本地按鍵部分，該按鍵設計電路經過嚴格的硬件消抖處理。當系統上電時，電容經過R14充電，IO13為高電平，當按鍵S4按下時，電容形成放電回路，電容經過放電回路放電，而電容兩端的電壓不能突變，是呈指數下降的過程，這個過程就是實現消抖的過程。在此項目中，為了完全保證按鍵的絕對準確性，采用硬件與軟件結合消抖。

外圍被控電路部分，當發送開關閉合指令時，IO12被控端口輸出高電平，進而繼電器K1線圈得電，開關吸合，工作電路閉合通電，反之當發送開關斷開的指令時，系統使得IO12被控端口輸出低電平，進而切斷電路。本設計采用繼電器促發開關電路，實現強電與弱電的隔離，有效屏蔽了兩者信號的干擾。

2 軟件設計

2.1 ?AliOS Things簡介

AliOS是阿里巴巴集團旗下團隊研發的智能操作云系統，該系統自上而下共分為六層，分別是BSP層、HAL層、內核層、協議棧層、安全層、中間件和服務層。該物聯網操作系統融合了多個領域的技術成果，其中最典型的包括云服務、大數據以及各種智能設備操作系統。該系統具備開發簡單、云端與設備端既相融又相離、相關功能模塊組件極具豐富、安全防護等多種重要能力，因此它廣泛應用在許多關鍵領域。在2017年，AliOS Things物聯網操作系統源碼就已正式開源，這更加提升了開發者開發產品的效率，縮短了程序開發周期，進而降低產品開發的成本。

2.2 ?阿里云平臺設備的添加與調試

在阿里云云平臺注冊后進入物聯網平臺進行產品的創建。首先找到產品的四元組信息（PRODUCT_KEY，PRODUCT_SECRET，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET），此信息用于程序中設備的區分。其次是在相應的功能添加布爾開關量，即“0”表示開關關閉，“1”表示開關打開。從中可依據時間軸查看開關數據的折線圖。其中顯示狀態欄可顯示該設備運行是否正常。在此平臺中還具有設備的在線調試功能，主要是供開發者調試設備與云端連接的工具[6]。

程序設計框架如圖5所示。可開發手機APP，使得APP與阿里云云平臺相連接，實現手機對開關狀態的監控與控制，解決用戶實時操作的開關的問題。

3 ? 結語

本文介紹了一種基于Alios-Things物聯網操作系統和ESP-8266WIFI硬件模塊的智能開關系統的設計，主要從硬件和軟件兩個層面論述了該方案的設計。Alios-Things物聯網系統非常的強大，在此設計的基礎上還可添加更多的物聯功能，集成為某個專業領域完整的一套物聯應用系統，從而服務于人們的生產和生活。

[參考文獻]

[1]郝潔，趙凌峰，梁毓豪.基于物聯網的智能開關控制系統設計[J].數碼世界，2020（11）：275-277.

[2]張大權.基于物聯網技術的智能開關設計[J].科技風，2017（11）：12.

[3]童詩白.華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]劉理.基于WiFi模塊的智能開關控制系統設計研究[J].景德鎮學院學報，2019（3）：41-44.

[5]李雷，呂常智.基于物聯網的智能開關[J].中國新通信，2015（14）：117-119.

[6]李福赟.利用阿里云物聯網云平臺制作智能電子設備實踐（五）[N].電子報，2021-02-21（006）.

（編輯 傅金睿）