智能插座控制系統的設計

譚一柳，江淘，王軒

（1.江西省水務集團有限公司，江西南昌，330000； 2.江西小贛士咨詢有限公司，江西南昌，330000 ；3.靖安綠地申飛置業有限公司，江西宜春，336000）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，各種智能化設備已經進入人們的生活。據調查，家用設備待機時所產生的平均功率仍占中國用電量的10%以上。在這種長待機模式下，使用的傳統插座的負載越來越大，這不僅帶來了嚴重的家庭隱患，而且也大大降低了設備的使用壽命。本文對家用電器插座進行了智能化改造和創新，用單片機控制繼電器的通斷，并通過WiFi模塊遠程控制插座，以便隨時控制插座的開關和定時功能設置。人們無論在何時何地，都能隨時掌控家里的大大小小的電器開關待機等問題，同時也增加了生活趣味性，增加了生活科技感。

1 系統設計方案

構架一種通過單片機STM32F103C8T6為核心實現控制目標的定時開關系統，使其可以很好地操控220V/10A規格的插座，確保其能夠在24H內提早設置定時，持續精準地操控用電設備的自動開啟與關停，由于主要憑借其中的時鐘芯片實現定時目標，因此非常精準，另外能夠憑借WiFi平臺操控插座開關，因此能夠具備便捷、節能以及智能等優點。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 STM32F103C8T6主控芯片介紹

STM32系列的單片機是由意法半導體公司制造的,其屬于32位的單片機芯片，本次設計采用的型號為STM32F103C8T6(以ARM Cortex-M內核為基礎)，程序存儲器(64KB)內置其中，可以在-40℃～85℃溫度區間穩定運行，2V～3.6V為其工作電壓范圍，為該芯片提供的工作電壓是3.3V，該元件實際的內核工作頻率能夠達到72MHz，圖2為該單片機最小系統板部分擴展引腳。

圖2 單片機最小系統板部分擴展引腳圖

2.2 電源模塊電路

由于本次設計對電源的要求并不是很高，用現在5V的USB電源就足以運行整個系統。所以使用USB數據電源線來供電。P3是電源的直流插座開關，觸角2和觸角3連接地線，觸角1連接到開關控制，然后輸出至VCC進行系統程序化供電（VCC為5V），電源模塊電路如圖3所示。

圖3 電源接口及開關 控制電路圖

2.3 繼電器模塊電路

本次設計是基于STM32單片機控制Wi-Fi智能插座，所以采用繼電器控制插座的開關。本次設計是為了控制220V交流電，設計中存在安全隱患，此外，由于繼電器的正常工作電壓為5V，單片機的I/O接口輸出容量無法滿足使用需求，因此，決定使用（OC）光電隔離器進行控制，如圖4所示。

圖4 繼電器模塊和HLW8032模塊電路圖

2.4 ESP8266 Wi-Fi通信模塊電路

ESP8266模塊采用TTL串行口傳輸，可實現與單片機的數據進行通信。模塊內置有TCP/IP協議，基本可以實現TCP、UPD等協議，使用時，只需通過串口發送相應的指令即可。ESP8266 WiFi模塊有八個引腳，使用起來十分方便。模塊的電源電壓基本為3.3V， 4腳接3.3V電源腳，8腳接GND，ESP8266 WiFi模塊串行通信腳接STM32單片機的串口2，ESP8266 WiFi模塊1腳（串口發送數據腳）接STM32的串口數據接收腳PA3，ESP8266模塊5腳（串口發送數據腳）接STM32的串口數據發送腳PA2，2腳接R5電阻上拉，模塊進入STA指令模式，如圖5所示。

圖5 ESP8266 WiFi 模塊電路圖

2.5 DS18B20溫度傳感器模塊電路

溫度傳感器中的DS18B20（“一線總線”接口）和其他測溫設備（比如熱敏電阻這種傳統設備）之間存在著本質性差異，有必要引起一定的關注。以下即其基本特征：與微處理器接口不復雜、對寬電壓更適合等，傳感器網絡搭建可以輕松實現，操作使用更加便捷。因此DS18B20這種直插型的溫度傳感器被本設計采用，如圖6所示。

圖6 溫度傳感器 DS18B20模塊電路設計圖

2.6 HLW8032模塊電路

本設計中加入了交流電檢測模塊HLW8032，其作用是用于測量電能參數，并且這個模塊的供電模式是需要單獨供電，模塊需要220V的電壓，所以采用單獨供電。220V的電只是在通電狀態下經過了此模塊，并且這個模塊是3.3V供電的，設計中的其他模塊，比如WiFi模塊也是3.3V，STM32是5V輸入，3.3V輸出。本次設計接入220V，是因為輸入的220V是本次設計的被測對象，220V只是經過了這個模塊，但它并不是電源，只是把輸入的220V作為被測的對象，如圖4所示。

3 系統軟件設計

主要以WiFi智能插座的WiFi模塊通訊子程序設計和顯示子程序設計為主要部分進行分析。本次設計的主要程序功能為： WiFi連接程序，使用APP進行微距離遠程操控開關；定時定溫自動通斷，通過APP設置定時通斷功能；顯示時間、電流、電壓數據，并可遠程修改顯示時間和日期。

3.1 主程序流程圖

系統初始化完成之后，程序進行循環，首當其沖的就是STM32F103C8T6的串行端口發送相應的指令給STA，從而對ESP8266WiFi模塊進行配置，配置成功，則進行標識位為1；不成功則繼續配置，直至成功。配置完成之后，LED燈亮，等待手機客戶端的連接，如WiFi熱點鏈接成功，則進入手機互聯的狀態，STM32F103C8T6芯片以5S為周期向手機端發送數據一次，以此維持數據鏈接的狀態。STM32F103C8T6芯片實時接收ESP8266WiFi通信模塊所傳來的數據，進行對繼電器的電源開關的掌控和定時設置的操作。圖7則是本次設計主程序流程圖。

圖7 主程序流程圖

3.2 Wi-Fi通訊子程序設計

本設計采用ESP82666WiFi模塊實現與移動通信和互聯。ESP82668266本身就是一個WiFi熱點，可以連接到STA或AP。本設計將模塊設置為服務器模式，監控等待連接的端口，首先通過移動應用連接模塊生成的WiFi熱點，然后開始連接服務器的端口，連接成功后建立TCP通信，服務器IP為“192.168.4.1”，端口為8888。ESP8266通信流程圖圖8所示。

圖8 Wi-Fi 通訊子程序流程圖

3.3 顯示子程序設計

如果引腳信號（RS、R/W）為1，E引腳從1向0轉換結束，進行數據讀取。如果R/W、RS這兩個引腳信號分別是0、1，E引腳自1向0轉換結束，進行數據存入。至此即能對讀取數據，存入數據實現控制（基于RS、R/W高低電平設置）。

圖9 LCD采集、收集及顯示流程圖

4 系統調試與分析

4.1 系統調試

（1）硬件調試

完成硬件的焊接和初步檢查后，進行上電測試，發現顯示器LCD1602上的溫度狀態沒有顯示出來，原來是由于DS18B20插在主板上時引腳插反造成的。在檢查繼電器裝置之中的模塊電路時，選擇三節南孚干電池給單片機供電，主板沒有正常運行，檢查發現電路板供電電壓較低，其后選擇5V電源時，繼電器正常工作。

（2）軟件調試

KEIL5 MDK是程序調試的軟件平臺，此類調試的重點在于調試或修改程序設計過程中的技術缺陷，從而進一步完成軟件設計，保證系統整體運行穩定。

（3）APP調試

繼電器通過WiFi模塊產生局域網熱點信號，通過遠程客戶端TCP Tool平臺手機APP連接。連接成功則可進行下一步系統測試，局域網連接客戶端端口地址：192.168.4.1，端口號為：8888。系統通電狀態下，局域網信號正常產生。當APP提示連接成功，則又開始下一步系統測試，正常運行情況下，實時監控WiFi插座的電流、電壓、時間等參數。 通過客戶端下達相應指令進行遠程操控，O1指令為打開繼電器電源指令，C1指令為關閉繼電器電源指令。當局域網連接成功，通過ON/OF指令設置定時開關功能，例如設置8：00開啟，則輸入指令ON8:00，就可直接設置早上8:00定時開啟繼電器。（繼電器設置時間為24小時制）繼電器溫度檢測功能設置為基礎40℃，當溫度傳感器檢測溫度為40℃，繼電器則自動斷電，如圖10所示。

圖10 實物運行圖

4.2 調試結果分析

本次設計的WiFi插座達到了預期的功能。其能夠很好地控制家用規格的插座，能夠在24H中隨意設置定時開關；液晶顯示屏能夠很好地顯示插座實際的電路運行情況，插座正常工作時指示燈綠燈點亮，不工作時指示燈不亮。

5 結束語

本文設計的插座能較好地實現一路智能插座的控制功能，后面可以嘗試多加入幾路插座口，并且使各個插座口互不干涉，但總電路又可以得到控制，且省電、安全，這樣可以更好地滿足人們對多路插座需求。增加插座路數，可以給定時插座加上保護措施，如漏電保護開關等，以此達到更加安全的目的。本次設計中使用的WIFI模塊的可連接范圍比較小，一般只能在室內起作用，如果采用廣域網更大的WIFI模塊并在手機上進行遠程遙控，人們可以隨時隨地對插座進行定時控制，智能插座將可以更好地為人們服務。