基于ESP8266WiFi模組的智能開(kāi)關(guān)

四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系 唐俊濤 劉謙

隨物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，越來(lái)越多的物品都能連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，功能單一的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，智能開(kāi)關(guān)不但有利于對(duì)家庭電器的掌控，而且還提高了家庭開(kāi)關(guān)電路的安全性。為此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了無(wú)線局域網(wǎng)智能開(kāi)關(guān)。主控部分采用單片機(jī)STM8S，傳輸部分采用ESP8266WiFi模塊，傳感部分采用光敏傳感器收集環(huán)境信息，采用PWM模塊和固態(tài)繼電器作為控制部分，采用NE555芯片作為觸控部分。

目前，大部分家庭仍在使用傳統(tǒng)機(jī)械式開(kāi)關(guān)，在不斷使用過(guò)程中開(kāi)關(guān)很容易損壞，而且傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)采用直接接通220V的方式，一旦漏電，人體將會(huì)直接接觸220V，同時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)接通時(shí)容易產(chǎn)生電火花。智能開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電路時(shí)不存在機(jī)械操作，延長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)的使用壽命，接通電路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花，減少了發(fā)生火災(zāi)的可能性，智能開(kāi)關(guān)采用的弱電壓、弱電流控制強(qiáng)電壓、強(qiáng)電流，大大降低觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

智能開(kāi)關(guān)采用一體式面板，沒(méi)有縫隙，可以有效的防止水進(jìn)入開(kāi)關(guān)，所以可以濕手開(kāi)關(guān)燈，這個(gè)開(kāi)關(guān)面板材料在夜間時(shí)會(huì)發(fā)出夜光，方便人們定位開(kāi)關(guān)位置。采用交流PWM調(diào)節(jié)器，通過(guò)觸摸開(kāi)關(guān)按鈕改變燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也可以通過(guò)長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)按鈕實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)燈亮度，開(kāi)關(guān)通過(guò)WiFi模塊連接路由器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。智能開(kāi)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能開(kāi)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of intelligent switch

智能開(kāi)關(guān)的主控部分是一個(gè)STM8S105K4T6單片機(jī)（簡(jiǎn)稱STM8S），通過(guò)這個(gè)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)的控制，數(shù)據(jù)通訊部分是采用一個(gè)ESP8266WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，觸摸模塊采用NE555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)電容式觸摸電路進(jìn)行檢測(cè)觸摸操作，控制部分是采用PWM模塊和固態(tài)繼電器控制開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)，光敏傳感器部分采用一個(gè)PCF8591收集環(huán)境信息，電源部分采用一個(gè)220V轉(zhuǎn)9V的變壓器和一個(gè)9V轉(zhuǎn)3.3V的LDO元器件轉(zhuǎn)換電壓，為整個(gè)系統(tǒng)提供電壓。

當(dāng)人體觸摸開(kāi)關(guān)時(shí)，人體感應(yīng)的雜波信號(hào)電壓由一個(gè)電容加至555的觸發(fā)端，使555的輸出管腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，連接單片機(jī)STM8S的引腳就會(huì)收到高電平信號(hào)，從而做出開(kāi)關(guān)操作。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，觸碰一下感應(yīng)面板，開(kāi)關(guān)由關(guān)閉狀態(tài)改變?yōu)榇蜷_(kāi)狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉時(shí)，觸碰感應(yīng)面板超過(guò)一秒鐘，開(kāi)關(guān)先打開(kāi)，再進(jìn)入自動(dòng)模式，根據(jù)環(huán)境輸出相應(yīng)的電壓，若是開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)，則會(huì)直接進(jìn)入自動(dòng)模式。

當(dāng)單片機(jī)的WiFi模塊部分收到信息時(shí)，單片機(jī)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷去接收WiFi模塊，然后單片機(jī)就會(huì)處理收到的信號(hào)，判斷出是哪個(gè)指令，并在完成操作后回饋信息給WiFi模塊，并由WiFi模塊將信息發(fā)送出去。在手機(jī)App上點(diǎn)擊一個(gè)開(kāi)關(guān)切換按鈕，就可以遠(yuǎn)程切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，打開(kāi)自動(dòng)模式開(kāi)關(guān)就可以遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)進(jìn)入自動(dòng)模式。

2 主要模塊電路設(shè)計(jì)

智能開(kāi)關(guān)主要由五個(gè)部分組成：主控部分、傳輸部分、傳感部分、控制部分、觸控部分。主控部分采用單片機(jī)STM8S，傳輸部分采用ESP8266WiFi模塊，傳感部分采用光敏傳感器收集環(huán)境信息，采用PWM模塊和固態(tài)繼電器作為控制部分，采用NE555芯片作為觸控部分。以下從主控部分、傳輸部分、控制部分進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明。

2.1 主控部分-STM8S單片機(jī)電路圖

STM8S單片機(jī)電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 STM8S單片機(jī)電路圖Fig.2 Circuit diagram of STM8S single chip microcomputer

圖2左上角是單片機(jī)STM8S的復(fù)位電路，當(dāng)產(chǎn)品上電時(shí)，NRST為低電平單片機(jī)復(fù)位，此時(shí)電容C7開(kāi)始充電，當(dāng)電容充滿電后，NRST變?yōu)楦唠娖健Ｗ笙陆菫閱纹瑱C(jī)STM8S的晶振電路，X1為一個(gè)8MHz的晶振，與之相連的是兩個(gè)20pF的瓷片電容，這兩個(gè)瓷片電容是為了減少晶振與單片機(jī)的OSCIN和OSOUT引腳構(gòu)成的振蕩電路中會(huì)產(chǎn)生諧波。右上角為單片機(jī)STM8S芯片，該芯片處理并輸出相應(yīng)的信息，30和31引腳連接ESP8266芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，28引腳連接光敏傳感器電路，用于接收光敏傳感器收集到的環(huán)境信息，27引腳連接觸控電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)被觸碰時(shí)，單片機(jī)就能收到相應(yīng)的信號(hào)從而做出相應(yīng)的操作，26引腳連接PWM模塊，通過(guò)該引腳輸出相應(yīng)的信號(hào)可以使PWM模塊輸出占空比不同的波形，從而達(dá)到控制電壓的目的，25引腳連接開(kāi)關(guān)電路，通過(guò)一個(gè)三極管控制固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)，20和19引腳連接右下角的LED燈指示單片機(jī)的工作模式。

2.2 傳輸部分-ESP8266WiFi模組電路

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，具有封裝尺寸小和超低能耗等特點(diǎn)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)。可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266封裝方式多樣，天線可支持板載PCB天線，IPEX接口和郵票孔接口三種形式。ESP8266可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)選用的ESP8266支持無(wú)線802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接，支持豐富的Socket AT指令。TXD和RXD為ESP8266的數(shù)據(jù)傳輸引腳，TXD連接STM8S的RXD引腳，RXD連接STM8S的TXD引腳，這樣就ESP8266和STM8S才能相互傳輸數(shù)據(jù)。ESP8266WIFI模塊電路圖如圖3所示。

圖3 ESP8266WiFi模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of ESP8266WiFi module

該模塊有一個(gè)板載天線，模塊可以通過(guò)板載天線連接路由器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。該模塊需要與STM8S單片機(jī)共地，如果不共地傳輸數(shù)據(jù)的波特率可能會(huì)受到影響，導(dǎo)致ESP8266WiFi模組和單片機(jī)STM8S波特率不同導(dǎo)致兩者之間不能傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 控制部分-開(kāi)關(guān)電路

控制部分的開(kāi)關(guān)電路圖如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)電路圖Fig.4 Switch circuit diagram

圖4上面部分為控制部分，下面部分為調(diào)節(jié)部分。當(dāng)控制部分的PD0收到高電平時(shí)，三極管3904的基極拉高，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器引腳1電壓超過(guò)設(shè)定的閾值，繼電器的4、5引腳導(dǎo)通，燈泡就可以發(fā)亮了。當(dāng)工作模式處于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式時(shí)，單片機(jī)STM8S對(duì)PWM模塊輸入PWM調(diào)節(jié)信號(hào)，PWM模塊根據(jù)接收到的信號(hào)輸出相應(yīng)的方波達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的功能。

3 主程序設(shè)計(jì)

主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

主程序代碼：

}

將串口初始化過(guò)后，進(jìn)行URAT收發(fā)數(shù)據(jù)的初始化，再進(jìn)行WiFi模塊的初始化，就進(jìn)入觸摸檢測(cè)的While循環(huán)，直到收到WiFi數(shù)據(jù)產(chǎn)生中斷。

4 總結(jié)

無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)滿足了人們對(duì)智能家居的向往，而以后智慧城市的建設(shè)將為智能開(kāi)關(guān)更快的普及打下厚實(shí)的基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)、無(wú)線通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)，完成家庭照明遙測(cè)、遙控、遙訊的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能化控制，具備燈光亮度的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)、燈光軟啟動(dòng)、定時(shí)控制、場(chǎng)景設(shè)置等功能。智能開(kāi)關(guān)因?yàn)橐苿?dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，打破了時(shí)空的限制，通過(guò)遠(yuǎn)程或者集中控制，輕松實(shí)現(xiàn)全家庭的家居設(shè)備的控制，成為助力無(wú)線智能家居發(fā)展的重要設(shè)備?？梢哉f(shuō)，智能開(kāi)關(guān)作為智能家居的重要組成部分，可以預(yù)見(jiàn)到將來(lái)會(huì)有更大的發(fā)展。