基于ESP8266EX 的電視開關控制系統設計

楊功銀

（湖南開放大學（湖南網絡工程職業學院），湖南 長沙 410004）

0 引 言

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，電視已經在城鄉家庭中得到普及。電視給少年兒童帶來了知識和歡樂的同時，也讓許多自制力差的孩子因為長時間看電視導致視力和學習成績下降，這給家長帶來了不小的困擾。解決少年兒童沉迷電視問題是一個社會難題，本文欲從技術上解決這個問題，設計了一款基于ESP8266EX 芯片的電視開關控制系統。通過此系統，家長可以隨時利用手機微信客戶端控制家里的電視，對孩子看電視進行有效監管。

1 總體方案設計

為了降低成本，本文設計的系統直接采用ESP8266EX 芯片作為主控模塊。由于ESP8266EX芯片的GPIO 引腳輸出電壓和電流能力有限，使用GPIO 引腳與繼電器模塊連接，實現低電壓控制高電壓的目的[1]。為了不讓電視機在高溫下長時間工作，系統使用溫度傳感器DS18B20 實時測量當前電視機內部溫度。當溫度異常，系統將切斷電視電源。為了遠程獲取當前電視的開關狀態，系統使用ESP8266EX 芯片自帶的AD 模塊采集電視電源板的輸出電壓，附加簡單的外圍電路就可以實現設計目的。ESP8266EX 芯片是一款能夠通過無線網絡與互聯網相連的微控制器，可以用它與中國移動物聯網開放平臺ONENET 云平臺相連。系統采用目前廣泛流行的微信小程序作為應用端，具有開發周期短、安全性高的優點[2]。本系統總體方案如圖1 所示。

2 硬件電路設計

2.1 ESP8266EX 核心電路設計

ESP8266EX 芯片集成了一個Tensilica L 106 處理器，其內部設計有SRAM，ADC，PWM、天線開關、射頻、功率放大器、低噪聲接收放大器、濾波器以及電源管理模塊。正是因為其比較完善的設計，ESP8266EX 最小系統只需要簡單的外圍電路[3]。參照ESP8266EX 相關設計資料，本文設計的系統核心電路如圖2 所示。

圖2 ESP8266EX 核心電路

ESP8266EX的電源由數字電源和模擬電源組成。ESP8266EX 的數字電源電壓在1.8 ～3.3 V，由Pin11和Pin17 兩個引腳外接3.3 V 提供。ESP8266EX 的模擬電源由Pin1、Pin2、Pin4、Pin29、Pin30 外接電源提供，電壓在2.5 ～3.6 V。ESP8266EX 芯片內部的功率放大器和低噪聲功率放大器的工作電壓由Pin1、Pin3、Pin4 外接的模擬電源提供，內置鎖相環電路工作電壓由Pin29、Pin30 引腳外接模擬電源提供。與數字電源不同的是，模擬電源的幾個引腳都使用了電容和電感元件，構成了LC 濾波電路。濾波電路將電源引入的高頻諧波減弱或去除，提高供電質量。為了提高電路的可靠性和穩定性，這里選擇的電感額定電流都在1 A 左右，滿足其不少于500 mA 的要求。電路圖中的電容C3 容量達到10 μF，這是考慮到ESP8266EX 工作在TX 時會產生較大的瞬時電流，如果不加上這個大電容，電源會被拉低進而影響電路的正常工作[4]。

ESP8266EX 的7 腳是芯片的使能引腳，外接RC 電路控制；32 腳是復位腳，在芯片內部設計有上拉電阻，外部通過RC 電路實現芯片復位。由于Pin7 腳低電平持續200 μs 以上時，ESP8266EX 也將重啟，因此，可以通過7 腳、32 腳實現系統重啟。

2.2 Flash 電路設計

本設計采用8 個引腳的SPI 接口的Flash，容量大小為2 MB。Flash 芯片的6 腳是時鐘引腳，通過電阻R4 與ESP8266EX 芯片的21 腳相連。R4 可以使驅動電流減少，降低外部電路的干擾和串擾，此外還可以使時序得到調節。外擴Flash 可以保存應用程序和系統參數，系統從Flash 加載運行。

2.3 晶振電路

ESP8266EX 芯片可支持多種不同頻率的時鐘。本設計采用了26 MHz 的晶振。晶振的輸入端與ESP8266EX 芯片的28 腳相連，輸出端與ESP8266EX 芯片的27 腳相連。同時，晶振輸入端和輸出端分別增加了對地調節電容C2、C1。

2.4 射頻接收電路

ESP8266EX 芯片的WiFi 信號接收電路比較簡單。射頻信號通過由C5、L2、C6 構成的濾波電路進入芯片的2 腳，然后在芯片內部進行處理。

2.5 測溫和AD 采集電路

本設計測溫功能用DS18B20 芯片實現。DS18B20 是一款體積小、抗干擾能力強、精度高的常用傳感器。它只有電源地端、數據信號輸入輸出端以及電源端三個引腳。AD 采集電路利用ESP8266EX 芯片的AD 采集引腳采集電視機電源板開機后產生的12 V 電壓。這里的電壓只有在電視正常開機后才會有，不開機時是0 V。因而，通過判斷此電壓的存在，可以知曉電視機當前是否開機。

3 軟件設計

本系統軟件設計包括三部分：一是云平臺相關設備的創建和配置[5]；二是運行在ESP8266EX 芯片上的嵌入式軟件開發，主要完成與云平臺的通信、溫度檢測、電壓檢測及對電視機的開關控制；三是微信小程序的開發設計。

3.1 ONENET 云平臺設備創建與配置

由于需要異地遠程控制，本設計需要選用一款云平臺。中國移動設計的ONENET 物聯網開放平臺是一款面向產業互聯和智慧生活應用的平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）平臺。開發者可以輕松使用MQTT、LwM2M、COAP、HTTP 等行業標準協議將各種傳感器和智能硬件快速接入該平臺，實現低成本物聯網應用開發和部署[6]。在本設計中，筆者登錄ONENET 官網（https://open.iot.10086.cn/console/summary）創建了一款電視開關控制系統產品，在這個產品下創建了電視機、微信小程序控制端兩個設備并對其進行了一些必要的相關配置。

3.2 ESP8266EX 嵌入式軟件設計

ESP8266EX 芯片主要實現電視機內部工作溫度和工作電壓采集、與云平臺進行雙向通信。

ESP8266EX 這款芯片本身具有ADC 采集功能，可以完成對電壓的采集。溫度采集可以使用DS18B20 這個傳感器。部分關鍵代碼如下。

ESP8266EX 芯片采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議與云平臺通信。MQTT 協議是一個面向物聯網應用的實時通信協議，底層使用TCP/IP 協議提供可靠的網絡連接。ESP8266EX 的軟件開發需要實現MQTT協議中的幾種報文。根據MQTT 協議的相關規定和本項目的實際需求，本文設計的程序實現了connect報文用于連接ONENET 平臺，訂閱報文用于接收從微信小程序端推送來的控制信息，推送報文用于上報ESP8266EX 采集的一些溫度信息和反饋一些控制信息。基于平臺的設備、鑒權信息、上報信息協議和格式等，本文設計實現的幾種報文如下。

（1）connect 報文。示例：10 26 00 04 4D 51 54 54 04 C2 00 78 00 0A 31 30 38 39 30 32 37 34 39 37 00 06 35 33 37 32 30 39 00 06 79 67 79 35 32 30。

（2）訂閱報文。示例：82 0D 00 0A 00 08 57 65 69 78 69 6E 69 66 00。

（3）PUBLISH 報文。示例：30 09 00 04 54 56 69 66 XX XX XX（XX 表示上報的數據信息）。

運行在ESP8266EX 芯片上的程序是利用安信可公司提供的集成開發平臺開發的。對電視機電源的控制，采用ESP8266EX 芯片的一個GPIO引腳輸出控制繼電器的方式進行。本設計采用ESP8266EX 芯片的GPIO4 腳進行控制，在安信可提供的集成開發平臺中，采用NONRTSDK 對GPIO4進行初始化。對該引腳的初始化代碼如下。

PIN_FUNC_SELECT（PERIPHS_IO_MUX_GPIO4_U，FUNC_GPIO4）;//GPIO4 引腳配置

GPIO_OUTPUT_SET（GPIO_ID_PIN（4），1）;//GPIO4 輸出高電平

在MQTT 的接收報文中，ESP8266EX 芯片對接收到的報文進行解析。當解析的報文來自topic為Weixinif 同時指令為TVON 時，通過代碼控制GPIO 引腳輸出高電平，使繼電器接通從而使電視機接通電源工作；當指令為TVOFF 時，通過代碼控制GPIO 引腳輸出低電平，使繼電器斷開電視機電源停止工作。此外，用戶通過閱讀電視說明書可得到電視的長時間工作溫度上限，利用微信小程序端設置電視的關機溫度，當溫度傳感器檢測到溫度超過設定值，也可切斷電視機電源使其停止工作。電視機工作時，電源板會輸出12 V 電壓，ESP8266EX芯片的AD 模塊就是通過采集電源板上的電壓來判斷電視機的開機狀態。ESP8266EX 芯片將電視機的開機狀態信息和溫度信息上報云平臺，并通過云平臺轉發到微信小程序端，使得用戶知曉電視機的工作狀態信息并做出控制決策，這樣就可以使得少年兒童看電視的行為可控。軟件切斷電視電源的關鍵代碼如下。

3.3 微信小程序設計

微信小程序是一種基于微信的輕量級應用程序，可以在微信內被便捷地獲取和傳播，同時具有出色的用戶使用體驗。本設計采用微信小程序作為用戶控制端軟件。小程序的界面設計在wxml 文件中體現。本文使用了text、View、input 和image 組件，并對這些組件做了合適的樣式設計。界面顯示效果如圖3 所示。

圖3 微信小程序顯示效果圖

作為控制端，小程序需要借助云平臺將控制信息發送到ESP8266EX 芯片端并接收來自ESP8266EX 芯片的一些上報信息。ESP8266EX 芯片與云平臺使用MQTT 協議進行信息傳遞。理論上，微信端也可以通過MQTT 協議完成與云平臺的信息溝通，但是實現比較復雜，工作量也比較大。本設計使用ONENET 云平臺提供的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）接口，使用HTTP 或HTTPS 調用進行設備管理、數據查詢以及設備命令交互。通過查閱ONENET 云平臺的使用說明，本設計中，給云平臺發送控制命令采用POST 方法。實現發送控制指令的部分關鍵代碼如下。

4 結 語

本文設計的基于ESP8266EX 芯片的電視開關控制系統能夠采集電視的工作狀態和實時溫度信息，并通過ONENET 云平臺轉發到用戶使用的微信小程序端實現遠程控制。為了節省成本，減小系統的體積，便于安裝使用，本系統不使用常與ESP8266EX 芯片搭配的帶串口的單片機，提高了系統的穩定性和可靠性。本系統可使得家長對少年兒童的看電視行為實現有效監管，減少沉迷電視對少年兒童的身心傷害。