基于ESP8266的Wi-Fi智能插排

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　　摘  要：该课题主要对智能插排进行研究，智能插排是一种大规模生产的智能家居产品，它的出现在一定程度上打破了智能家居定制化的传统生产模式，使人们可以深入感受智能家居产品所带来的便利，最重要的是展现技术再加工给生活带来的简明、直观以及方便之处。该文对基于ESP8266的Wi-Fi智能插排进行研究设计，通过系统设计理念，对Wi-Fi智能插排進行分析。
　　关键词：智能插排;ESP8266;Wi-Fi
　　中图分类号：TP311              文献标志码：A
　　0 引言
　　智能插排是以智能家居产品为基础，具有自己独立特征的小型电子产品，随着智能家居概念的不断成熟，智能插排也得到了一定的发展，现有的智能插排使用的是定时型智能技术。该文正是在这种背景下设计了一套由硬件平台、服务器和手机软件构成的智能插排控制系统，并且可以在Android手机的远程控制下进行智能控制。
　　1 系统设计理论
　　该文以主控芯片ESP8266为MCU平台，采用本身自带无线Wi-Fi模块的串口来完成通信过程，系统的设计主要使用外加433M无线收发模块。
　　1.1 电压变换装置
　　中央控制器、Wi-Fi模块以及继电器模块需要3.3 V～5 V的直流驱动电压，主要是由高性能的电流模块PWM控制器THX208芯片，将普通的220 V交流电转换为5 V左右的低压直流电。
　　1.2 无线通信技术
　　Wi-Fi的概念在1999年第一次被提出，Wi-Fi是一种无线通信技术。1999年使用的Wi-Fi是IEEE 802.11b，它与红外线通信技术、蓝牙等通信技术一起被称为短距离通信技术。一直到近几年Wi-Fi才得以迅速发展，现在使用最多的无线标准是IEEE 802.1 ib，传输速率也从2 M提高到20 M，甚至可以达到200 M/s的速度，但是在现在即使是这样的高速率也无法满足人们对于网络的高要求。
　　1.3 无线连接方案
　　无线连接方式选择ATK的ESP8266无线网络，这种无线连接方式的优点是成本低、功耗低以及软硬件设计简化等，这种无线网络的控制过程是手机无线设备——Wi-Fi模块——EAP8266处理器——无线继电器——智能插排。
　　首先使用无线智能手机下载APP之后，通过Wi-Fi发送信号和数据到ESP8266的无线模块中，该无线模块属于一种无线传输设备，它可以将接收到的数据通过串口传送到MCU中，随后MCU可以通过GPIO端口来实现对于继电器的控制，最终实现对智能插座的控制。
　　2 Wi-Fi智能插排设计
　　2.1 硬件设计
　　2.1.1 ESP8266主控平台
　　ESP8266芯片是由乐鑫公司研发并生产的适用于无线智能家居的芯片，它可以形成一个比较完整的无线网络解决方案，在使用ESP8266芯片作为智能产品的唯一的应用处理器时，该芯片可以保证整个设计方案占据的PCB空间最低。ESP8266使用的固件化协议栈，其中主要包括Wi-Fi Direct（P2P）、802.11b/g/n、Soft-AP、LwIP协议栈以及内置TCP/IP协议栈，所以不需要客户再一次设计这一模块，而且8266中还涵盖了功率放大器、IR开关、匹配网络电路以及Balun-LNA。ESP8266芯片的主要运营模式有睡眠模式、激活模式以及深度睡眠模式3种形式，这3种运行模式之间互相配合，从而达到低功耗的工作要求，并且可以保证如果智能插排处于不工作的状态时，不会给客户增加用电量。
　　ESP8266芯片内部含有一个32位的微型CPU，芯片接口和CPU的连接情况具体如下：1）JTAG调试接口;2）储存控制器;3）储存控制器的数据总线;4）AHB接口。ESP8266不仅含有内核，还有很多外设，其中有很多数字接口和模拟接口，在使用ESP8266芯片时还需要使用串口功能和通用I/O。
　　2.1.2 电源电路
　　电源电路主要是为智能插排提供稳定持续的直流电源，因为ESP8266芯片的工作电压是3.3 V的直流电压，所以电源模块的主要工作就是将220 V的交流电转化为3.3 V的直流电。现在主要有3种转变方式可以将高压交流电转变为直流低流电：阻容降压方案、开关电源方案以及变压器整流滤波方案。这3种方案都有一定的优点，同时也有缺点，象开关电源方案中使用的芯片是专用的，性能好、体积小，但是芯片对于立板的要求相对比较高，如果在设计反馈电路时存在不当之处就会产生大量的磁污染，可能会影响Wi-Fi信号，甚至直接影响开关芯片的输出情况;阻容降压方案在工业中的应用比较少，因为阻容降压是一种非隔离方案，所以安全系数比较低，但是智能插排这种智能家居产品对于安全方面的要求非常高;而变压器整流滤波方案中使用的隔离式降压方案，这种方案相对比较稳定且安全系数高，并且电磁静电能力强、大功率负载强。
　　2.1.3 电能计量模块
　　电能计量模块主要是用于定量分析电气设备的用电情况，并且将用电设备的无功功率、有功功率以及总功率通过Wi-Fi信号的形式传输到智能手机APP中。该模块中使用的是HLW8012单相电能计量芯片，它可以测量设备的电量、有功功率、电流和电压的有效值，其中还有两路ADC和PGA来进行电流和电压的模数转换，经过频率转换之后可以将HLW8012芯片内部的电流和电压的有效值转化为方波脉冲形式输出，而且各数值的频率、大小和周期呈反比，和频率的大小成正比。
　　2.1.4 继电器模块
　　继电器是一种可以同时具备被控制系统和控制系统的电子元器件，当输入通道从低电压转变为高电压或者从高电压转变为低电压时，继电器就会控制用电设备是处于断电状态还是通电状态。而继电器模块主要是负责执行用电设备的上电和断电，ESP8266芯片需要将用电设备切换到某一状态时，就需要继电器模块来实现这一过程。
　　2.2 软件流程设计
　　系统的软件流程主要是设计手机APP、单片机程序以及服务器软件等，在进行智能插排的控制系统时，软件系统需要负责控制整个控制系统的正常运行，所以根据控制系统的运行环境，可以将控制系统分为3个主要部分：在广域网环境中，智能插排和手机APP之间的连接可能会超时，为了使两者之间建立新的连接，首先，手机需要向服务器发送数据请求，然后服务器进行相应的打洞，其中传输的信息就是洞，这个创建的洞就是插排和手机之间的新连接;在局域网环境中，手机APP和智能插排必须在同一局域网内进行连接，之后通过UDP/IP协议将信息传输到服务器中，完成注册工作;在无网络的环境中，需要通过点击按键的形式来完成控制插排的开关。
　　3 结语
　　在智能插排的工作过程中，通过手机APP中对应的图标就可以控制家中的智能家居产品的工作和关闭状态，也就是说使用者可以通过手机APP来查看家中智能家居设备实时的开关状态、定时以及用电状况，这样在很大程度上节约了电能、为使用者提供了方便并且降低了不安全事故的发生概率。
　　参考文献
　　[1]曹冬华.基于物联网架构下的智能插排的设计[J].电子世界，2018（18）：200-201.
　　[2]刘泽恒.插排的易用性设计研究[D].河北：河北科技大学，2018.
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