1基于ESP8266主控芯片的智能插排設計目錄TOC\o"1-1"\h\u3721基于ESP8266主控芯片的智能插排設計 114535摘要： 121613引言 1268971.緒論 241782.系統總體方案設計 3223263.系統硬件設計 4184344.系統軟件設計 9294145.調試與仿真 10208166.結束語 14摘要：智能家居是當今時代研究的熱點話題，智能插排是智能家居的關鍵，用戶對各種家居的需求需要更加智能化。本文設計一種以ESP8266為主控芯片的智能插排，將傳統插座與ESP8266結合，用戶通過手機APP控制或者語音控制將命令傳給ESP8266，ESP8266控制繼電器的斷開閉合，進而實現對電器的控制。同時增加了溫濕度傳感器檢測插排的溫濕度，如果插排的溫度超過設定的閾值，插排將立即斷開并將信息傳給用戶，可以有效避免發生事故。關鍵詞：ESP8266；APP控制；語音助手控制；溫濕度傳感器引言21世紀是信息蓬勃發展的時代，互聯網的發展對國家社會乃至個人都有著深遠的影響。隨著物聯網等技術的不斷發展，人均可支配收入也逐漸增加，信息化的發展在改變人們工作、學習等各個方面習性時，傳統家居也面臨著巨大的挑戰。家居趨于智能化已成為一種趨向而走進各個家庭，而智能插排是實現智能家居非常重要的一部分，而且如今生活節奏逐漸加快，大多數用戶都在追求快捷方便的生活，所以一些安全又智能的家居用電器更容易得到消費者的青睞。隨著用戶與電子產品之間的關聯越來越緊密，人們對電子產品的性能品質等要求也越來越嚴格，由此可見傳統的一些家居用品已經不能滿足消費者的需求。所以智能化，人性化的家居會是現在及以后的流行趨勢，而家用插排是日常家居的一個重要組成部分，是一個家庭必需品。傳統家庭用電器之間又是彼此孤立的，用戶資源和信息難以共享，隨著物聯網技術的迅速崛起，特別是物聯網網關技術的日益成熟，各家庭用電器之間遙相呼應的問題也亟待解決，本設計中的智能插排可以在一定程度上解決用戶對各家庭用電器的使用問題。1.緒論1.1選題的目的及意義婦孺皆知，所謂插排就是帶線多位插座。插排在很多家庭中屢見不鮮，因為它可以連接多個電源插頭，在一定程度上不僅節省了家庭住宅的空間還節省了很多復雜的線路，但是對于普通家用插排還是存在著一些不足之處。據我國研究調查數據顯示，我國統計發生火災事故中由于電器導致的火災約占30%，其主要原因是超負荷、短路以及用戶忘記切斷電源[1,2]。一般情況下會因為線板的超負荷使用，周圍溫度過高等原因，導致插座會發熱甚至引起失火。并且對于普通插排，用戶不可以根據自己的使用需求來調整用電器的使用時間，這樣不僅會造成用電浪費，而且會增大發生意外的概率。因此，本文針對這些問題，在傳統插排的基礎上設計了智能化、安全性高的家用插排。由于多種現代技術的蓬勃發展，信息化是實現經濟全球化的迫切需求，很多國家都把發展信息技術作為國家發展的側重點。隨著各種新興技術的快速發展和物聯網的普遍使用，當代人的生活、工作等各個方面之間的聯系愈來愈緊密，傳統家居也面臨著嚴峻的挑戰。人們對信息技術緊迫的需求使傳統家居變得智能化成為未來發展的一種必然的走向，當然發展中還存在的有一些潛在的問題，因為用戶忘記或者其他情況使電器電源長時間待機等使功耗大量流失，導致家庭能源的損耗增加得非常快，造成電能源大量的耗損。有調查研究表明，中國城市家庭的平均待機所消耗的能源大概是家庭總能耗的10％[3]。可見對于具有定時器能和遠程控制功能的智能插座的設計與研究有著非常現實的意義。在智能家居的逐漸普及下，人們對于家庭用電器的要求也變得更嚴格了，對于電源插排而言，它是所有家庭設備用電的主要關卡，也是所有家居能夠正常運行的基礎和必要環節。因此，多功能、安全性高、智能化、體積小是現如今家用插排發展的必然趨勢[4]。本文設計的智能插排可以讓用戶用起來更加簡便，安全，用戶可以在工作或者在外旅游等情況時對家里的用電器進行控制，也可以隨時查看插座的狀態，工作時也可以對家里的插排進行定時，以減少用戶下班回到家的一些麻煩。1.2國內研究現狀我們都知道人類對電的探索時間還是比較久遠的，但是那個時候電并沒有得到太多的應用，大概在1880年，愛迪生發明出了電燈以及開關。中國是在1882年左右才開始用電照明代替用煤油燈，在20世紀50年代，家庭用電還非常的罕見，當時的縫紉機的運行還依靠腳蹬。20世紀70年代左右，電燈、電視機開始時興，人們進門之前都要先拉電線表明著家庭條件比較好，那個時候家庭用的插排仍是構造簡單，款式單一的膠木插座。那個時候每個家庭使用的插座數量十分有限，可能家里電視的插頭用戶很長時間都不會拔掉，有不少家庭都選擇使用柜子家里插座遮住。在我國早期，某品牌插座最早在插座上加上按鈕開關，目前我國市場大多數的插座用的開關都還是最初設計的結構，這種按鈕開關簡單而且實用。2010年中國在普及插座的同時也在插座使用的安全性能上面做出相關法令法規，那時候插座已經隨時隨地可以買了，插座被國人廣泛使用，但是每年依然存在因為用戶使用低劣假冒的插座引起火災的狀況發生，現在最常見的家用插排都是用戶手動控制開關按鈕，而且如果用戶不在家就不能對插排實施任何操作，當大人不在身邊孩子還會有極大的可能去觸摸正常通電的插座，這種情況也是非常危險的；或者在仲夏時期，溫度很高，家庭用電也會急劇增加，那么插排很可能會超負荷使用或者插排溫度非常高，引發火災。隨著社會不斷發展，到后來我國抵制生產不符合規定的插座，也號召用戶不使用存在問題的插座，但是目前使用的都是傳統插排，用戶在使用過程中無法知道插排此時的工作狀態以及是否存在安全隱患，只有當危險發生時才能意識到問題，如果使用不當的話，插排就相當于一顆潛在的“炸彈”，所以插排還需要有很大的改進。當前，信息技術不斷創新，發展速度非常迅猛，在推進經濟發展、促進國家治理和能力現代化、滿足人民的美好生活需要方面扮演著中心樞紐的角色。智能家居一定會成為將來家居用品的發展走向，而智能插排是實現智能家居的重要環節，因此智能插排的研究將成為當務之急。2.系統總體方案設計本設計主要是設計一款基于ESP8266的智能插排，此智能插排主要分為電源轉換模塊、ESP8266最小系統、繼電器驅動模塊、溫濕度檢測模塊，該設計以ESP8266為控制核心，將傳統插座與ESP8266WiFi模塊相結合，用戶可以通過手機APP或者智能語音助手實現遠程控制插排，用戶通過手機將命令傳給ESP8266最小系統，ESP8266可以控制對應繼電器的閉合，從而實現插排對家庭用電器的控制，滿足用戶對家庭用電器的需求，這樣使其與傳統插排相比更為簡潔便利。此外，本智能插排能夠根據用戶的使用需求對插排上的插孔分別設定使用時間，這樣可以使不同的家庭用電器根據用戶的使用需求不同有不同的使用時間。這種方式既可以有效的避免電能資源的浪費[5]，又能在很大程度上減小火災等意外的發生。同時插排在使用時能夠利用溫濕度傳感器檢測當前插排的溫濕度，用戶也可遠程通過手機APP看到插排的實時溫度與濕度，當插排的實時溫度超過預設的閾值時，ESP8266會立刻切斷電源然后通過手機APP向用戶發送警告，防止溫度過高，發生意外事故，對用戶造成較大的損失。系統總體框圖如圖1所示。圖1系統總體框圖3.系統硬件設計本系統的硬件部分主要可分為四個模塊，分別是ESP8266最小系統、電源轉換模塊、繼電器驅動模塊、溫濕度檢測模塊[6]。具體原理圖如附錄所示。3.1ESP8266最小系統本設計為實現智能插排能夠通過手機APP以及語音控制助手控制的功能，在選擇主控芯片時有兩種方案，第一種是采用Arduino與ESP8266相結合的方法完成，第二種是采用ESP8266最小系統板作為控制核心。在設計過程中發現Arduino+ESP8266之間的通信受外界的干擾比較大，通信不夠穩定，所以放棄使用第一種方案。經過查找很多文獻資料發現第二種方案使用的ESP8266本身內部有超低功耗的32位微型MCU，其CPU時鐘速度高達160MHz，它有智能聯網功能，通信過程也比較穩定，所以完全可以滿足此智能插排的要求，因此本設計最終選擇使用ESP8266作為控制核心。主控制器ESP8266如圖2所示。與其他芯片相比，它是一種高性能的無線系統級芯片，它的成本雖然比較低廉但它的實用性很強，不僅能夠自己工作，還能作為從機搭載別的Host工作。它是成本相對較低的一種Wi-Fi微芯片，同時ESP8266高度片內集成，它在使用時需要非常少的外圍電路，這樣初學者使用起來也會比較輕松。ESP8266還兼備微控制器的功能，可以和所有Wi-Fi網絡建立連接。ESP8266還有STA、AP、STA+AP這三種工作模式[7,8]，能夠實現用戶的設備與Wi-Fi無線網絡連接然后進行通信，也讓Wi-Fi功能能夠很方便地嵌入到其他系統中。其內部擁有的高速緩沖存儲器在一定程度上能夠提升系統的整體性能，ESP8266的片上處理以及存儲能力都很強，在運行中降低了系統數據資源的利用率，可見這個無線透傳模塊非常適合用于物聯網以及智能家居的Wi-Fi模塊。ESP12E原理圖如圖3所示。圖2ESP8266實物圖圖3ESP12E原理圖3.2電源模塊本設計需要兩種供電電壓，一種使繼電器使用的5V直流電，另一種是低壓模塊使用的3.3V直流電[9]。在本設計的電源模塊使用AC-DC轉換模塊使交流電轉為5V直流電給繼電器供電，智能插排的各個低壓模塊的供電部分是由低壓差線性穩壓芯片將5V直流電轉換成3.3V直流電提供。本設計的降壓轉換模塊采用AC-DC降壓穩壓電源模塊，如圖4所示。該模塊與其他產品相比它有著優越的輸出短路和過流保護，而且不需要再外接電路就可以工作，體積小但功率密度大。該降壓模塊輸入電壓范圍為交流75V至275V，輸出電壓恒定在直流5V，輸出電流600mA。在設計時為了使輸出的電壓電流穩定，在穩壓芯片的輸入和輸出兩端加了起濾波作用的電容，另外在交流輸入端添加了一個起著保護電路的作用的1A的保險絲。圖4AC-DC模塊實物圖系統的其他低壓模塊的工作電壓是3.3V，本設計經過與其他模塊相比AMS1117模塊安全系數更高，內部有過熱保護以及限流電路，避免因為環境溫度使得實際工作溫度過高，所以對于本設計選擇AMS1117模塊再合適不過了，如圖5所示。在該系統中使用了固定輸出電壓3.3V的AMS1117模塊，其穩定工作電壓最大能到12V左右，輸出電流高至1A。在設計時選擇在該降壓模塊的輸入端放置一個10μF的電容，在輸出端接一個22μF的鉭電容，其主要作用是遏制在外部沒有激勵信號的情況下電路產生的連續振蕩。圖5AMS1117模塊實物圖3.3繼電器驅動模塊由于繼電器的供電電壓和ESP8266模塊的供電電壓不相同，所以為了使繼電器和ESP8266模塊兩旁的電壓達到均衡，有兩個方案可以選擇：方案一是采用三極管驅動；方案二時采用光耦隔離的方式。但因為方案一使用三極管其抗干擾能力較弱有誤觸發的可能，與光耦隔離的方式相比不太穩定，光電耦合器的電隔離和抗干擾兩方面的能力都比較出眾，且它的共模抑制大，具有極佳的減少了干擾和消除噪聲的優點，通過對比本設計最終選擇采用光耦隔離的方式使兩邊的電壓均衡。光耦隔離就是一種采用光耦合器進行隔離。它是用光充當媒介傳輸電信號，其輸入和輸出端是電絕緣的，當將設備的輸入和接收電信號都添加到設備的輸入端發光裝置LED，LED接收到就會亮起，接收光的設備將光信號轉換成電信號，然后直接輸出或放大后再輸出，該轉換過程實現了"電-光-電"的數字電平轉換和傳輸。采用光耦隔離電路就可以讓被隔離的兩個電路沒有電的接觸[10]，這樣就可以有效地避免對系統產生不必要的干擾。本文采用三路光耦隔離繼電器驅動模塊，如圖6所示。在此系統中該模塊采用的是高電平觸發模式。在系統設計時在電路中添加了吸收電路，即在繼電器線圈反向并聯一個二極管[11]，用來吸收繼電器有吸合狀態轉化到切斷時在線圈兩端形成的尖峰電壓。繼電器的驅動電路通過三極管實現[12,13]，三極管基極是高電平時，三極管飽和導通，此刻繼電器線圈通電吸合，插排將正常通電。圖6繼電器實物圖3.4溫濕度傳感器模塊由于用戶在使用智能插排時，絕大多數情況下用戶都不在旁邊的，那么當用電器的使用功率過大時，溫度升高，存在很大的安全隱患。為避免這種不安全狀況發生，本設計在傳統插排的基礎上添加了溫濕度檢測功能。采用溫濕度傳感器精確檢測插排的實時溫濕度[14]，并且與ESP8266模塊連接及時給用戶反饋數據。通過對溫濕度傳感器采集到的溫濕度數據與用戶預設的閾值對比，當插排溫度超過預設的工作溫度，此溫度傳感器就會把信號傳給ESP8266模塊，ESP8266會發送指令控制繼電器切斷智能插排，同時通過手機APP給用戶發送信息告知用戶，防止發生更糟糕的事件。本設計采用DHT11溫濕度傳感器模塊，如圖7所示。它是由高精度的電阻式濕度傳感器件和電阻式熱敏測溫傳感器件組成，其功耗與其他傳感器相比很低，最大電流不超過0.5毫安，但是靈敏度很高，且是數字信號精準輸出，測量誤差上下波動比較小。主要采用雙向串口通信方式，僅需一個I/O口就可以與8位單片機進行單總線通信，即只需要一條數據線與微處理器進行數據交換和控制，通過傳感器采集到的溫濕度數據以高位先出的原則一次性傳輸到ESP8266模塊。本文設計時還放置了一個上拉電阻且在DHT11的電源引腳中間加上能去耦濾波的電容。圖7DHT11實物圖4.系統軟件設計本系統軟件設計部分使用的開發環境為Arduino，使用Arduino的各種庫函數進行開發，編程語言為C++，使用起來效率特別高，適應性也比較強。程序按模塊可分為聯網模塊代碼、定時開關模塊代碼、通信模塊代碼、溫度檢測模塊代碼。本系統的設計流程是系統先成功連接用戶設定的Wi-Fi網絡，連接成功后系統檢查用戶是否發送語音或者是按鍵控制信號，當檢測到用戶發送的控制信號就執行相應得操作，如果用戶沒有發送信號，不執行任何操作。用戶也可在手機APP給對應插座設置定時任務，APP會發送消息給服務器，定時時間一旦到了服務器就會給ESP8266發送指定，從而控制插排的開關狀態。溫濕度檢測放在主循環里面，每隔很短的時間就會重新檢測一次，當溫度超過設定的閾值，該插座就會自動斷電，同時通過手機APP給用戶發送警告。整體系統程序流程圖如圖8所示。圖8系統整體程序流程圖5.調試與仿真5.1系統調試由于該設計連線較少，所以為了方便驗證和測試性能，即將各個模塊的電路在洞洞板上進行連接走線，然后在洞洞板上進行測試各個功能是否實現，測試環境如圖9所示。本設計中三個繼電器分別接ESP8266模塊的D0、D1、D2引腳，即D0控制的是插排的第一個插孔，D1控制的是插排的第二個插孔，D2控制的是插排的第三插孔，繼電器上的燈亮就代表閉合，對應的插排插孔就通電。圖9測試連接圖5.1.1手機APP控制本設計的手機APP采用點燈blinker軟件，其測試頁面如圖10所示。開始測試前，打開手機的Wi-Fi熱點使智能插排與其建立連接，連接成功后，用戶就可以在手機上看見插排的狀態及數據。在APP主界面顯示的主要信息有實時溫度，實時濕度，三個控制插排插孔的按鈕。三個插孔的實時狀態也會在手機APP上顯示，可以讓用戶隨時隨地查看也防止用戶遺忘對應插孔是否在工作狀態而產生誤操作。由于本設計的繼電器是高電平觸發，若此時插排的狀態為“off”，用戶可以按下對應插孔的開關按鈕，則繼電器的信號觸發端會收到電平信號，繼電器吸合，插座開關閉合，此時電路接通，對應的插排插孔將通電正常工作，APP界面顯示該開關的狀態也就由“off”變為“on”；若此時插排的狀態為“on”，用戶可以按下對應插孔的開關按鈕，則繼電器的信號觸發端會收到電平信號，繼電器斷開，插座開關斷開，此時電路不再接通，對應的插排插孔將斷電不再工作，APP界面顯示此時該開關的狀態也就由“on”為“off”。APP上也有語音控制的功能，它是和開關按鈕實現同樣的效果。同時用戶還可以在APP上根據自己對用電器時間的不同需求對用電器的使用時間進行設定，操作頁面如圖11所示。當達到設定時間相應的插孔便會自動開關[15]，這樣就可以使工作繁忙的用戶能夠節省時間也能夠避免發生火災等意外。圖10插排“on”狀態手機APP界面圖11定時任務界面5.1.2手機語音助手控制插排本次設計使用常見的手機語音助手控制插排，如圖12所示。首先要對語音助手進行訓練，當用戶說出“打開開關一”，那么語音助手就會把信號傳給ESP8266，ESP8266則會執行相應的操作，打開插排上的第一個插孔，使其通電供用電器使用。若此時對應開關已經正常通電，用戶如果再說“打開開關”，語音助手會先檢測到此時的開關狀態，當檢測到此時開關已經在工作了，則不會執行開啟開關的操作。圖12語音助手控制界面5.2結果分析智能插排成品如圖13所示。本設計通過Arduino軟件編寫系統程序，實現了系統的多種預設功能。用USB與測試版上ESP8266模塊的串口通信接口相連接便可以實現電腦與最小系統的通信，有利于從系統中將數據傳輸到電腦進行分析并及時進行調整。通過多次實驗證明。手機APP與該系統之間通信良好，手機APP能夠準確控制插排的狀態，而且通過測試發現溫濕度反饋正常