智能插座的設計

劉奧川++詹琳

摘要：基于WiFi網(wǎng)絡通信技術，設計了一款家用監(jiān)測和控制的智能插座。ESP8266芯片將檢測到的電能發(fā)送給用戶端，用戶通過WiFi發(fā)送控制命令。

關鍵詞：智能插座；WiFi；MQTT

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）06-0177-02

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的主要應用之一，它以家庭住宅為平臺，利用先進的計算機技術、通信技術、傳感器技術、控制技術等，將各種家用電子設備進行集中的控制和管理，從而創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境[1]。

智能家居的普及大力推動著無線通信的發(fā)展，使我們能夠享受智能家居帶來的方便的同時也能享受無線帶來的簡潔。隨著無線通信的發(fā)展，越來越多的智能手機、筆記本電腦、Pad等支持WiFi的終端產(chǎn)品越來越流行。在家庭中，無線路由器組建的WiFi網(wǎng)絡已是常態(tài)。因此用戶能夠使用WiFi終端控制和檢測用電器，將是未來智能家居的發(fā)展趨勢。

本文采用ESP8266 WiFi芯片作為主采集芯片，主要采集通過插座的電流來推算用電器的使用電量，將采集到的用電流和電量發(fā)送到用戶的手機中，用戶通過手機來控制智能插座的通斷電來控制用電器的開關。

1 WIFI協(xié)議

目前比較流行的無線通技術有：紅外線、ZigBee、藍牙、WiFi等。對比這幾種技術，紅外線通信通常被用于短距離、低功率、無許可證的通信，由于媒介紅外線的特點導致傳輸距離受到很大限制；藍牙的通信距離一般為10米，價格高，兼容性差等問題是組建智能家居比較局限的條件；ZigBee協(xié)議傳輸速率慢，連接Internet需要網(wǎng)關增加了成本需求。

WiFi技術在智能家居中的應用的主要優(yōu)點有：傳輸速率高；傳輸距離大可達到100m左右；而且WiFI智能節(jié)點可以直接連接無線路由器，接入Internet網(wǎng)，不需要家庭網(wǎng)關，節(jié)點可以任意擴充；不會破壞現(xiàn)有裝修；智能終端可以進行局域網(wǎng)控制和遠程控制[2]。

本系統(tǒng)采用的是星形網(wǎng)絡，所有的智能插座連接家庭無線路由器，用戶通過手機或其他無線終端直接或通過路由器來連接智能插座進行控制。

2 esp8266介紹

本系統(tǒng)采用樂鑫信息科技有限公司自主研發(fā)的ESP8266芯片。這款芯片嵌入了一個超低功耗32位微型CPU，帶16位精簡模式；存儲控制器包含ROM和SRAM；含有16個GPIO管腳。ESP8266擁有高性能無線SOC，給移動平臺設計師帶來福音，它以最低成本提供了最大的實用性，為WiFi功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能。由于ESP8266能夠直接從外接閃存中啟動，所以本系統(tǒng)中采用ESP8266作為主處理器，而且內(nèi)置的高速緩存存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。

ESP8266強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設備，實現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運行中最少地占用系統(tǒng)資源。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關balun、因此僅需極少的外部電路，且包括前端模塊在內(nèi)的整個解決方案在設計時將所占PCB空間降到最低。

芯片特點：

①支持802.11b/g/n標準

②支持STA/AP/STA+AP三種工作模式

③內(nèi)置TCP/IP/HTTP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接

④支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口

⑤支持PWM輸出

⑥支持I2C接口

通過固件設計可以支持Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能和支持遠程固件升級（OTA），如圖2。

3 智能插座設計

3.1 硬件設計

ESP8266芯片設計圖如圖3所示。

Esp8266芯片通過PIN13（ADC）與HLW8012測量芯片相連，來測量通過插座功率。HLW8012單相多功能計量芯片來檢測通過智能插座的電流和功率。HLW8012測量芯片如圖4所示：

由于無線插座自身不能通過芯片直接控制其開關，因此選擇使用繼電器來控制無線插座的開關。Esp8266芯片的PIN1（GPIO_3）是繼電器輸出控制引腳，軟件默認輸出為高。繼電器的電路圖如圖5。

3.2 軟件設計

ESP8266兼容IP/TCP協(xié)議，WiFi終端設備連接芯片后可以通過web設置和查詢芯片的參數(shù)。

手持設備安裝APP可以通過網(wǎng)絡檢測到家里所有的智能插座，利用SmartLink功能連入家庭路由器。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡足以覆蓋用戶家里的所有智能插座。

ESP8266支持webServer可以讓戶使用移動終端進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的配置和查詢，采用JSON的格式對數(shù)據(jù)進行打包。JSON作為一種輕量級的數(shù)據(jù)傳輸格式，易于閱讀和編碼，且他是JavaScript規(guī)范的子集，能被支持JavaScript瀏覽器的移動終端所解析，這些特性使JSON成為理想的數(shù)據(jù)交換語言，使網(wǎng)絡傳輸更有效率[3]。

4 結語

現(xiàn)在越來越多的家用電器及電子產(chǎn)品開始支持WiFi功能，WiFi的普及以及相關軟件的發(fā)展將會使家用電器完成功能上的飛躍[4]。未來的發(fā)展是實物互聯(lián)，智能家居作為最接近我們生活的一個方向，家居自帶無線聯(lián)網(wǎng)功能是未來的趨勢。雖然目前還很難達到，而智能插座的出現(xiàn)將是這個過程中不可或缺的副產(chǎn)品。通過智能插座我們可以控制電器的開關，未來我們將會增加更多的功能，比如監(jiān)控空調(diào)的溫度，監(jiān)控洗衣機的模式，監(jiān)控熱水器等。智能家居的大力發(fā)展將會給我們生活帶來很多便利。

參考文獻：

[1]張敏超.智能小區(qū)周界防盜報警系統(tǒng)的研究與設計[J].電器應用，2012，32（2）：36-38.

[2]肖宛昂，蘇高民，陸廷，等.一種由WiFi智能插座構成的智能家居[J].新器件技術，2014（5）：46-48.

[3] 高靜，段會川.JSON數(shù)據(jù)傳輸效率研究[J].計算機工程與設計，2011，32（7）：2267-2270.

[4] 彭華，何軍.WiFi技術在家庭無線網(wǎng)絡中的應用研究[J].技術研發(fā)，2010，5（17）：15-17.