關(guān)鍵詞：ESP8266,HWPT01,ZHT118F,物聯(lián)網(wǎng)云平臺;

目錄預(yù)覽

0前言

1硬件電路設(shè)計(jì)

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3系統(tǒng)測試結(jié)果分析

4 小結(jié)

0. 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及科技的發(fā)展與進(jìn)步，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座逐漸進(jìn)入市場。該插座能夠接入網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)手機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)對熱水器、傳統(tǒng)空調(diào)等電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)插座僅適用于墻面安裝的插座，而對于拓展用的插排，尚未有成熟的產(chǎn)品上市。因此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能插座設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)以***ATmega328P作為主控制器，對接機(jī)智云平臺，結(jié)合Android APP和Web端實(shí)現(xiàn)對插排的遠(yuǎn)程控制。

1.硬件電路設(shè)計(jì)

采用內(nèi)置模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的ATmega328P單片機(jī)作為智能插排MCU核心，它通過控制ESP8266無線WiFi模塊、隔離繼電器、LCD顯示器、報(bào)警蜂鳴器并結(jié)合電流傳感ZHT118F、電壓傳感器HWPT01、電壓電流采集器實(shí)現(xiàn)了對智能插排的遠(yuǎn)程控制以及過載警報(bào)及功能。

用戶可以在手機(jī)APP端對智能插排進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制開關(guān)，上傳實(shí)時(shí)電流、電壓和功率等參數(shù)信息至云平臺，過載警報(bào)等功能。

各模塊電路設(shè)計(jì)

1.2

(1)ESP8266模塊

成本低、體積小，方便嵌入到設(shè)備中，可運(yùn)行LwIP協(xié)議，支持AP、STP、AP+STP三種模式[2]。它集成了 net、PWM、I2C、GPIO接口，而且支持 LUA 腳本語言開發(fā)，大大降低了開發(fā)難度。

(2)電壓傳感器模塊

它具有一次電壓變二次電壓、保護(hù)電路、測量等作用。

(3)電流傳感器模塊

測量電流的模塊選用ZHT118F,匝數(shù)比為1000∶1,最大可感測5 A電流，由于其輸出電流信號同樣為交流信號，因此，通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號后被單片機(jī)讀取。

(4)電壓/電流采集電路設(shè)計(jì)

該芯片為CS5460,它是一款常用的電能計(jì)量芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對直流以及交流電壓/電流的采集，內(nèi)置的24位高精度ADC也能滿足采集精度要求。CS5460芯片原理圖如圖2所示。

(5)電磁繼電器控制模塊

電壓為250 V、最大電流為10 A,為保證電路安全，通過光耦電路實(shí)現(xiàn)信號隔離。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

顯示屏幕通過SPI總線與單片機(jī)相連，單片機(jī)不具有硬件SPI總線設(shè)計(jì)，編譯器集成有軟件SPI庫文件，僅需按照庫文件的需求初始化SPI總線，即可使用SPI總線通信。設(shè)置顯示屏顯示時(shí)，首先應(yīng)設(shè)置顯示屏初始化，發(fā)送相關(guān)控制指令至顯示屏，設(shè)置光標(biāo)移動方向以及初始顯示位置等信息后才可進(jìn)行顯示操作，顯示程序流程如圖3所示。

先需進(jìn)行SPI總線的初始化，之后向SPI總線發(fā)送顯示屏的控制指令，完成對顯示屏的設(shè)置工作后，向顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)指令，之后顯示屏顯示內(nèi)容，完成一次顯示，再次顯示時(shí)無須重新設(shè)置顯示屏，可直接移動光標(biāo)至指定位置后，發(fā)送顯示數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)顯示屏的顯示功能，完成操作。

2.2 電壓/電流感測及警報(bào)程序流程設(shè)計(jì)

電壓/電流的感測通過CS5460實(shí)現(xiàn)，該電路通過一組四線制通信總線實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的通信，系統(tǒng)通過對芯片的寄存器操作實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀取，其數(shù)據(jù)讀取程序流程如圖4所示。

進(jìn)行電壓以及電流數(shù)據(jù)讀取時(shí)，首先初始化通信總線，之后通過寄存器控制命令將讀取電壓/電流的控制指令寫入芯片的寄存器，之后芯片將啟動轉(zhuǎn)換并將數(shù)據(jù)發(fā)送至輸出寄存器，系統(tǒng)通過讀取輸出寄存器的值即可獲知電路的電壓以及電流數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓/電流值，并相乘計(jì)算有功功率。

聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器設(shè)置

2.3

使用機(jī)智云平臺的服務(wù)器設(shè)計(jì)，該平臺屬于開放式平臺，目前可以免費(fèi)接入10臺設(shè)備進(jìn)行測試，在產(chǎn)品發(fā)布之前將免費(fèi)提供使用服務(wù)，適合本次設(shè)計(jì)使用。

機(jī)智云平臺對ESP8266模塊具有很好的支持，并提供專用的固件程序用于簡化通信設(shè)計(jì)。首先打開機(jī)智云官網(wǎng)，然后登錄機(jī)智云開發(fā)者中心，在下載中心找到模組相對應(yīng)固件，如果平臺未開放您所需的固件，也可以到機(jī)智云官方店鋪去采購，固件下載示意圖如圖5所示。

機(jī)智云提供各常用無線模塊的專用固件下載，針對ESP8266有兩種固件，由于本次不涉及大數(shù)據(jù)處理計(jì)算，因此無須采用支持ECE霧計(jì)算的固件，下載后，利用燒錄器配合專用的燒錄軟件對固件進(jìn)行燒錄。

固件燒錄完成后，可配置聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，登錄機(jī)智云服務(wù)器后，創(chuàng)建新的項(xiàng)目，同時(shí)采用WiFi類型的數(shù)據(jù)傳輸,其余設(shè)置采用默認(rèn)設(shè)置即可。設(shè)置完成后，系統(tǒng)將自動生成產(chǎn)品的PK序列號以及PS數(shù)據(jù)通信密碼，序列號用于識別項(xiàng)目名稱，通信密碼用于進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸加密，工程創(chuàng)建完成后，即可針對各個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建。

2.4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)APP是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控以及系統(tǒng)控制的重要工具，采用機(jī)智云服務(wù)器時(shí)，通過項(xiàng)目可生成集成有通信協(xié)議的以及數(shù)據(jù)打包格式的APP源代碼，僅需在源代碼中添加部分項(xiàng)目信息并編譯，即可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP的設(shè)計(jì)。

其中，ControlModule模塊為設(shè)備控制模塊，用于控制模塊；DeviceModule模塊為設(shè)備模塊，用于控制設(shè)備。本設(shè)計(jì)中，將設(shè)備信息以及數(shù)據(jù)通信設(shè)置添加至對應(yīng)模塊后，即可實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通信。

3.系統(tǒng)測試結(jié)果

完成對硬件電路的搭建以及對軟件程序的編譯后，將軟件程序通過下載器燒錄至單片機(jī)中。系統(tǒng)上電后開始工作，將采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)并通過LCD1602顯示，同時(shí)上傳至服務(wù)器，通過手機(jī)APP進(jìn)行顯示。圖中顯示，當(dāng)前電壓為237 V,電流為0.19 A,此時(shí)功率為46 W,與負(fù)載標(biāo)稱額定功率大致相等，系統(tǒng)檢測結(jié)果準(zhǔn)確，啟動手機(jī)APP,顯示情況如圖6所示。可見，測試結(jié)果與終端顯示結(jié)果相同，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能。

4.小結(jié)

本文提出了一種基于單片機(jī)的智能插座設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對插座的電壓、電流以及功率的檢測等，并能夠?qū)崿F(xiàn)對插座的遠(yuǎn)程控制。依據(jù)傳統(tǒng)插座的結(jié)構(gòu)，通過添加單片機(jī)控制器、LCD1602顯示屏、LCD1602顯示屏、電壓/電流傳感器以及ESP8266 WiFi模塊實(shí)現(xiàn)對插座的控制。

測試結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對電壓/電流的檢測以及功率的計(jì)算、過載報(bào)警功能,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)控制,最終實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的智能插座設(shè)計(jì)。