《基于ESP8266主控芯片的智能插排设计》7200字（论文）

1基于ESP8266主控芯片的智能插排设计目录TOC\o"1-1"\h\u3721基于ESP8266主控芯片的智能插排设计 114535摘要： 121613引言 1268971.绪论 241782.系统总体方案设计 3223263.系统硬件设计 4184344.系统软件设计 9294145.调试与仿真 10208166.结束语 14摘要：智能家居是当今时代研究的热点话题，智能插排是智能家居的关键，用户对各种家居的需求需要更加智能化。本文设计一种以ESP8266为主控芯片的智能插排，将传统插座与ESP8266结合，用户通过手机APP控制或者语音控制将命令传给ESP8266，ESP8266控制继电器的断开闭合，进而实现对电器的控制。同时增加了温湿度传感器检测插排的温湿度，如果插排的温度超过设定的阈值，插排将立即断开并将信息传给用户，可以有效避免发生事故。关键词：ESP8266；APP控制；语音助手控制；温湿度传感器引言21世纪是信息蓬勃发展的时代，互联网的发展对国家社会乃至个人都有着深远的影响。随着物联网等技术的不断发展，人均可支配收入也逐渐增加，信息化的发展在改变人们工作、学习等各个方面习性时，传统家居也面临着巨大的挑战。家居趋于智能化已成为一种趋向而走进各个家庭，而智能插排是实现智能家居非常重要的一部分，而且如今生活节奏逐渐加快，大多数用户都在追求快捷方便的生活，所以一些安全又智能的家居用电器更容易得到消费者的青睐。随着用户与电子产品之间的关联越来越紧密，人们对电子产品的性能品质等要求也越来越严格，由此可见传统的一些家居用品已经不能满足消费者的需求。所以智能化，人性化的家居会是现在及以后的流行趋势，而家用插排是日常家居的一个重要组成部分，是一个家庭必需品。传统家庭用电器之间又是彼此孤立的，用户资源和信息难以共享，随着物联网技术的迅速崛起，特别是物联网网关技术的日益成熟，各家庭用电器之间遥相呼应的问题也亟待解决，本设计中的智能插排可以在一定程度上解决用户对各家庭用电器的使用问题。1.绪论1.1选题的目的及意义妇孺皆知，所谓插排就是带线多位插座。插排在很多家庭中屡见不鲜，因为它可以连接多个电源插头，在一定程度上不仅节省了家庭住宅的空间还节省了很多复杂的线路，但是对于普通家用插排还是存在着一些不足之处。据我国研究调查数据显示，我国统计发生火灾事故中由于电器导致的火灾约占30%，其主要原因是超负荷、短路以及用户忘记切断电源[1,2]。一般情况下会因为线板的超负荷使用，周围温度过高等原因，导致插座会发热甚至引起失火。并且对于普通插排，用户不可以根据自己的使用需求来调整用电器的使用时间，这样不仅会造成用电浪费，而且会增大发生意外的概率。因此，本文针对这些问题，在传统插排的基础上设计了智能化、安全性高的家用插排。由于多种现代技术的蓬勃发展，信息化是实现经济全球化的迫切需求，很多国家都把发展信息技术作为国家发展的侧重点。随着各种新兴技术的快速发展和物联网的普遍使用，当代人的生活、工作等各个方面之间的联系愈来愈紧密，传统家居也面临着严峻的挑战。人们对信息技术紧迫的需求使传统家居变得智能化成为未来发展的一种必然的走向，当然发展中还存在的有一些潜在的问题，因为用户忘记或者其他情况使电器电源长时间待机等使功耗大量流失，导致家庭能源的损耗增加得非常快，造成电能源大量的耗损。有调查研究表明，中国城市家庭的平均待机所消耗的能源大概是家庭总能耗的10％[3]。可见对于具有定时器能和远程控制功能的智能插座的设计与研究有着非常现实的意义。在智能家居的逐渐普及下，人们对于家庭用电器的要求也变得更严格了，对于电源插排而言，它是所有家庭设备用电的主要关卡，也是所有家居能够正常运行的基础和必要环节。因此，多功能、安全性高、智能化、体积小是现如今家用插排发展的必然趋势[4]。本文设计的智能插排可以让用户用起来更加简便，安全，用户可以在工作或者在外旅游等情况时对家里的用电器进行控制，也可以随时查看插座的状态，工作时也可以对家里的插排进行定时，以减少用户下班回到家的一些麻烦。1.2国内研究现状我们都知道人类对电的探索时间还是比较久远的，但是那个时候电并没有得到太多的应用，大概在1880年，爱迪生发明出了电灯以及开关。中国是在1882年左右才开始用电照明代替用煤油灯，在20世纪50年代，家庭用电还非常的罕见，当时的缝纫机的运行还依靠脚蹬。20世纪70年代左右，电灯、电视机开始时兴，人们进门之前都要先拉电线表明着家庭条件比较好，那个时候家庭用的插排仍是构造简单，款式单一的胶木插座。那个时候每个家庭使用的插座数量十分有限，可能家里电视的插头用户很长时间都不会拔掉，有不少家庭都选择使用柜子家里插座遮住。在我国早期，某品牌插座最早在插座上加上按钮开关，目前我国市场大多数的插座用的开关都还是最初设计的结构，这种按钮开关简单而且实用。2010年中国在普及插座的同时也在插座使用的安全性能上面做出相关法令法规，那时候插座已经随时随地可以买了，插座被国人广泛使用，但是每年依然存在因为用户使用低劣假冒的插座引起火灾的状况发生，现在最常见的家用插排都是用户手动控制开关按钮，而且如果用户不在家就不能对插排实施任何操作，当大人不在身边孩子还会有极大的可能去触摸正常通电的插座，这种情况也是非常危险的；或者在仲夏时期，温度很高，家庭用电也会急剧增加，那么插排很可能会超负荷使用或者插排温度非常高，引发火灾。随着社会不断发展，到后来我国抵制生产不符合规定的插座，也号召用户不使用存在问题的插座，但是目前使用的都是传统插排，用户在使用过程中无法知道插排此时的工作状态以及是否存在安全隐患，只有当危险发生时才能意识到问题，如果使用不当的话，插排就相当于一颗潜在的“炸弹”，所以插排还需要有很大的改进。当前，信息技术不断创新，发展速度非常迅猛，在推进经济发展、促进国家治理和能力现代化、满足人民的美好生活需要方面扮演着中心枢纽的角色。智能家居一定会成为将来家居用品的发展走向，而智能插排是实现智能家居的重要环节，因此智能插排的研究将成为当务之急。2.系统总体方案设计本设计主要是设计一款基于ESP8266的智能插排，此智能插排主要分为电源转换模块、ESP8266最小系统、继电器驱动模块、温湿度检测模块，该设计以ESP8266为控制核心，将传统插座与ESP8266WiFi模块相结合，用户可以通过手机APP或者智能语音助手实现远程控制插排，用户通过手机将命令传给ESP8266最小系统，ESP8266可以控制对应继电器的闭合，从而实现插排对家庭用电器的控制，满足用户对家庭用电器的需求，这样使其与传统插排相比更为简洁便利。此外，本智能插排能够根据用户的使用需求对插排上的插孔分别设定使用时间，这样可以使不同的家庭用电器根据用户的使用需求不同有不同的使用时间。这种方式既可以有效的避免电能资源的浪费[5]，又能在很大程度上减小火灾等意外的发生。同时插排在使用时能够利用温湿度传感器检测当前插排的温湿度，用户也可远程通过手机APP看到插排的实时温度与湿度，当插排的实时温度超过预设的阈值时，ESP8266会立刻切断电源然后通过手机APP向用户发送警告，防止温度过高，发生意外事故，对用户造成较大的损失。系统总体框图如图1所示。图1系统总体框图3.系统硬件设计本系统的硬件部分主要可分为四个模块，分别是ESP8266最小系统、电源转换模块、继电器驱动模块、温湿度检测模块[6]。具体原理图如附录所示。3.1ESP8266最小系统本设计为实现智能插排能够通过手机APP以及语音控制助手控制的功能，在选择主控芯片时有两种方案，第一种是采用Arduino与ESP8266相结合的方法完成，第二种是采用ESP8266最小系统板作为控制核心。在设计过程中发现Arduino+ESP8266之间的通信受外界的干扰比较大，通信不够稳定，所以放弃使用第一种方案。经过查找很多文献资料发现第二种方案使用的ESP8266本身内部有超低功耗的32位微型MCU，其CPU时钟速度高达160MHz，它有智能联网功能，通信过程也比较稳定，所以完全可以满足此智能插排的要求，因此本设计最终选择使用ESP8266作为控制核心。主控制器ESP8266如图2所示。与其他芯片相比，它是一种高性能的无线系统级芯片，它的成本虽然比较低廉但它的实用性很强，不仅能够自己工作，还能作为从机搭载别的Host工作。它是成本相对较低的一种Wi-Fi微芯片，同时ESP8266高度片内集成，它在使用时需要非常少的外围电路，这样初学者使用起来也会比较轻松。ESP8266还兼备微控制器的功能，可以和所有Wi-Fi网络建立连接。ESP8266还有STA、AP、STA+AP这三种工作模式[7,8]，能够实现用户的设备与Wi-Fi无线网络连接然后进行通信，也让Wi-Fi功能能够很方便地嵌入到其他系统中。其内部拥有的高速缓冲存储器在一定程度上能够提升系统的整体性能，ESP8266的片上处理以及存储能力都很强，在运行中降低了系统数据资源的利用率，可见这个无线透传模块非常适合用于物联网以及智能家居的Wi-Fi模块。ESP12E原理图如图3所示。图2ESP8266实物图图3ESP12E原理图3.2电源模块本设计需要两种供电电压，一种使继电器使用的5V直流电，另一种是低压模块使用的3.3V直流电[9]。在本设计的电源模块使用AC-DC转换模块使交流电转为5V直流电给继电器供电，智能插排的各个低压模块的供电部分是由低压差线性稳压芯片将5V直流电转换成3.3V直流电提供。本设计的降压转换模块采用AC-DC降压稳压电源模块，如图4所示。该模块与其他产品相比它有着优越的输出短路和过流保护，而且不需要再外接电路就可以工作，体积小但功率密度大。该降压模块输入电压范围为交流75V至275V，输出电压恒定在直流5V，输出电流600mA。在设计时为了使输出的电压电流稳定，在稳压芯片的输入和输出两端加了起滤波作用的电容，另外在交流输入端添加了一个起着保护电路的作用的1A的保险丝。图4AC-DC模块实物图系统的其他低压模块的工作电压是3.3V，本设计经过与其他模块相比AMS1117模块安全系数更高，内部有过热保护以及限流电路，避免因为环境温度使得实际工作温度过高，所以对于本设计选择AMS1117模块再合适不过了，如图5所示。在该系统中使用了固定输出电压3.3V的AMS1117模块，其稳定工作电压最大能到12V左右，输出电流高至1A。在设计时选择在该降压模块的输入端放置一个10μF的电容，在输出端接一个22μF的钽电容，其主要作用是遏制在外部没有激励信号的情况下电路产生的连续振荡。图5AMS1117模块实物图3.3继电器驱动模块由于继电器的供电电压和ESP8266模块的供电电压不相同，所以为了使继电器和ESP8266模块两旁的电压达到均衡，有两个方案可以选择：方案一是采用三极管驱动；方案二时采用光耦隔离的方式。但因为方案一使用三极管其抗干扰能力较弱有误触发的可能，与光耦隔离的方式相比不太稳定，光电耦合器的电隔离和抗干扰两方面的能力都比较出众，且它的共模抑制大，具有极佳的减少了干扰和消除噪声的优点，通过对比本设计最终选择采用光耦隔离的方式使两边的电压均衡。光耦隔离就是一种采用光耦合器进行隔离。它是用光充当媒介传输电信号，其输入和输出端是电绝缘的，当将设备的输入和接收电信号都添加到设备的输入端发光装置LED，LED接收到就会亮起，接收光的设备将光信号转换成电信号，然后直接输出或放大后再输出，该转换过程实现了"电-光-电"的数字电平转换和传输。采用光耦隔离电路就可以让被隔离的两个电路没有电的接触[10]，这样就可以有效地避免对系统产生不必要的干扰。本文采用三路光耦隔离继电器驱动模块，如图6所示。在此系统中该模块采用的是高电平触发模式。在系统设计时在电路中添加了吸收电路，即在继电器线圈反向并联一个二极管[11]，用来吸收继电器有吸合状态转化到切断时在线圈两端形成的尖峰电压。继电器的驱动电路通过三极管实现[12,13]，三极管基极是高电平时，三极管饱和导通，此刻继电器线圈通电吸合，插排将正常通电。图6继电器实物图3.4温湿度传感器模块由于用户在使用智能插排时，绝大多数情况下用户都不在旁边的，那么当用电器的使用功率过大时，温度升高，存在很大的安全隐患。为避免这种不安全状况发生，本设计在传统插排的基础上添加了温湿度检测功能。采用温湿度传感器精确检测插排的实时温湿度[14]，并且与ESP8266模块连接及时给用户反馈数据。通过对温湿度传感器采集到的温湿度数据与用户预设的阈值对比，当插排温度超过预设的工作温度，此温度传感器就会把信号传给ESP8266模块，ESP8266会发送指令控制继电器切断智能插排，同时通过手机APP给用户发送信息告知用户，防止发生更糟糕的事件。本设计采用DHT11温湿度传感器模块，如图7所示。它是由高精度的电阻式湿度传感器件和电阻式热敏测温传感器件组成，其功耗与其他传感器相比很低，最大电流不超过0.5毫安，但是灵敏度很高，且是数字信号精准输出，测量误差上下波动比较小。主要采用双向串口通信方式，仅需一个I/O口就可以与8位单片机进行单总线通信，即只需要一条数据线与微处理器进行数据交换和控制，通过传感器采集到的温湿度数据以高位先出的原则一次性传输到ESP8266模块。本文设计时还放置了一个上拉电阻且在DHT11的电源引脚中间加上能去耦滤波的电容。图7DHT11实物图4.系统软件设计本系统软件设计部分使用的开发环境为Arduino，使用Arduino的各种库函数进行开发，编程语言为C++，使用起来效率特别高，适应性也比较强。程序按模块可分为联网模块代码、定时开关模块代码、通信模块代码、温度检测模块代码。本系统的设计流程是系统先成功连接用户设定的Wi-Fi网络，连接成功后系统检查用户是否发送语音或者是按键控制信号，当检测到用户发送的控制信号就执行相应得操作，如果用户没有发送信号，不执行任何操作。用户也可在手机APP给对应插座设置定时任务，APP会发送消息给服务器，定时时间一旦到了服务器就会给ESP8266发送指定，从而控制插排的开关状态。温湿度检测放在主循环里面，每隔很短的时间就会重新检测一次，当温度超过设定的阈值，该插座就会自动断电，同时通过手机APP给用户发送警告。整体系统程序流程图如图8所示。图8系统整体程序流程图5.调试与仿真5.1系统调试由于该设计连线较少，所以为了方便验证和测试性能，即将各个模块的电路在洞洞板上进行连接走线，然后在洞洞板上进行测试各个功能是否实现，测试环境如图9所示。本设计中三个继电器分别接ESP8266模块的D0、D1、D2引脚，即D0控制的是插排的第一个插孔，D1控制的是插排的第二个插孔，D2控制的是插排的第三插孔，继电器上的灯亮就代表闭合，对应的插排插孔就通电。图9测试连接图5.1.1手机APP控制本设计的手机APP采用点灯blinker软件，其测试页面如图10所示。开始测试前，打开手机的Wi-Fi热点使智能插排与其建立连接，连接成功后，用户就可以在手机上看见插排的状态及数据。在APP主界面显示的主要信息有实时温度，实时湿度，三个控制插排插孔的按钮。三个插孔的实时状态也会在手机APP上显示，可以让用户随时随地查看也防止用户遗忘对应插孔是否在工作状态而产生误操作。由于本设计的继电器是高电平触发，若此时插排的状态为“off”，用户可以按下对应插孔的开关按钮，则继电器的信号触发端会收到电平信号，继电器吸合，插座开关闭合，此时电路接通，对应的插排插孔将通电正常工作，APP界面显示该开关的状态也就由“off”变为“on”；若此时插排的状态为“on”，用户可以按下对应插孔的开关按钮，则继电器的信号触发端会收到电平信号，继电器断开，插座开关断开，此时电路不再接通，对应的插排插孔将断电不再工作，APP界面显示此时该开关的状态也就由“on”为“off”。APP上也有语音控制的功能，它是和开关按钮实现同样的效果。同时用户还可以在APP上根据自己对用电器时间的不同需求对用电器的使用时间进行设定，操作页面如图11所示。当达到设定时间相应的插孔便会自动开关[15]，这样就可以使工作繁忙的用户能够节省时间也能够避免发生火灾等意外。图10插排“on”状态手机APP界面图11定时任务界面5.1.2手机语音助手控制插排本次设计使用常见的手机语音助手控制插排，如图12所示。首先要对语音助手进行训练，当用户说出“打开开关一”，那么语音助手就会把信号传给ESP8266，ESP8266则会执行相应的操作，打开插排上的第一个插孔，使其通电供用电器使用。若此时对应开关已经正常通电，用户如果再说“打开开关”，语音助手会先检测到此时的开关状态，当检测到此时开关已经在工作了，则不会执行开启开关的操作。图12语音助手控制界面5.2结果分析智能插排成品如图13所示。本设计通过Arduino软件编写系统程序，实现了系统的多种预设功能。用USB与测试版上ESP8266模块的串口通信接口相连接便可以实现电脑与最小系统的通信，有利于从系统中将数据传输到电脑进行分析并及时进行调整。通过多次实验证明。手机APP与该系统之间通信良好，手机APP能够准确控制插排的状态，而且通过测试发现温湿度反馈正常