吳榮森

摘 要：家居用品正朝著智能化方向不斷發(fā)展，智能化家居用品的推廣和進步給人們的生活帶來了極大的便利，但是由于缺乏共同的終端控制平臺，智能家居用具難以實現(xiàn)統(tǒng)一管理。文章通過提出基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座設計方案，以智能監(jiān)測與控制兩大需求為基礎，設計了WiFi數(shù)據(jù)、指令和傳輸功能模塊，進而闡述了該物聯(lián)網(wǎng)智能插座的設計與實現(xiàn)方式。

關鍵詞：WiFi通信；智能插座；設計

智能電子設備的不斷進步和發(fā)展，必然會提升智能設備的使用率，諸如智能移動設備、智能家居等設備發(fā)展極為迅速。物聯(lián)網(wǎng)作為一個互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡的信息載體，能夠使物理對象實現(xiàn)網(wǎng)絡互通，近年來，很多智能家居設備都是基于物聯(lián)網(wǎng)技術來設計和使用的。物聯(lián)網(wǎng)雖然能夠使家居設備和系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、智能化管理，但是依然需要依靠更為先進的終端插座作為根本保障，插座是所有家用電器需要使用的電源設備，插座的有序智能管理，對于實現(xiàn)智能家居設備的統(tǒng)一智能管理具有舉足輕重的作用[1]。本文首先通過提出具體設計方案，實現(xiàn)智能化的功能設計，再進行相關實驗測試，以證實本方案的可行性。

1 基于WiFi的智能插座的功能模塊設計

1.1控制器設計

控制器可利用AVR ATmega16，它具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存以及512字節(jié)EEPROM，在功能上有較為優(yōu)越的條件。此外，AVRAVR ATmega16通用輸入接口和寄存器達32個之多，是較為精準的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可利用編程配置直接對外接晶體振蕩器進行信號傳導[2]。

1.2通信模塊設計

通信模塊采用WiFi為主體的通信設計，WiFi相對于傳統(tǒng)的藍牙傳輸?shù)刃问骄哂休^多的獨特性優(yōu)勢。（1）當前WiFi技術較為成熟且應用廣泛，擁有較高的普及率，現(xiàn)在任何智能終端設備都有WiFi功能，便于實現(xiàn)操作和管理。（2）通信范圍、距離較廣，先進的無線路由器能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的通信傳播，打破空間限制。（3） WiFi傳播速度較快，使用方便快捷，而且WiFi芯片價格不貴，技術也較為成熟。

1.3 WiFi設備選擇

本文選擇較為常見的USR-WiFi232模塊。該功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單片機和無線終端設備或者WiFi路由器的同時連接，而且能夠在安裝伊始就可設置并保存網(wǎng)絡設置，WiFi的網(wǎng)絡協(xié)議為TCP/IP協(xié)議，能夠保障網(wǎng)絡數(shù)據(jù)在傳輸過程中透明、安全，進而減少系統(tǒng)設計中其他項目的障礙。

1.4 WiFi通信模塊參數(shù)配置

一般來說，USR-WiFi232的模塊是支持串口和無線連接來進行參數(shù)配置的。比如，通過串口進行參數(shù)配置時，可使WiFi232的USART與ATmega16的USART接口直接連接，以此對接口函數(shù)進行設置，并且通過單片機發(fā)出指令，從而改變該模塊的整體參數(shù)設置。通過無線連接來更改參數(shù)，主要是通過插座的AP重置的方式來進行智能插座的初始設置，用戶能夠使用無線電腦或者手機與智能插座完成連接，直接在智能終端進行參數(shù)設置。

1.5 WiFi無線通信芯片設計

WiFi無線通信設備的芯片是WiFi熱點正常工作的保證，一般該芯片同MCU-起與串口通信協(xié)議進行連接，MCU控制芯片的運行，實際上WiFi通信模塊是嵌入式硬件設備與無線網(wǎng)絡連接的重要橋梁。物聯(lián)網(wǎng)智能插座一般采用頻段為2.4 GHz的WiFi通信模塊ESP8266。這種ESP82的通信模塊是一款高度集成的針對無線連接需求而開發(fā)的芯片，由于ESP8266芯片是高度片內(nèi)集成的，因此，不需要太多的外部電路，這種設計方案能夠最大程度縮減電路板的占用空間，此外，ESP8266芯片內(nèi)部使用的是LWIP協(xié)議，因此，用戶只能夠直接使用DART接口來發(fā)送簡單指令，完成WiFi網(wǎng)絡的使用。WiFi通信模塊電路原理如圖l所示。

2 基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座電源模塊設計

2.1電源狀態(tài)監(jiān)測模塊設計

智能插座的設計必須滿足機房的安全監(jiān)測要求，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制家電設備的電源通斷，家用電器的運行狀態(tài)可大致分為開啟和關閉兩種狀態(tài)，監(jiān)測模塊的設計及作用主要表現(xiàn)在通過智能傳感完成電源狀態(tài)的實時監(jiān)測，可設計一種利用電流互感、電流采樣、AD轉(zhuǎn)換的方案，設計出一種功率檢測效果好、可擴展性強的智能插座。

如果家用電器保持關閉時，智能插座的負載電流為最小值，當電氣運行時，負載電流會隨之增大，在設計時，要考慮提前設計好電力的具體閾值，設置在電氣關閉時，小于既定閾值，視為電源關閉，大于則為電源開啟，從而實現(xiàn)插座的自動運行。

2.2遙控開關模塊設計

在電磁繼電器與單片機的連接基礎上，可設計出遙控開關模塊，電磁繼電器控制命令信號是通過單片機得出的，本次設計方案中.采用標準電壓為220 V的繼電器（最大負載電流為10 A），這也是國內(nèi)家用電器的基本供電需求。繼電器的一個特點就是通過小股電流來操控大電流，當輸入量值達到閡值時，繼電器對于電流控制量會產(chǎn)生相應的變化，因此繼電器在自動化領域應用較為常見，加上繼電器具有隔離作用，能夠發(fā)揮保護電路安全的作用。繼電器的種類有很多，按照繼電器的工作特性可分為電磁型繼電器、溫度型繼電器以及時間型繼電器等類型。而根據(jù)繼電器的負載類型就可分為大、中、微功率繼電器。

不同型號的繼電器負載能力也各不相同，在基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座設計方案中，最為常見、效果最好的應該是電磁型繼電器。電磁繼電器一般是由銅芯線圈、硅鋼鐵芯、觸點彈片、磁性銜鐵等部件組成的，使用過程中，可在控制端的電路設置既定電壓值，內(nèi)部的銅芯線圈會根據(jù)電流變換產(chǎn)生電磁效應，進而將銜鐵吸引使其與觸點吸合，完成對被控制端的電路導通工作，如果切斷控制端電路電壓，線圈會停止產(chǎn)生電磁，被控制端電路就會斷開，達成遙控開關的設計要求。

2.3電源模塊的設計

智能插座的系統(tǒng)需要穩(wěn)定的電源供應，基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座耗電量小，因此需要較低電壓的直流供電電源，需要設計使用電源模塊，強化插座的功能，比如可以設計一種USB充電模塊。USB充電模塊的輸出接口為標準的SV直流額定電壓，USB充電模塊能夠為大多數(shù)電子設備進行充電，能夠滿足用戶基本充電需求，而且USB模塊能夠配合手機等智能終端設備，實現(xiàn)電子設備的定時定量充電和防止電池過充而損壞電池的要求。

此外，還可設計一種電源管理模塊，通過該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)智能插座的自動化控制，并提供電壓穩(wěn)定的直流電源，在設計中，要注意通過智能插座插頭引入220 V交流電源，將電壓交流電通過AC-DC來更改模塊電路，換成電壓值為SV的直流電源，保證電壓穩(wěn)定安全。

3 基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座設計實驗

3.1設計邏輯分析

在該設計方案中，設計了較為完備的無線連接配置，WiFi功能模塊能夠通過與家用智能終端的連接實現(xiàn)智能化管理。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在兩點，首先，WiFi模塊的智能插座能夠通過簡單的數(shù)據(jù)傳感，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芄芾斫K端，為家用電器的統(tǒng)一管理提供了便利；其次，通過WiFi模塊能夠?qū)崟r接收家用智能終端的控制信息，便于全方位地掌握家居電器的運行狀態(tài)，實現(xiàn)家居電器的智能化管理。

3.2 AD轉(zhuǎn)換情況

該方案的設計思路是通過下達指令的方式來觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，當單片機得到指令時，就能夠自動觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，并計算具體結果，結算結果能夠通過WiFi模塊向外轉(zhuǎn)出。ATmega16單片機的ADC輸入接口與通用10接口PA （0-7）復用。在試驗時可選用PA5作為主要AD輸出接口。3.3擴展接口與功能測試

ATmega16的ADC和10接口數(shù)量較多，如果要對智能插座進行功能添加時，有較多的發(fā)揮空間，如果需求增加，可適當添加傳感設備，豐富智能插頭的功能，如，當面對輸出量為模擬信號的傳感器時，依照當時測出的電壓幅度，并對輸出電壓進行相關處理和采樣，再將其接入到?jīng)]有使用的或空余的ADC通道接入口，完成AD轉(zhuǎn)換。在面對輸出量為數(shù)字信號的傳感器時，即可通過對傳感器測出的數(shù)字信號進行直接讀取的方式，完成AD轉(zhuǎn)換。

在功能測試中，重點放在智能插座的功能設計和實現(xiàn)狀況，首先要做到智能插座的運行要保證用戶能夠給實現(xiàn)與智能插座的雙向連接和數(shù)據(jù)交換。在進行功能測試時，首先檢驗控制命令是否能夠做到完美切換和發(fā)出，用戶可發(fā)出指令，檢驗家電是否得到相應的反應。其次，對查詢命令進行校驗，比如用戶對用電器工作狀態(tài)進行查詢時，查看ADC開啟并完成轉(zhuǎn)換的情況，以確保轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是從智能插座出發(fā)，并送達智能家居網(wǎng)關。另外，還可建議用戶在電腦中安裝軟件客戶端，作為智能家居網(wǎng)關，并直接連接智能插座的WiFi，用戶能夠使用客戶端上面的測試程序，對智能插座發(fā)送控制命令以及接收智能插座傳來的數(shù)據(jù)進行檢驗。檢驗在操控過程中，通信、控制電源通斷、檢測用電器工作狀態(tài)的功能都能夠良好運轉(zhuǎn)，如測試達到標準，即證明方案具有可行性。

4結語

總之，雖然智能化家用電器普及率不斷升高，但是在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，不同標準的智能電器始終無法滿足統(tǒng)一化管理。面對這些問題，本文從實現(xiàn)智能化插座升級設計著手，設計出基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)插座設計方案，通過功能模塊的設計和軟、硬件的選擇，闡述了一種功能齊全、運行穩(wěn)定的智能插座的設計方案。并經(jīng)過對功能試驗和邏輯分析，驗證了方案的可行性。該設計方案基本滿足了智能插座的功能需求，而且有著較為廣泛的可擴展性，能夠應對未來更多的使用需求，可基于此方案進一步擴充完善智能插座的功能，以更好地提升這種基于WiFi的互聯(lián)網(wǎng)的智能插座的應用效果。

[參考文獻]

[1]李朱峰，劉春貴基于WiFih/J物聯(lián)無線智能插座[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè)，2014 （2）：91-92

[2]孫強基，于物聯(lián)網(wǎng)技術的新型智能插座設計[D]西安：西安工業(yè)大學，2016