李歡歡 嚴(yán)金花

摘要：針對(duì)當(dāng)前市面上的智能插座價(jià)格高、推廣難的問題，本文提出了一款基于微信小程序智能插座的設(shè)計(jì)，主控芯片選用arduino，WiFi模塊采用樂鑫公司生產(chǎn)的芯片ESP8266-01S，加上繼電器模塊和電源模塊，構(gòu)成了硬件電路的設(shè)計(jì)，通過arduion的ESP8266 Module開發(fā)板完成軟件程序編寫，采用SmartConfig模式完成智能配網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)微信小程序?qū)χ悄懿遄耐〝嚯娍刂啤?/p>

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);微信小程序;智能插座

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和智能家居理念的深入人心，人們將電腦芯片以及WiFi、藍(lán)牙等無線通訊協(xié)議芯片引入插座領(lǐng)域，使得人們對(duì)插座可以進(jìn)行定時(shí)和遠(yuǎn)程控制，形成了與傳統(tǒng)插座不同的智能插座。智能插座的發(fā)明在很大程度上提高了電器使用的安全性、便捷性和智能化。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和智能家居理念的深入人心，市場(chǎng)上的智能插座也五花八門，但大多都是APP+硬件的模式。這一類智能插座的主要問題有：（1）價(jià)格高。目前市面上的智能插座都是基于APP+硬件，而APP開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)麻煩，并且需要開發(fā)兩個(gè)版本來適應(yīng)安卓系統(tǒng)和osi系統(tǒng);（2）推廣難。推廣裝機(jī)較難，要想使用智能插座，得先下載APP，而APP第一次使用下載需要較多的流量和時(shí)長(zhǎng)，每次使用時(shí)加載較慢，APP占用手機(jī)內(nèi)存和運(yùn)行空間，難于管理。

1總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用硬件電路+軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)微信小程序控制家用電器，用戶在家時(shí)，可使用微信小程序，通過路由器連接WiFi，控制智能插座的開關(guān)來控制用電設(shè)備的通斷電;而在室外，用戶通過云端來控制用電設(shè)備的通斷電。硬件電路設(shè)計(jì)前，需要考慮清楚實(shí)現(xiàn)最終的結(jié)果，要用到哪些模塊，各模塊的元件怎么選擇，各個(gè)模塊之間如何聯(lián)系等問題。軟件設(shè)計(jì)主要包括通訊程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)。

2硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要有單片機(jī)模塊、WiFi模塊、繼電器模塊以及電源模塊四個(gè)部分組成。

主控芯片選用arduino，它由一個(gè)基于簡(jiǎn)易單片機(jī)并且開放源碼的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成[1]。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，如可讀取或接收用電設(shè)備的唯一身份信息（類似于身份證）并存儲(chǔ)在自定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，以便通訊。

WiFi模塊采用樂鑫公司生產(chǎn)的芯片ESP8266-01S，它是專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。我們采用出廠固件的AT指令通過單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

繼電器是一種電源控制器件，是當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（輸入回路）和被控制系統(tǒng)（輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一，故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

電源模塊是將220V的交流電降為3.3V的直流電供ESP8266和繼電器供電，通過繼電器連接插座。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用arduino編寫軟件程序，在arduion的IDE中，可以找到ESP8266 Module開發(fā)板進(jìn)行程序的編寫，主要包括通訊程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)。

通訊程序設(shè)計(jì)包括arduino和ESP8266通訊，ESP8266和服務(wù)器（路由器）通訊，服務(wù)器（路由器）和微信小程序通訊這三個(gè)部分。arduino通過AT指令控制ESP8266動(dòng)作，完成指定通信任務(wù)，難點(diǎn)在于串口數(shù)據(jù)的接收緩存，AT指令的解析，接收并緩存的操作與解析組包處理的操作要獨(dú)立分開[3]。ESP8266和服務(wù)器的通訊可采用MQTT通訊協(xié)議，通訊方式為TCP，ESP8266進(jìn)行MQTT相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送和解析，斷線重連，發(fā)送消息，通過AT指令控制相關(guān)數(shù)據(jù)流。服務(wù)器（路由器）和微信小程序的通訊方式為TCP，數(shù)據(jù)到達(dá)服務(wù)器（路由器）后，服務(wù)器（路由器）進(jìn)行數(shù)據(jù)的重構(gòu)，業(yè)務(wù)端訪問數(shù)據(jù)可以通過HTTP的方式進(jìn)行。

控制程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)在arduino對(duì)AT指令的發(fā)送、接收與解析。AT指令本質(zhì)上是ASCII字符串，發(fā)送AT指令就是arduino的串口發(fā)送字符串。只需要在程序需要的地方發(fā)送字符串即可，比如入網(wǎng)，連接服務(wù)器，發(fā)送指定的數(shù)據(jù)等。接收時(shí)需開辟一個(gè)數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)防止漏掉個(gè)別信息，使用環(huán)形隊(duì)列來管理此接收緩沖區(qū)，在程序需要的地方讀取緩沖區(qū)里面的內(nèi)容即可。AT指令的解析就是對(duì)ASCII字符串的解析。服務(wù)器傳過來的數(shù)據(jù)先由模組解析，模組通過串口線發(fā)送給arduino[3]。

在實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)時(shí)，可采用SmartConfig模式，因我們采用的是樂鑫公司生產(chǎn)的ESP8266-01S，故我們采用樂鑫自主研發(fā)的ESP TOUCH一鍵智能配網(wǎng)工具實(shí)現(xiàn)智能配網(wǎng)，我們只需在手機(jī)上配合硬件產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作即可實(shí)現(xiàn)智能配網(wǎng)連接Wi-Fi路由。

4結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過微信小程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程智能化控制，將傳統(tǒng)的家用電器插到智能插座上，通過操控智能插座控制家用電器的通斷電?；谖⑿判〕绦虻闹悄懿遄芨媒鉀Q目前智能插座成本高、推廣難的缺點(diǎn)，以更廉價(jià)、更簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制，讓所有用戶都有種新鮮體驗(yàn)感。

參考文獻(xiàn)

[1]胡長(zhǎng)鵬、馬海霞、林思敏、李中興、黃國(guó)健.一種基于WiFi無線通訊的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021，（08）：70-73.

[2]劉建文、姚松麗、陳鴻、林永洲.基于WiFi控制的智能插座設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，（11）：71-72.

[3]過琦芳、孟穎、應(yīng)歡雷、方彬.基于WiFi的智能插座的研究[J].設(shè)計(jì)研發(fā)，2021，（10）：18-20.