馮冬雷，黃一清

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院 電子工程系，江蘇蘇州，215009）

1 整體方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使視障人群能無障礙操作使用本插座系統(tǒng)，滿足低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高易用性、高可靠性的要求。主控單片機(jī)選擇ESP8266單片機(jī)，于開源電子原型平臺(tái)Arduino上完成原型設(shè)計(jì)。插頭處的方波認(rèn)證信號(hào)由NE555時(shí)基集成電路產(chǎn)生，用于維持插頭斷電時(shí)物聯(lián)網(wǎng)喚醒功能，于插頭內(nèi)集成鋰電池及TP4056鋰電池充放電電路，電路系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 磁吸插座電路系統(tǒng)框圖

1.1 主控芯片選型

作為一款具備物聯(lián)網(wǎng)功能的插座，主控系統(tǒng)需具備通信功能，以及低功耗、高兼容性等特征，因此我們?cè)谥骺剡x型方面投入了較大精力。在設(shè)計(jì)之初，計(jì)劃采用STC89C52芯片作為硬件核心，通過HC-08串口藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的通信，該方案具有較低的成本，但由于單片機(jī)與通信模塊為分體設(shè)計(jì)，因此體積較大，且家庭網(wǎng)絡(luò)中通常不具有藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，因此需額外添置，增加了整體的使用成本。

在查閱大量資料后，更換使用ESP8266芯片作為硬件核心，ESP8266是一款由深圳安信可科技開發(fā)的內(nèi)置32位低功耗單片機(jī)的無線WiFi模塊，支持802.11 b/g/n，因此廣泛應(yīng)用于智能家居設(shè)備，該芯片同時(shí)具備低功耗、高兼容性、高集成度，非常符合本設(shè)計(jì)的需求。

1.2 磁吸插座系統(tǒng)

目前國內(nèi)外也有一些為視障人群設(shè)計(jì)的插座輔助工具，多為導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，利用特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌引導(dǎo)插頭進(jìn)入插孔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格低廉，但是該結(jié)構(gòu)只適用于雙孔插頭，大功率電器使用的三孔帶地線的插頭無法使用，因此我們決定設(shè)計(jì)一款適用于三孔插座的磁吸式插座系統(tǒng)以此解決視障人群使用大功率電器的問題。

設(shè)計(jì)之初選定了稀土永磁體作為磁吸觸頭主體，但是永磁體磁性較弱容易脫落，因此計(jì)劃設(shè)計(jì)一種吸附后自動(dòng)閉合落鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)大幅增加了設(shè)備體積以及增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，因此開始尋找一種更好的解決方案。最終，選擇了一款工業(yè)用電磁鐵作為主體，該電磁鐵具有8kg的靜吸力，足以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

1.3 插頭吸附檢測(cè)

磁吸式插頭由于接觸面裸露在外，會(huì)存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)計(jì)插頭吸附檢測(cè)，在確認(rèn)插頭已正確吸附后再進(jìn)行送電。吸附檢測(cè)部分，借鑒參考了當(dāng)前手機(jī)快充系統(tǒng)判斷快充設(shè)備的邏輯，由NE555時(shí)基芯片產(chǎn)生定值方波，當(dāng)插頭正確吸附后，插座通過觸點(diǎn)接收到該方波后再進(jìn)行送電，以此保證了使用中磁吸插座的安全。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)交互

視障人群在使用家用電器時(shí)，時(shí)常難以尋找到電器插頭及對(duì)應(yīng)插座，需靠摸索來尋找，極不方便，同樣可能帶來安全問題，因此引入時(shí)下熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，輔助視障人群更好的使用電力。

目前國內(nèi)應(yīng)用最廣、部署最簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)是由小米科技開發(fā)的小米智能家居系統(tǒng)（小愛同學(xué)），因此將插座與插頭均接入小愛同學(xué)，視障用戶可通過呼喚小愛同學(xué)快速定位插座插頭以及實(shí)現(xiàn)電器的語音遙控，極大地增加了視障用戶使用電力的便捷性。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 磁吸插座機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插座部分底部設(shè)計(jì)兼容標(biāo)準(zhǔn)86型面板盒。插座整體為圓角矩形設(shè)計(jì)，頂端中心為磁吸觸點(diǎn)，可見三環(huán)鍍金彈片，當(dāng)插頭吸附后，彈片受力形變，與插頭觸點(diǎn)緊密貼合，以防止接觸不良及減小接觸電阻。位于三環(huán)彈片正中的是電磁鐵，該電磁鐵可提供8kg的靜吸力，可防止插頭意外脫落造成危險(xiǎn)，同時(shí)電磁鐵也作為插頭吸附檢測(cè)的觸點(diǎn)，接收由插頭發(fā)送的方波認(rèn)證信號(hào)并傳輸給單片機(jī)進(jìn)行判斷。位于三環(huán)彈片外圍的是引導(dǎo)盤通過與插頭匹配的外形引導(dǎo)插頭精確吸附。在磁吸觸點(diǎn)左側(cè)，是吸附解除開關(guān)，當(dāng)使用者需要取下插頭時(shí)，按下接觸開關(guān)，插座將斷開主觸點(diǎn)供電及斷開電磁鐵，此時(shí)可取下磁吸插頭。磁吸插座截面如圖2所示。

圖2 磁吸插座截面圖

2.2 磁吸插頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插頭外形部分采用鐘形設(shè)計(jì)，使之具有良好的握持手感，外部環(huán)繞一圈紋理，在防滑的同時(shí)兼顧美觀。插頭頂端為了便于接線，為可拆卸設(shè)計(jì)，在頂端中心留有出線孔。環(huán)繞出線孔數(shù)圈的是同心圓鏤空紋理，作為出音孔，當(dāng)呼喚小愛同學(xué)查找該插座時(shí)，位于插座內(nèi)部的蜂鳴器將以一定規(guī)律鳴叫，聲音通過出音孔傳出。在插頭底部，是大面積的三環(huán)觸點(diǎn)，此為主電源觸點(diǎn)，分別為交流L、N、PE，根據(jù)國標(biāo)，該觸點(diǎn)設(shè)計(jì)通過電流為10A。位于三環(huán)觸點(diǎn)中心的，是用于與插座部分電磁鐵吸引的鐵片，同時(shí)該鐵片也作為插頭吸附檢測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)觸點(diǎn)，當(dāng)與電磁鐵緊密吸合后向插座單片機(jī)傳輸方波認(rèn)證。磁吸插頭截面如圖3所示。

圖3 磁吸插頭截面圖

3 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

3.1 磁吸插座電路設(shè)計(jì)

磁吸插座部分電路需完成智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程響應(yīng)及發(fā)聲定位和產(chǎn)生插頭吸附檢測(cè)用的方波。主控芯片選用集成有一塊ESP8266單片機(jī)的ESP8266 Lua WiFi V3開發(fā)板。

為防止誤觸插座磁吸觸點(diǎn)部分發(fā)生危險(xiǎn)，本插座設(shè)計(jì)有吸合檢測(cè)，若無插頭接入則不送電，該流程由中間繼電器控制，中間繼電器啟動(dòng)電壓較高，因此插座內(nèi)使用了12V 400mA的開關(guān)電源模塊，通過AMS1117 3.3V穩(wěn)壓芯片降壓提供給單片機(jī)。單片機(jī)共使用了兩路輸入，分別為插頭吸附檢測(cè)信號(hào)輸入及磁吸解除開關(guān)；三路輸出，分別控制中間繼電器通斷、電磁鐵通斷及蜂鳴器通斷。電磁鐵及中間繼電器啟動(dòng)需較大電壓，因此單片機(jī)通過兩塊場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行控制。

3.2 磁吸插頭電路設(shè)計(jì)

磁吸插頭部分電路完成智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程響應(yīng)發(fā)聲定位和產(chǎn)生插頭吸附檢測(cè)用的方波。

在遠(yuǎn)程響應(yīng)發(fā)聲部分，主控使用了一塊集成有ESP8266單片機(jī)的ESP-01S無線模塊，單片機(jī)I0接口接入一蜂鳴器，當(dāng)插頭被智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程呼喚時(shí)，蜂鳴器觸發(fā)鳴叫。為了保證插頭未吸附狀態(tài)下也能被智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程喚醒，插頭內(nèi)置有鋰電池及鋰電池充電模塊，在插頭吸附使用時(shí)能自行充電，若長(zhǎng)時(shí)間未使用電池虧電，插頭提供備用接口進(jìn)行應(yīng)急恢復(fù)。插頭吸附檢測(cè)用方波由一塊NE555時(shí)基芯片產(chǎn)生。NE555脈沖發(fā)生器電路如圖4所示。

圖4 NE555脈沖發(fā)生器電路如圖

為ESP8266單片機(jī)及NE555脈沖發(fā)生器供電的是一塊輸出為5V/700mA的開關(guān)電源模塊。開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。相比傳統(tǒng)線性電源，開關(guān)電源具有體積小、效率高的優(yōu)勢(shì)。選用的開關(guān)電源模塊具有3.5W的輸出，能滿足帶動(dòng)設(shè)備的需求。由于單片機(jī)需要3.3V供電，因此額外為單片機(jī)準(zhǔn)備了一塊AMS1117 3.3V穩(wěn)壓芯片，將5V轉(zhuǎn)為3.3V供給單片機(jī)。鋰電池充放電模塊TP4056為5V輸入，因此由5V開關(guān)電源模塊直接提供。

4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)于開源電子原型設(shè)計(jì)平臺(tái)Arduino上進(jìn)行開發(fā)。磁吸插座與智能家居系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)采用了第三方服務(wù)平臺(tái)Blinker提供的小愛同學(xué)接入方案。Blinker提供了基于ESP8266的小愛同學(xué)庫文件，通過簡(jiǎn)單調(diào)用即可快速接入小愛同學(xué)。圖5、6分別為磁吸插頭部分程序流程圖和磁吸插座部分程序流程圖。

圖5 磁吸插頭部分程序流程圖

圖6 磁吸插座部分程序流程圖

4.1 連接小愛同學(xué)及進(jìn)行呼喚判斷的程序

4.2 觸點(diǎn)吸合及解除部分程序

5 系統(tǒng)整體調(diào)試

在電路調(diào)試過程中，起初沒有考慮到ESP8266僅能通過3.3V供電，導(dǎo)致輸出電平過低無法正常驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，經(jīng)過查找資料，通過添加上拉電阻，增加三極管作為開關(guān)電路的方式實(shí)現(xiàn)了控制。

在程序調(diào)試過程中，遇到了無法通過第三方服務(wù)商接入小米智能家居系統(tǒng)的問題，在多次嘗試后，我們更改了第三方服務(wù)商用的中繼服務(wù)器，再次嘗試小愛同學(xué)已可以成功識(shí)別該插頭。