物聯(lián)網(wǎng)智能插板設(shè)計(jì)中硬件程序設(shè)計(jì)研究

摘要：為解決智能插板設(shè)計(jì)的硬件及程序性問題，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備智能化、自動(dòng)化，本研究從智能插板類別出發(fā)，對(duì)智能插板功能需求、硬件模塊組成等加以研究，并搭建智能插板硬件端環(huán)境，設(shè)計(jì)硬件程序代碼，將其與通信模塊連接，完成系統(tǒng)測(cè)試。研究結(jié)果表明，智能插板連接家電設(shè)備后，采用程序性控制方法，移動(dòng)端可采集插板運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，并利用程序遠(yuǎn)程控制終端，可應(yīng)用于設(shè)備連接、監(jiān)測(cè)、控制中。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能插板；硬件程序；程序設(shè)計(jì)；移動(dòng)終端

一、引言

智能家居主要利用終端設(shè)備、語音等方式控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，具備監(jiān)測(cè)、預(yù)警等多種功能。但由于智能家居領(lǐng)域內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并未普及，仍存在隱患和弊端，尤其智能插板的連接使用語音控制，存在響應(yīng)時(shí)間，容易造成電路損壞。因此，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)具有遠(yuǎn)程控制功能的智能插板，可監(jiān)測(cè)插板實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，并重點(diǎn)探討硬件程序設(shè)計(jì)內(nèi)容，確保指令準(zhǔn)確送達(dá)。

二、智能插板整體系統(tǒng)模塊

（一）物聯(lián)網(wǎng)整體系統(tǒng)模塊

智能插板在智能家居系統(tǒng)中布設(shè)和應(yīng)用，是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，插板在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是控制供電，以確保插板連接相關(guān)電氣設(shè)備處于用電狀態(tài)，控制電器的工作，物聯(lián)網(wǎng)體系下，布置探頭、傳感器等，可將插板的功率信息、電流信息等上傳至主控制器內(nèi)，并能在超過閾值之后報(bào)警，控制繼電器的中斷，智能插板連接遠(yuǎn)程控制裝置。整個(gè)系統(tǒng)模塊中，包括智能模塊、主控制器、遠(yuǎn)程控制端。智能模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，主控制器負(fù)責(zé)智能控制。主控器嵌入在硬件結(jié)構(gòu)之中，可通過按鍵查看硬件設(shè)備的狀態(tài)，其中包括智能插板是否處于通電、開關(guān)、斷電等狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)備的安全保護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程控制端利用無線設(shè)備連接模塊。基于系統(tǒng)參數(shù)配置，完成監(jiān)控軟件的布設(shè)，對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行查看。登錄遠(yuǎn)程控制程序端后，可點(diǎn)擊按鈕控制智能插板[1]。

（二）智能插板類型選擇

智能插板類型多樣，且具備不同的功能。目前，市場(chǎng)中流通的插板類型包括五種，分別為漏電保護(hù)插板、定時(shí)插板、智能控制插板、遙控控制插板、計(jì)量插板等。在智能家居領(lǐng)域比較常用的插板為遙控、計(jì)量。計(jì)量插板具備參數(shù)檢測(cè)功能，包括連接設(shè)備的電壓參數(shù)、電流參數(shù)、功率參數(shù)等，且通常配備顯示裝置，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的實(shí)際用電情況。遙控插板則具備遠(yuǎn)程控制功能，配置無線遙控裝置（移動(dòng)終端），進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，該類插板也支持聲音控制功能。本文設(shè)計(jì)的智能插板屬于遠(yuǎn)程控制型插板，內(nèi)置無線通信模塊，用于遠(yuǎn)程控制。

（三）智能插板功能需求

智能插座主要應(yīng)用到智能家居系統(tǒng)之中，且具備信息化、自動(dòng)化的功能，除負(fù)責(zé)電源分配外，智能插板也具備四大基本功能，分別為控制功能、通信功能、監(jiān)測(cè)功能、異常保護(hù)功能?？刂乒δ苁侵钢悄懿灏迥馨凑粘绦蜻壿?，完成電源的開斷控制，且給插板內(nèi)的電器設(shè)備供給電力能源，甚至可發(fā)布控制指令。智能插板可連接設(shè)備包括熱水器、窗簾、空調(diào)、冰箱等。通信功能則內(nèi)置無線通信模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和指令的傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件元件的控制，確保指令的準(zhǔn)確性、科學(xué)性。監(jiān)測(cè)功能是指對(duì)插板的負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行反饋，涉及的功率參數(shù)包括電壓參數(shù)、電流參數(shù)、用電量等。當(dāng)插板出現(xiàn)過電流、過電壓等問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)和識(shí)別安全隱患，進(jìn)行設(shè)備的斷電保護(hù)[2]。

三、智能插板硬件端程序設(shè)計(jì)

（一）硬件端環(huán)境搭建

1.硬件結(jié)構(gòu)

（1）硬件功能

智能插板電路應(yīng)用微處理器，具備功率控制、電源轉(zhuǎn)換、通信控制的基本功能。在整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)之中，微處理器主要作用是電路系統(tǒng)控制，通信、測(cè)量功能均基于微處理器實(shí)現(xiàn)。電源模塊利用AC-DC轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)交直流轉(zhuǎn)換，提供輸出電路所需的電壓，以確保插座內(nèi)設(shè)備與實(shí)際參數(shù)功率的匹配程度。微處理器在硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中具備繼電器控制功能，可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果完成負(fù)載調(diào)控的過程，繼電器容量等于或高于負(fù)載最大功率，且增加二極管和電容器設(shè)備，避免瞬時(shí)電流產(chǎn)生對(duì)插板內(nèi)的電路造成沖擊。輸出的電壓、電流等，會(huì)經(jīng)由分壓電阻、銅片等元件，將其轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)，并經(jīng)由芯片完成數(shù)據(jù)的反饋。在智能插板內(nèi)部，安裝和設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換模塊，該模塊的主要作用是完成有效值電流的計(jì)算，生成并抄錄參數(shù)數(shù)據(jù)。信號(hào)測(cè)量模塊的精度滿足1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。通信模塊則設(shè)置主流無線交互，且為避免無線網(wǎng)絡(luò)斷開對(duì)插板控制運(yùn)行產(chǎn)生影響，則同樣使用低壓電力線載波，完成有線通信模塊連接。

（2）硬件構(gòu)成

在對(duì)硬件進(jìn)行開發(fā)過程中，為滿足智能插板的基本功能要求。具體對(duì)智能插板系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行闡述。硬件構(gòu)成包括電源轉(zhuǎn)換、無線控制、繼電器、斷路器等。其中電源模塊以AC/DC轉(zhuǎn)換方式，工作直流電壓為3.3V，輸出交流電壓為220V，用于整流、濾波、穩(wěn)壓控制，提供智能無線控制所需的電壓。內(nèi)置芯片為B0303系列芯片，功耗較低、輸出電流穩(wěn)定，運(yùn)行穩(wěn)定。無線控制模塊集成了TCP協(xié)議與IP協(xié)議，并在模塊外圍配置串口，芯片使用ESP8266芯片，具備與其他物理設(shè)備連接的功能，可滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的遠(yuǎn)程通信要求。該硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在提供無線通信功能的同時(shí)，具備能耗低、安裝靈活的特點(diǎn)。配置繼電器的線圈電壓為5V，輸出能力滿足250VAC的基本要求。繼電器具備與數(shù)字系統(tǒng)、單片機(jī)接口連接的基本功能，且可根據(jù)電平參數(shù)釋放、吸合控制過程[3]。

2.環(huán)境搭建

在明確整個(gè)智能插板的功能和硬件結(jié)構(gòu)后，需將硬件接入到互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，利用微控制器完成控制器與處理器之間的通信，并連接終端設(shè)備，完成設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的硬件設(shè)備與軟件設(shè)備連接，賦予智能插板遠(yuǎn)程控制功能。平臺(tái)搭建、程序設(shè)計(jì)和移動(dòng)端設(shè)計(jì)是核心部分。在硬件端設(shè)計(jì)上，依據(jù)開發(fā)板進(jìn)行硬件環(huán)境搭建，選擇開發(fā)板型號(hào)為ESP8266，引腳編號(hào)明確，線路連接便捷。硬件環(huán)境打造則使用A IDE軟件，該軟件支持開發(fā)板程序的編譯，且可進(jìn)行開發(fā)板串口的調(diào)整，在計(jì)算機(jī)內(nèi)即可進(jìn)行端口管理。進(jìn)入軟件，點(diǎn)擊端口按鈕后，選擇開發(fā)板，即可實(shí)施硬件程序的設(shè)計(jì)。

（二）硬件端程序設(shè)計(jì)

1.頭文件定義

頭文件定義程序通常包含了要在多個(gè)源文件中使用的類型定義和函數(shù)原型等信息。它的主要作用是提供一個(gè)公共的接口，讓其他的源文件知道如何調(diào)用某個(gè)函數(shù)或者使用某個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這部分通常屬于所有模塊共享的部分。具體頭文件定義程序部分內(nèi)容如下：

該程序在智能插板中的主要作用是定義頭文件及信息，其中包括硬件程序連接的無線名稱、無線密碼，通過在三元組信息內(nèi)搭建的定義參數(shù)，明確程序接收過程中所需要使用到的Topic。定義數(shù)據(jù)信息上傳到開發(fā)板中，且提供了硬件的訂閱特定主題的權(quán)限、發(fā)布特定主題的權(quán)限[4]。

2.初始化程序

Wi-Fi初始化程序主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置Wi-Fi模塊，包括設(shè)置Wi-Fi模式（客戶端模式、熱點(diǎn)模式等）、連接到指定的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等。這部分通常屬于通信模塊。在物聯(lián)網(wǎng)體系之中，該模塊的主要作用是負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的傳輸，明確具體地控制終端設(shè)備，具體所使用的程序代碼如下：

在初始化代碼程序之中，需要調(diào)用Wi-Fi庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)代碼功能。該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)無線通信模塊與終端設(shè)備之間的連接，使得硬件系統(tǒng)與終端設(shè)備之間具備數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.接口程序

接口定義程序主要負(fù)責(zé)定義硬件或軟件模塊之間交互的方式，包括數(shù)據(jù)交換格式、通信協(xié)議、函數(shù)調(diào)用方式等。該程序涉及智能插板的各個(gè)模塊，具體所屬模塊取決于接口定義的對(duì)象，具體接口定義程序如下：

在該程序中，接口定義需要基于開發(fā)板內(nèi)的引腳實(shí)現(xiàn)，并定義輸入引腳和輸出引腳的編號(hào)。案例中所呈現(xiàn)的程序代碼主要為2號(hào)引腳，其在智能插板硬件端中被定義為輸出引腳，且初始電平類型歸類于高電平之內(nèi)。

4.巡檢程序

循環(huán)檢測(cè)函數(shù)主要用于周期性地檢查某種狀態(tài)或條件，例如檢查輸入設(shè)備的狀態(tài)、檢查網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)等。這部分涉及智能插板的各個(gè)模塊，包括斷路器、繼電器、電源轉(zhuǎn)換模塊等，具體所屬模塊取決于需要檢測(cè)的對(duì)象。具體函數(shù)內(nèi)容如下：

循環(huán)檢測(cè)程序調(diào)動(dòng)循環(huán)函數(shù)，完成檢測(cè)過程。整個(gè)檢測(cè)過程之中，主要調(diào)動(dòng)loop函數(shù)，完成狀態(tài)檢測(cè)過程。函數(shù)主要針對(duì)智能插板結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)，完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)過程。當(dāng)巡檢程序發(fā)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)問題時(shí)，或者插板處于連接斷開的狀態(tài)，則程序會(huì)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成MQTT的聯(lián)系，確保智能插板處于穩(wěn)定連接的狀態(tài)，以避免硬件設(shè)備通信斷開。

5.控制程序

控制程序是智能插板的核心部分，它負(fù)責(zé)控制插板的各種功能，例如開關(guān)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制等?？刂瞥绦蛲ǔＭㄟ^與硬件設(shè)備（如繼電器）的接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。此外，控制程序還需要與用戶的操作（如手機(jī)APP或語音控制）進(jìn)行交互，響應(yīng)用戶的控制指令，具體控制程序代碼如下：

該程序代碼負(fù)責(zé)開發(fā)板功能的實(shí)現(xiàn)，前部分程序運(yùn)行將代碼解析并傳輸?shù)揭苿?dòng)端內(nèi)，使用Topic的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析和存儲(chǔ)。如果儲(chǔ)存數(shù)據(jù)編碼為1，低電平引腳控制繼電器開啟。如果數(shù)據(jù)編碼為0，則高電平運(yùn)轉(zhuǎn)，繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，控制中心控制電路斷開。

6.上傳數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)上傳程序負(fù)責(zé)將智能插板的運(yùn)行狀態(tài)（如當(dāng)前是否開啟、電流電壓等信息）上傳到云端服務(wù)器。這樣，用戶就可以通過云端服務(wù)（如手機(jī)APP）實(shí)時(shí)查看和監(jiān)控插板的運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)據(jù)上傳程序通常需要與Wi-Fi模塊（或其他通信模塊）以及云端服務(wù)的接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，具體程序代碼如下：

數(shù)據(jù)上傳程序使用Topic進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，向移動(dòng)端發(fā)送信息和指令，并接收智能插板在運(yùn)行過程中的電流、電壓等數(shù)據(jù)。為確保程序的可擴(kuò)展性，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本要求，在前端裝置配置溫度傳感器、濕度傳感器后，在程序的隨機(jī)數(shù)中，即可滿足濕度和溫度等其他數(shù)據(jù)上傳的要求。

四、智能插板硬件端控制

（一）微信程序控制

遠(yuǎn)程控制配置終端設(shè)備，終端設(shè)備包括遙控器等。為方便用戶對(duì)智能插板的操作，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)置應(yīng)用微信小程序控制智能插板。安裝微信小程序控制模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)接收來自用戶的操作指令，并將這些指令發(fā)送給智能插板，同時(shí)接收來自智能插板的狀態(tài)信息并展示給用戶。

（二）硬件執(zhí)行測(cè)試

針對(duì)單一模塊或函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，單獨(dú)測(cè)試控制程序、數(shù)據(jù)上傳程序等。這個(gè)階段主要是為了驗(yàn)證各個(gè)模塊或函數(shù)是否能夠正常工作。單獨(dú)測(cè)試完成后，將多個(gè)模塊或函數(shù)組合在一起進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試微信小程序控制模塊與云端服務(wù)器的交互，以及測(cè)試控制程序與數(shù)據(jù)上傳程序的協(xié)同工作。這個(gè)階段主要是為了發(fā)現(xiàn)和解決模塊之間的接口問題和交互問題。在整個(gè)系統(tǒng)層面內(nèi)進(jìn)行功能測(cè)試、性能測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試等。測(cè)試智能插板在各種操作下的表現(xiàn)，以及測(cè)試智能插板在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的穩(wěn)定性。這個(gè)階段主要是為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)是否能滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試結(jié)果表明，智能插板性能良好，功能穩(wěn)定，響應(yīng)速度較快[5]。

五、結(jié)束語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插板設(shè)計(jì)，其核心電路硬件模塊支持無線通信連接功能，且內(nèi)置WiFi模塊，支持遠(yuǎn)程控制功能?？刂坪诵耐ㄟ^硬件程序代碼實(shí)現(xiàn)功能，重點(diǎn)內(nèi)容在于微信端小程序的狀態(tài)顯示、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為用戶提供遠(yuǎn)程控制的依據(jù)。設(shè)計(jì)完成后，測(cè)試系統(tǒng)的可用性、可靠性。研究得出結(jié)論，系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制功能，響應(yīng)時(shí)間約為0.2s，同時(shí)具備可擴(kuò)展性，可以連接到智能家居系統(tǒng)中的語音控制模塊。

作者單位：馮仕豪 綿陽城市學(xué)院

參考文獻(xiàn)

[1]張強(qiáng)，顧本昊，仵凱.插板進(jìn)氣畸變對(duì)多級(jí)壓氣機(jī)性能及穩(wěn)定性影響研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2023，44（07）：1823-1831.

[2]陳緋，魏小明.一體化截污泵站中一種實(shí)用新型插板閥的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2023（13）：43-46.

[3]王華，王希杰，師慧.成型壓力對(duì)碳化硼/芳綸防彈插板的性能影響[J].復(fù)合材料科學(xué)與工程，2023（03）：104-107.

[4]周偉，劉陽，陳杰.平行雙插板測(cè)點(diǎn)布局對(duì)穩(wěn)態(tài)周向畸變指數(shù)的影響[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2023，52（01）：75-79.

[5]安鵬，李玉建，耿義鑫.間距對(duì)錯(cuò)口插板透水丁壩緩流效果的影響[J].水電能源科學(xué)，2023，41（02）：108-111.