基于单片机的插座定时系统设计

朱俊涛 郭莉莉 张展 李璇

摘要：针对传统插座功能简单、不能定时的问题，设计了一款基于STM32单片机的插座定时系统。该插座定时系统具有短路保护、远程控制等功能，通过搭建消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）通信服务器，配合微信小程序实现了远程控制，也可通过实体按键实现插座的定时功能，最后将插座通电状态显示在OLED屏幕上。

关键词：定时插座;STM32;ESP8266;MQTT

1    系统总体描述

本系统以STM32F103C8T6为主控芯片，使用ESP8266模块连接MQTT服务器，实现插座系统和外界通信与控制。通过按键模块及OLED显示屏，实现通过按键和显示屏完成插座的定时设置。交流电控制部分使用继电器完成，采用降压模块连接220 V交流电源供电。直接使用STM32模块上的RTC晶振来定时。为使用时更灵活，MQTT通信部分使用自建服务器。系统结构框图如图1所示。

2    硬件设计

2.1    单片机主控模块

本设计使用的是STM32F103C8T6单片机。STM32F103系列单片机是ST公司使用ARM公司设计的Cortex-M3架构生产的32 bit单片机，其更接近计算机中的CPU，具有运行速度较快，稳定性强且价格较低等特点[1]。

2.2    电源模块

交流转直流电源模块采用SM-PLG06A-4 W型开关电源模块，该模块支持85～264 V交流输入，输出直流电压5 V、电流800 mA，最高输出功率4 W足以带动插座定时系统的全部组件。本设计在电源电路中添加了多级滤波电容，提高了电源的稳定性。在输入端火线处添加5 A/AC250 V的保险丝，作用是在电源模块出现问题时及时熔断保护电路。使用AMS1117稳压器，将5 V直流稳压至3.3 V直流并为单片机供电。

2.3    显示模块

显示模块使用0.96寸128×64点阵的OLED显示屏，SCL为IIC通信中的时钟管脚，而SDA则是IIC通信中的数据管脚。使用IIC通信协议，STM32仅需两根线就能控制其显示。

2.4    继电器模块

参考文献[2]设计了继电器驱动电路。STM32通过PB1引腳控制继电器，输出高电平时继电器导通，低电平时继电器断开，从而实现弱电控制强电。在继电器处并联的发光二极管可以起到显示继电器状态的作用[3]，继电器接通则LED发光，反之LED熄灭。

2.5    Wi-Fi模块

插座定时系统是通过ESP8266 Wi-Fi模块输出高低电平给STM32，STM32收到高电平时接通继电器，反之继电器断开。

2.6    按键模块

使用4个独立按键与STM32单片机的IO口PA0～PA3相连，按键为低电平触发，当按下与单片机IO口相连的按键时该IO口将接地，即向单片机输入低电平信号。通过编程实现定时时间设定的功能。

按下一次按键K1则定时1 min，类似地按键K2是定时10 min，按键K3对应定时60 min，定时方式为累加。按键K4的作用是将定时时间清零。插座定时系统处于定时状态且定时时间不为0时将接通继电器。系统电路原理图如图2所示。

3    软件设计

3.1    服务器端搭建

Wi-Fi模块和小程序与服务器通信的方式采用了MQTT协议，它是客户端与服务器之间基于消息发布及订阅的传输协议。

本设计中服务器端安装的操作系统为CentOS7.6，为便于调试，在服务器安全组中放行全部端口。微信小程序连接MQTT服务器需要通过Web Socket协议。首先需要搭建Nginx环境，接着安装EMQ公司的MQTT软件。安装完成后设置Nginx代理MQTT的Web Socket的端口号8083，至此MQTT服务器搭建完成。

3.2    主程序设计

在STM32单片机中首先运行OLED显示屏和定时器的初始化，初始化完成后OLED屏幕会点亮。接着进入循环，先扫描独立按键，如果有按键按下则进行相应的操作，例如开启定时;接着判断ESP8266 Wi-Fi模块输出的电平，高电平接通继电器，低电平断开继电器。Wi-Fi模块输出的电平判断在按键扫描之后进行，因此通过按键定时且定时时间不为0时不能通过Wi-Fi模块关闭继电器，仅在按键定时时间为0时可通过Wi-Fi模块远程控制。OLED显示通电状态，若使用按键定时，还会显示定时时间，最后返回按键扫描循环。系统流程图如图3所示。

3.3    微信小程序设计

本系统中微信小程序的作用接近于一个MQTT的客户端，简化了收发消息的过程。正因如此，只需记下相应的消息模板和订阅的主题，即可使用任何能收发MQTT消息的程序实现定时插座远程控制，包括但不限于PC端、Android端、iOS端[4]。

3.4    Wi-Fi模块程序设计

ESP8266 Wi-Fi模块中运行的程序流程如下：在接通电源后先进行初始化。初始完成后扫描附近的Wi-Fi，在发现已存储的Wi-Fi后建立连接，如果未发现已存储的Wi-Fi，延时1 s后重复连接Wi-Fi的步骤。Wi-Fi连接完成后与MQTT服务器建立连接，如果连接失败，重复尝试，MQTT服务器连接成功后订阅MQTT主题。

4    整体调试

将插座定时系统接通电源，待Wi-Fi模块连接上Wi-Fi后开始调试。先按下K1，OLED屏幕显示定时1 min，继电器接通，负载LED灯点亮。1 min后继电器断开，负载LED灯熄灭。在微信小程序端点击接通电源按钮，负载LED灯点亮，小程序端的电源图标从空心变成实心。点击关闭电源按钮，负载LED灯熄灭，小程序端的电源图标从实心变成空心。在小程序端选择定时1 min，其效果同点击接通电源按钮，1 min后效果同点击关闭电源按钮。至此，系统整体调试成功。

设计的插座定时系统实物图如图4所示。

5    结语

本插座定时系统采用STM32F103C8T6，单片机通过编程控制继电器模块实现控制插座的供电。通过按键设置定时时间，也可通过微信小程序远程调整插座电源状态或设置定时时间，并用OLED屏幕显示插座电源状态和定时时间等信息。经过调试，插座定时系统运行正常，具有操作简单的特点。

[参考文献]

[1] MA M，HUANG B，WANG B，et al.Development of an energy-

efficient smart socket based on STM32F103[J]. Applied Sciences，2018，8（11）：2276-2290.

[2] 林炳炎，廖华平，杨坚，等.基于智能插座的家居系统[J].微型机与应用，2014，33（22）：27-29.

[3] 蒋宏杰.智能家居控制系统软硬件设计与实现[D].昆明：云南大学，2017.

[4] 顾新萍.基于微信小程序的智能家居控制系统设计与实现[D].青岛：青岛大学，2019.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：朱俊涛（1997—），男，江苏苏州人，研究方向：信号处理、单片机技术。

通信作者：郭莉莉（1986—），女，江苏邳州人，博士研究生，讲师，研究方向：信号处理、协作通信。