智能插板设计与实现

翟明泽，王伟屹，刘斌，鲁国庆，魏建朝

（延安大学 物理与电子信息学院，陕西延安，716000）

0 引言

随着智能家居行业不断发展，智能家居的出现使人们的生活更便利、更安全。据消防部门统计，2006 年～2015 年，全国各类火灾共212.2 万起，其中电气火灾60.7 万起，约占总数的28.6%。而其中，因超负荷使用插线板引发的火灾事故更是时有发生。为了实时管理家居插座，预防插线板使用过程中意外发生火灾，造成生命财产损失，节约社会资源，本文采用嵌入式以及物联网技术设计一款支持手机终端远程操控并且在电流过载时可以自动断电保护的智能插座。

1 系统硬件设计

■1.1 硬件构成

硬件部分主要由Arduino 开发板、AC-DC 转换模块、ESP8266 WiFi 模块、继电器模块和空气开关组成。AD-DC模块完成将市电220V，50Hz 交流电转换成直流电为Arduino 开发板供电。ESP8266 WiFi 模块将插座网络化，同时与物联网[1]巴法云平台通信完成信息的传输与处理。

1.1.1 WiFi 控制模块

ESP8266WiFi 模块是一款专门针对物联网产品应用及开发所设计的WiFi 模块，芯片集成TCP/IP 协议栈和MCU,增加了外围电路、串口Flash、板载天线等功能单元，用户的物理设备可以通过该模块与无线网络相连接，实现远程通信[2]。此外ESP8266 WiFi 模块相较于其他的WiFi 模块具有超低能耗、成本低、使用简便、功能强大等特点从而在业内极富竞争力。因此本文选用ESP8266 WiFi 模块来作为智能插板的无线通信控制模块（见图1）。

图1 ESP8266 WiFi 模块电路图

1.1.2 空气开关

空气开关也被称为低压断路器。低压断路器是由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）和灭弧系统等组成。主触点是靠手动或电动操作合闸的。当主触点闭合后，低压断路器的自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。低压断路器的过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，而欠电压脱扣器的线圈则与电源并联。当电路发生短路或严重过载时，低压断路器的过电流脱扣器的衔铁才会吸合，使得自由脱扣机构动作，主触点断开主电路，达到保护器件的目的。

1.1.3 继电器模块选择

1 路5V 继电器。此电磁继电器线圈驱动电压为5V，输出驱动能力为250VAC/10A[3]。此款电器使用简单，输入能够直接与单片机IO 口或直接与数字电路进行连接，输入高电平时继电器吸合，输入低电平时继电器释放，体积小巧便于集成在插座内部。

HH52P 小型中间继电器。此电磁继电器反应快、吸力强且性能十分的稳定。但是相较于1 路5V 继电器，它的体积更加庞大，不容易将此继电器集成在插板之中。此外继电器的额定通过电流为5A，无法满足插板10A 的额定电流大小的性能要求，即无法支持插板的中高负载，这会无形之中降低了插板的实用性能。HH52P 小型中间继电器是两开两闭的触电形式，但智能插板只需要操控插板的开关，只需要一路控制即可，若选用HH52P 小型中间继电器会导致其性能上的浪费。

综上所述，本文选择1 路5V 继电器（见图2）。

图2 电磁继电器模块电路图

1.1.4 AC-DC 转换模块

ESP8266 WiFi 模块的工作电压为直流低电压3.3V，而插板输出为市交流电220V 50Hz，因此需要采用AC-DC模块[4]完成全波整流、滤波以及稳压功能将电源电压整流为ESP8266 WiFi 模块所需要的启动工作电压。本文采用B0303D-1WR2 芯片，该芯片功耗较低，且输出电流较大，能够带动ESP8266 WiFi 模块正常工作，从而保证整个系统能够正常工作。B0303D-1WR2 芯片电路如图3 所示。

图3 B0303D—1WR2 芯片电路图

■1.2 硬件总体结构介绍

硬件电路采用AC-DC 为Arduino 开发板以及ESP8266 WiFi 提供工作电压。ESP8266 WiFi 模块完成向物联网平台巴法云传送数据、接收云端数据和控制继电器的开关。空气开关防止智能插板因为断路或过载而导致插板上电器的损坏。硬件电路结构框图如图4 所示。

图4 硬件电路结构框图

2 系统软件设计

软件设计由微信小程序设计和ESP8266 WiFi 模块程序设计组成。

■2.1 微信小程序设计

微信小程序[5]使用微信开发者工具来对微信小程序进行编程。首先完成显示设备状态、开关状态、打开按钮和关闭按钮的界面设计。其次将智能插板与巴法云用户所建立的设备相连接。然后向巴法云获取插板的设备状态和开关状态，为了实时更新插板的状态和开关状态，设置每隔五秒刷新一次状态。最后根据打开和关闭按钮状态远程控制智能插板通断。微信小程序流程图如图5 所示。

图5 微信小程序设计图

■2.2 ESP8266 WiFi 模块程序设计

Arduino IDE 中文版是官方发布的一款针对Arduino及模块开发的软件，其拥有开源的图形化集成开发环境，并支持跨平台运行的免费软件，Arduino IDE 主要基于processing IDE 开发而成，具有界面简洁直观、上手难度较低、使用灵活等优点，能够帮助用户快速完成对于Arduino开发板或模块的程序编写，并烧写到Arduino 开发板中运行，大大提高了编程开发效率[6]。ESP8266 WiFi 模块使用Arduino IDE 来对其进行编程。首先对模块设置WiFi 和心跳值，并对巴法云用户的TCP 客户端进行初始化，然后向TCP 客户端发送数据并与TCP 客户端建立连接，并通过向客户端发送心跳来检查模块是否断开连接。其次检查WiFi是否连接，并通过WiFi 接收来自巴法云平台的消息。若从巴法云平台收到“Turn ON”消息，则通过指定引脚向继电器发出低电平（即使继电器连通），若从巴法云平台收到“Turn OFF”消息，则通过指定引脚向继电器发出高电平（即使继电器断开）。ESP8266 WiFi 模块程序设计流程图如图6 所示。

图6 ESP8266 WiFi 模块程序设计流程图

3 系统结果测试

智能插板接入家用电器台灯后，在移动终端上开启微信小程序，通过界面可以实时监测到智能插座的当前状态，通过微信小程序的开关指令远程控制插板通断电，进而完成负载灯通断电的控制。图7 为微信小程序控制界面，图8 为在微信小程序界面下发打开指令，通过巴法云以及ESP8266 WiFi 模块远程启动智能插座时台灯处于照明工作状态。图9 为在微信小程序界面下发关闭指令，通过巴法云以及ESP8266 WiFi 模块远程关闭智能插座时台灯处于暗灭状态。

图7 微信小程序控制界面

图8 远程开启智能插板

图9 远程关闭智能插板

4 结论

针对传统的插板存在无法远程操控以及实时监控插板状态等缺点。本文设计的智能插座通过采用日渐成熟的物联网技术、嵌入式技术以及微信小程序等对传统插座进行智能化的升级从而对传统智能插板的缺点进行弥补。该智能插座实现了用户通过微信小程序来实时监控房间中插板的状态并且通过微信小程序对插板的开关进行远程操控，从而使人们的生活更加便利，预防日常生活中因插座老化、过载等原因而导致的火灾险情，减少因火灾而导致的经济财产损失。