基于物联网技术的智能插座设计与实现

2022-03-16刘海锋

物联网技术 2022年3期

张锋，刘海锋

（广东石油化工学院电子信息工程学院，广东茂名 525000）

0 引言

当今社会，随着人们生活水平的提高，家用电器的数量越来越多，人们对家电的节能性和安全性要求越来越高，实现对家用电器的智能控制和管理成为普遍需求。在不改变现有家用电器结构的基础上实现智能控制，最简单的办法就是在插座上实现用电设备监测和控制的智能化。

移动通信和互联网的飞速发展使物联网应运而生，同时也推动了大量智能终端及相关行业的发展。然而，文献[1-5]中的智能插座产品的作业都比较单一，只有监控、安保以及管控等简单功能，远远做不到数字化以及终端监控。本文设计的智能插座，不仅具备传统插座的断开和闭合功能，而且具有远程监控的功能，可以实现在手机等多终端设备上查看智能插座的状态、数据，较好地满足了人们对普通电气设备的智能化需求。

1 总体设计方案

系统由灯座硬件终端、服务器端和用户控制端三部分组成，如图1所示。灯座硬件终端负责接收从服务器端发送过来的数据，经过处理后，判断是否需要做出相应的控制动作。服务器端负责接收和转发来自智能灯座硬件终端和用户控制网页的数据、监听用户和硬件终端的数据，同时把数据写入对应的数据库。用户控制端是用户监控端与用户对接的一个交互界面。

图1 系统设计结构

2 系统硬件设计

智能灯座硬件主要包括电源AC-DC及稳压模块、联网模块、主控制器、交流调光模块、功率测量模块，如图2所示。电源AC-DC及稳压模块负责给直流部分供电，联网模块负责收发来自服务器的数据，主控制器将数据处理后输出相应的PWM信号给交流调光模块，最后交流调光模块根据占空比输出相应的电压给普通灯泡。功率测量模块负责对插座电压、电流、功率进行测量。

图2 智能灯座的硬件整体框图

2.1 核心控制电路设计

主控芯片ESP8266-12F既作为MCU，又作为网关模块。它里面包含了支持WiFi通信的组网模组，也包含了一个32位的集成处理器，且可以对这个内部集成的处理器烧录程序进行控制。

2.2 HLK-PM01模块

HLK-PM01是一种AC-DC模块，可以直接把220 V交流电转换成5 V直流稳压的电源。通过该模块来实现交流转直流，然后给核心控制模块以及其外围电路提供电源。

2.3 AM1117模块

AM1117是一个正向低压降稳压器，在1 A电流下压降为1.2 V，内部集成过热保护和限流电路。220 V的交流电先经过HLK-PM01模块，转换出来5 V的直流稳压的电源后，再接入AM1117芯片对应的输入引脚，最后转换成3.3 V DC供应给主控芯片ESP8266-12F。

2.4 MOC3041光耦模块

MOC3041是7 500 V AC光电耦合器类型的三端双向可控驱动器。发光二极管把输入的电信号转换为光信号并传给光敏管，最后转换为电信号输出。由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离干扰的作用。

2.5 BTA16双向可控硅

BTA16-600B是双向可控硅的一种，采用TO-220AB封装方式。该双向可控硅具有关断速度快的特点，其芯片背面自带散热片，散热性能较好，支持的最大电流为160 A，适用于中功率的高频电路中。

3 系统软件设计

3.1 服务器端软件设计

用户控制端和服务器之间采用了B/S和Nginx不断监听相关的网络端口（如80、18083等），一旦接收到请求，就会把请求转发到相应的服务中。如果是请求静态文件，就直接到对应位置查找，读取后返回数据。如果是MQTT数据，就先判断其账号和密码的正确性，然后把数据传入数据库，最后转发到订阅该主题的所有客户端。如果是Flask的请求数据，根据对应用户的数据，把模板渲染成HTML文件后返回给用户浏览器Gunicorn和Nginx，也就是本项目用来进行服务器优化的两个重要工具。Gunicorn是用来提高异步性能的，弥补Python自身异步性能的不足。服务器软件流程如图3所示。

图3 服务器软件流程

3.2 灯座终端软件设计

灯座在上电后，首先会检查网络配置并尝试进行联网，如果联网成功就会进一步连接MQTT服务器，否则会等待用户通过微信AirKiss配网。待连接MQTT服务器成功后，灯座终端会订阅相关主题，然后进入一个无限循环的过程。在这个循环过程中，灯座需要不断检查是否有来自服务器的信息，如果有，就对信息的内容进行解析，根据指令来调整PWM的占空比，进而通过交流斩波模块处理后就成为了具体电压，最终供给灯泡。灯座软件流程如图4所示。

图4 灯座软件流程

4 系统测试

4.1 交流斩波电路调试

上文已经对交流斩波电路做了初步的仿真测试，本节进一步对该电路进行实物测试，如图5所示。

图5 交流斩波电路测试

最后输出的波形在示波器上的呈现如图6所示。图中的两条曲线中位于较下面的是PWM信号输入的波形，从右边的数据可以看出其频率为1 kHz，占空比为50%；位于较上面的是交流斩波后输出的波形，波形基本与仿真的结果一致。

图6 斩波波形

4.2 灯座终端配网测试

初次使用必须进行网络配置才能使灯座联网，配置方法是通过智能手机的微信客户端进行的。打开微信上的“扫一扫”功能，扫描指定的二维码，进入如图7所示的界面；然后依次点击“配置设备上网”，根据提示输入当前所连接的WiFi密码；最后点击“连接”按钮，就可以等待灯座自动连接网络了。经过短暂的等待，会提示网络连接成功，就可以进行下面的测试和使用了。

图7 微信AirKiss配网截图

4.3 发送数据测试

通过WiFi配置后，ESP主控芯片已经能正常联网了，会在串口打印网络IP地址等信息；接着程序会自动连接MQTT代理服务器，如果连接成功，串口会显示“连接成功”的相关信息。

4.4 服务器端调试

网页测试时，在浏览器输入访问用户监控页面的地址，即http：//deng.901studio.cn，就能进行相应灯座的控制操作了。

图8所示是在个人电脑上打开监控网页的效果截图。由图8可以看出，当前状态的所有灯座设备的状态，包括是否在线、亮度和开关情况，都一目了然；图中“大厅灯”是唯一在线的，其他不在线的设备会对应显示“离线”的字样，而且在“大厅灯”处会有黄色特别提示，该黄色的深浅根据灯的亮度实时改变，这就是数据可视化的明显体现。