谭一柳，江淘，王轩

（1.江西省水务集团有限公司，江西南昌，330000； 2.江西小赣士咨询有限公司，江西南昌，330000 ；3.靖安绿地申飞置业有限公司，江西宜春，336000）

0 引言

随着科学技术的不断发展，各种智能化设备已经进入人们的生活。据调查，家用设备待机时所产生的平均功率仍占中国用电量的10%以上。在这种长待机模式下，使用的传统插座的负载越来越大，这不仅带来了严重的家庭隐患，而且也大大降低了设备的使用寿命。本文对家用电器插座进行了智能化改造和创新，用单片机控制继电器的通断，并通过WiFi模块远程控制插座，以便随时控制插座的开关和定时功能设置。人们无论在何时何地，都能随时掌控家里的大大小小的电器开关待机等问题，同时也增加了生活趣味性，增加了生活科技感。

1 系统设计方案

构架一种通过单片机STM32F103C8T6为核心实现控制目标的定时开关系统，使其可以很好地操控220V/10A规格的插座，确保其能够在24H内提早设置定时，持续精准地操控用电设备的自动开启与关停，由于主要凭借其中的时钟芯片实现定时目标，因此非常精准，另外能够凭借WiFi平台操控插座开关，因此能够具备便捷、节能以及智能等优点。系统设计框图如图1所示。

图1 系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 STM32F103C8T6主控芯片介绍

STM32系列的单片机是由意法半导体公司制造的,其属于32位的单片机芯片，本次设计采用的型号为STM32F103C8T6(以ARM Cortex-M内核为基础)，程序存储器(64KB)内置其中，可以在-40℃～85℃温度区间稳定运行，2V～3.6V为其工作电压范围，为该芯片提供的工作电压是3.3V，该元件实际的内核工作频率能够达到72MHz，图2为该单片机最小系统板部分扩展引脚。

图2 单片机最小系统板部分扩展引脚图

2.2 电源模块电路

由于本次设计对电源的要求并不是很高，用现在5V的USB电源就足以运行整个系统。所以使用USB数据电源线来供电。P3是电源的直流插座开关，触角2和触角3连接地线，触角1连接到开关控制，然后输出至VCC进行系统程序化供电（VCC为5V），电源模块电路如图3所示。

图3 电源接口及开关 控制电路图

2.3 继电器模块电路

本次设计是基于STM32单片机控制Wi-Fi智能插座，所以采用继电器控制插座的开关。本次设计是为了控制220V交流电，设计中存在安全隐患，此外，由于继电器的正常工作电压为5V，单片机的I/O接口输出容量无法满足使用需求，因此，决定使用（OC）光电隔离器进行控制，如图4所示。

图4 继电器模块和HLW8032模块电路图

2.4 ESP8266 Wi-Fi通信模块电路

ESP8266模块采用TTL串行口传输，可实现与单片机的数据进行通信。模块内置有TCP/IP协议，基本可以实现TCP、UPD等协议，使用时，只需通过串口发送相应的指令即可。ESP8266 WiFi模块有八个引脚，使用起来十分方便。模块的电源电压基本为3.3V， 4脚接3.3V电源脚，8脚接GND，ESP8266 WiFi模块串行通信脚接STM32单片机的串口2，ESP8266 WiFi模块1脚（串口发送数据脚）接STM32的串口数据接收脚PA3，ESP8266模块5脚（串口发送数据脚）接STM32的串口数据发送脚PA2，2脚接R5电阻上拉，模块进入STA指令模式，如图5所示。

图5 ESP8266 WiFi 模块电路图

2.5 DS18B20温度传感器模块电路

温度传感器中的DS18B20（“一线总线”接口）和其他测温设备（比如热敏电阻这种传统设备）之间存在着本质性差异，有必要引起一定的关注。以下即其基本特征：与微处理器接口不复杂、对宽电压更适合等，传感器网络搭建可以轻松实现，操作使用更加便捷。因此DS18B20这种直插型的温度传感器被本设计采用，如图6所示。

图6 温度传感器 DS18B20模块电路设计图

2.6 HLW8032模块电路

本设计中加入了交流电检测模块HLW8032，其作用是用于测量电能参数，并且这个模块的供电模式是需要单独供电，模块需要220V的电压，所以采用单独供电。220V的电只是在通电状态下经过了此模块，并且这个模块是3.3V供电的，设计中的其他模块，比如WiFi模块也是3.3V，STM32是5V输入，3.3V输出。本次设计接入220V，是因为输入的220V是本次设计的被测对象，220V只是经过了这个模块，但它并不是电源，只是把输入的220V作为被测的对象，如图4所示。

3 系统软件设计

主要以WiFi智能插座的WiFi模块通讯子程序设计和显示子程序设计为主要部分进行分析。本次设计的主要程序功能为： WiFi连接程序，使用APP进行微距离远程操控开关；定时定温自动通断，通过APP设置定时通断功能；显示时间、电流、电压数据，并可远程修改显示时间和日期。

3.1 主程序流程图

系统初始化完成之后，程序进行循环，首当其冲的就是STM32F103C8T6的串行端口发送相应的指令给STA，从而对ESP8266WiFi模块进行配置，配置成功，则进行标识位为1；不成功则继续配置，直至成功。配置完成之后，LED灯亮，等待手机客户端的连接，如WiFi热点链接成功，则进入手机互联的状态，STM32F103C8T6芯片以5S为周期向手机端发送数据一次，以此维持数据链接的状态。STM32F103C8T6芯片实时接收ESP8266WiFi通信模块所传来的数据，进行对继电器的电源开关的掌控和定时设置的操作。图7则是本次设计主程序流程图。

图7 主程序流程图

3.2 Wi-Fi通讯子程序设计

本设计采用ESP82666WiFi模块实现与移动通信和互联。ESP82668266本身就是一个WiFi热点，可以连接到STA或AP。本设计将模块设置为服务器模式，监控等待连接的端口，首先通过移动应用连接模块生成的WiFi热点，然后开始连接服务器的端口，连接成功后建立TCP通信，服务器IP为“192.168.4.1”，端口为8888。ESP8266通信流程图图8所示。

图8 Wi-Fi 通讯子程序流程图

3.3 显示子程序设计

如果引脚信号（RS、R/W）为1，E引脚从1向0转换结束，进行数据读取。如果R/W、RS这两个引脚信号分别是0、1，E引脚自1向0转换结束，进行数据存入。至此即能对读取数据，存入数据实现控制（基于RS、R/W高低电平设置）。

图9 LCD采集、收集及显示流程图

4 系统调试与分析

4.1 系统调试

（1）硬件调试

完成硬件的焊接和初步检查后，进行上电测试，发现显示器LCD1602上的温度状态没有显示出来，原来是由于DS18B20插在主板上时引脚插反造成的。在检查继电器装置之中的模块电路时，选择三节南孚干电池给单片机供电，主板没有正常运行，检查发现电路板供电电压较低，其后选择5V电源时，继电器正常工作。

（2）软件调试

KEIL5 MDK是程序调试的软件平台，此类调试的重点在于调试或修改程序设计过程中的技术缺陷，从而进一步完成软件设计，保证系统整体运行稳定。

（3）APP调试

继电器通过WiFi模块产生局域网热点信号，通过远程客户端TCP Tool平台手机APP连接。连接成功则可进行下一步系统测试，局域网连接客户端端口地址：192.168.4.1，端口号为：8888。系统通电状态下，局域网信号正常产生。当APP提示连接成功，则又开始下一步系统测试，正常运行情况下，实时监控WiFi插座的电流、电压、时间等参数。 通过客户端下达相应指令进行远程操控，O1指令为打开继电器电源指令，C1指令为关闭继电器电源指令。当局域网连接成功，通过ON/OF指令设置定时开关功能，例如设置8：00开启，则输入指令ON8:00，就可直接设置早上8:00定时开启继电器。（继电器设置时间为24小时制）继电器温度检测功能设置为基础40℃，当温度传感器检测温度为40℃，继电器则自动断电，如图10所示。

图10 实物运行图

4.2 调试结果分析

本次设计的WiFi插座达到了预期的功能。其能够很好地控制家用规格的插座，能够在24H中随意设置定时开关；液晶显示屏能够很好地显示插座实际的电路运行情况，插座正常工作时指示灯绿灯点亮，不工作时指示灯不亮。

5 结束语

本文设计的插座能较好地实现一路智能插座的控制功能，后面可以尝试多加入几路插座口，并且使各个插座口互不干涉，但总电路又可以得到控制，且省电、安全，这样可以更好地满足人们对多路插座需求。增加插座路数，可以给定时插座加上保护措施，如漏电保护开关等，以此达到更加安全的目的。本次设计中使用的WIFI模块的可连接范围比较小，一般只能在室内起作用，如果采用广域网更大的WIFI模块并在手机上进行远程遥控，人们可以随时随地对插座进行定时控制，智能插座将可以更好地为人们服务。