一种基于WIFI的物联网插座设计与实现
基金项目：嘉兴市科技局公益应用技术研究项目；项目编号：2017AY33085
摘要：家居用品正朝着智能化方向不断发展，智能化家居用品的推广和进步对人们的生活带来了极大的便利，但是由于缺乏共同的终端控制平台，智能家居用具难以实现统一管理，文章通过提出基于WIFI的物联网插座设计方案，以智能监测与控制两大需求为基础，设计了WIFI数据、指令和传输功能模块，进而阐述了该物联网智能插座的设计与实现方式。
关键词：WIFI通信；智能插座；设计
前言：
智能电子设备的不断进步和发展，必然会提升智能设备的使用率，诸如智能移动设备，智能家居等设备发展极为迅速。物联网作为一个互联网和通信网络的信息载体，能够使物理对象实现网络互通，近年来，很多智能家居设备都是基于物联网技术之上来设计和使用的。物联网虽然能够使家居设备和系统实现自动化、智能化管理，但是依然需要依靠更为先进的终端插座作为根本保障，插座是所有家用电器需要使用的电源设备，插座的有序智能管理，对于实现智能家居设备的统一智能管理具有举足轻重的作用[1]。本文首先通过提出具体设计方案，实现智能化的功能设计，在进行相关实验测试，以证实本方案的可行性。
一、基于WIFI的智能插座的功能模块设计
（—）控制器设计
控制器可利用AVR ATmega16，它具有 16K 字节的系统内可编程闪存以及512 字节 EEPROM。在功能上有较为优越的条件，此外，AVRAVR ATmega16通用输入接口和寄存器达32个之多，是较为精准的模数转换器，可利用编程配置直接对外接晶体振荡器进行信号传导[2]。
（二）通信模块设计
通信模块采用WIFI为主体的通信设计，WIFI相对于传统的蓝牙传输等形式具有较多的独特性优势。（1）首先，当前WIFI技术较为成熟且应用广泛，拥有较高的普及率，现在任何智能终端设备都有WIFI功能，便于实现操作和管理。（2）其次，通信范围、距离较广，先进的无线路由器能够实现大面积的通信传播，打破空间限制。（3）此外，WIFI传播速度较快，使用方便快捷，而且WIFI芯片价格不贵，而且技术较为成熟[3]。
（三）WIFI设备选择
本文选择较为常见的USR－WIFI232模块。该功能模块能够实现单片机和无线终端设备或者WIFI路由器的同时连接，而且能够在安装伊始就可设置并保存网络设置，WIFI的网络协议为TCP/IP 协议，能够保障网络数据在传输过程中保证透明、安全，进而减少系统的设计中其他项目的障碍。
（四）WIFI通信模块参数配置
一般来说，USR WIFI232 的模块是支持串口和无线连接来进行参数配置的。比如，通过串口进行参数配置时，可使WIFI232的 USART 与ATmega16 的 USART 接口直接连接，以此对接口函数的进行设置，并且通过单片机发出指令，从而改变该模块的整体参数设置。通过无线连接来更改参数，主要是通过插座的AP重置的方式来进行智能插座的初始设置，用户能够使用无线电脑或者手机与智能插座完成连接，直接在智能终端进行参数设置。
（五）WIFI无线通信芯片设计
WIFI无线通信设备的芯片是WIFI热点正常工作的保证，一般该芯片同MCU一起与串口通信协议进行连接，MCU控制芯片的运行，实际上WIFI通信模块是嵌入式硬件设备与无线网络连接的重要桥梁。物联网智能插座一般采用频段为2.4GHz的WIFI通信模块ESP8266。这种ESP82的通信模块是一款高度集成的针对无线连接需求而开发的芯片，由于ESP8266芯片是高度片内集成的，因此，不需要太多的外部电路，这种设计方案能够最大程度缩减电路板的占用 空间，此外,ESP8266芯片内部使用的是LWIP协议，因此，用户只能够直接使用DART接口来发送简单指令，完成WIFI网络的使用[4]。图1为WIFI通信模块电路原理图。
图1 WIFI通信模块电路原理图
二、基于WIFI的物联网插座电源模块设计
（一）电源状态监测模块设计
智能插座的设计必须，满足机房的安全监测要求，能够实现远程控制家电设备的电源通断，家用电器的运行状态可大致分为开启和关闭两种状态，监测模块的设计及作用主要表现在通过智能传感，完成电源状态的实时监测，可设计一种利用电流互感、电流采样、AD 转换的方案，设计出一种功率检测效果好，可扩展性强的智能插座。
如果家用电器保持关闭时，智能插座的负载电流为最小值，当电气运行时，负载电流会随着增大，在设计时，要考虑提前设计好电力的具体阈值，设置在电气关闭时，小于既定阈值，视为电源关闭，大于则为电源开启，从而实现插座的自动运行。
（二）遥控开关模块设计
在电磁继电器与单片机的连接基础上，可设计出遥控开关模块，电磁继电器控制命令信号是通过单片机得出的，本次设计方案中，采用标准电压为220V的继电器（最大负载电流为10A），这也是国内家用电器的基本供电需求。继电器的一个特点就是通过小股电流来操控大电流，当输入量值达到阂值时，继电器对于电流控制量会产生相应的变化，因此继电器在自动化领域应用较为常见，加上继电器具有隔离作用，能够发挥保护电路安全的作用。继电器的种类有很多，按照继电器的工作特性可分类为电磁型继电器、温度型继电器以及时间型继电器等类型[5]。而根据继电器的负载类型就可分为大、中、微功率继电器。
不同型号的继电器负载能力也各不相同，在基于WIFI的物联网插座设计方案中，最为常见，效果最好的应该是电磁型继电器。电磁继电器一般是由铜芯线圈、硅钢铁芯、触点弹片、磁性衔铁等部件组成的，使用过程中，可在控制端的电路设置既定电压值，内部的铜芯线圈会根据电流变换产生电磁效应，进而将衔铁吸引使其与触点吸合，完成对被控制端的电路导通工作，如果切断控制端电路电压，线圈会停止产生电磁，被控制端电路就会断开，达成遥控开关的设计要求。
（三）电源模块的设计
智能插座的系统需要稳定的电源供应，基于WIFI的物联网插座耗电量小，因此需要较低电压的直流供电电源，需要设计使用电源模块，强化插座的功能，比如可以设计一种USB充电模块。USB充电模块的输出接口为标准的SV直流额定电压，USB充电模块能够为大多数电子设备进行充电，能够满足用户基本充电需求，而且USB模块能够配合手机等智能终端设备，实现电子设备的定时定量充电和防止电池过充而损坏电池的要求。
此外，还可设计一种电源管理模块，通过该模块能够实现智能插座的自动化控制，并提供电压稳定的直流电源，在设计中，要注意通过智能插座插头引入220V交流电源，将电压交流电通过AC-DC来更改模块电路，换成电压值为SV的直流电源，保证电压稳定安全[6]。
三、基于WIFI的物联网插座设计实验
（一）设计逻辑分析
在该设计方案中，设计了较为完备的无线连接配置，WIFI功能模块能够通过与家用智能终端的连接实现智能化管理。其主要优势体现在两点，首先，通过WIFI模块的智能插座能够通过简单的数据传感，将数据传输到智能管理终端，对家用电器的统一管理提供了便利，其次，通过 WIFI 模块能够实时接收家用智能终端的控制信息，便于全方位的掌握家居电器的运行状态，实现家居电器的智能化管理。
（二）AD 转换情况
该方案的设计思路是通过下达指令的方式来出发AD转换，当单片机得到指令时，就能够自动触发AD转换，并计算具体结果，结算结果能够通过WIFI模块向外转出。ATmega16单片机的ADC输入接口与通用IO接口PA（0-7 ）复用。在试验时可选用PA5作为主要AD输出接口[7]。
（三）扩展接口与功能测试
ATmega16的ADC和IO接口数量较多，如果要对智能插座进行功能添加时，有较多的发挥空间，如果需求增加，可适当添加传感设备，丰富智能插头的功能，如，当面对输出量为模拟信号的传感器时，依照当时测出的电压幅度，并对输出电压进行相关处理和采样，再将其接入到没有使用的或空余的ADC通道接入口，完成AD转换。在面对输出量为数字信号的传感器时，即可通过对传感器测出的数字信号进行直接读取的方式，完成AD转换[8]。
在功能测试中，重点放在智能插座的功能设计和实现状况，首先要做到智能插座的运行要保证用户能够给实现与智能插座的双向连接和数据交换。在进行功能测试时，首先检验控制命令是否能够做到完美切换和发出，用户可发出指令，检验家电是否得到相应的反应。其次，对查询命令进行校验，比如用户对用电器工作状态进行查询时，查看ADC 开启并完成转换的情况，以确保转换数据是从智能插座出发，并送达智能家居网关。另外，还可建议用户在电脑中安装软件客户端，作为智能家居网关，并直接连接智能插座的WIFI，用户能够使用客户端上面的测试程序，对智能插座发送控制命令以及接收智能插座传来的数据进行检验。检验在操控过程中，通信、控制电源通断、检测用电器工作状态的功能都能够良好运转正，如测试达到标准，即证明方案具有可行性[9]。
总结
总之，虽然智能化家用电器普及率不断升高，但是在物联网环境下，不同标准的智能电器始终无法满足统一化管理。面对这些问题，本文从实现智能化插座升级设计着手，设计出基于WIFI的物联网插座设计方案，通过功能模块的设计和软、硬件的选择，阐述了一种功能齐全，运行稳定智能插座的设计方案。并经过对功能试验和逻辑分析，验证了方案的可行性。需要额外说一点的是，该设计方案基本满足了智能插座的功能需求，而且有着较为广泛的可扩展性，能够应对未来更多的使用需求，可基于此方案进一步扩充完善智能插座的功能，以更好地提升这种基于WIFI的互联网的智能插座的应用效果。
参考文献：
[1]李朱峰，刘春贵.基于WIFI的物联无线智能插座[J].北京:海峡科技与产业，2014,02:91-92.
[2]孙强.基于物联网技术的新型智能插座设计[D].西安工业大学.2016(5).
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[5]孙杰,胡乃军,郭志卓.基于物联网的智能插座设计[J].中国科技信息.201593):97-98.
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[8]张欣慧.继电器在某产品诊断控制器中的应用[J].山西太原:山西电子技术.2013（5）:12-13.
