基于ESP8266的智能开关控制系统设计

南京科技职业学院 电气与控制学院 薛 翔 王 琰

随着网络技术的迅猛发展，WIFI技术得到了广泛的应用。WIFI是一种可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式进行互连的技术，为用户提供了无线的宽带互联网访问。本文介绍了如何通过ESP8266芯片和STC单片机实现家用电器开关的无线远程控制，提出了一种基于ESP8266的智能开关控制系统方案，并从硬件和软件两个层面论述了系统方案的可行性。

1 系统总体设计

本系统主要由WIFI模块和MCU模块两部分组成，通过WIFI模块ESP8266将单片机MCU链接上外网，由手机App发送信息WIFI模块接收到信息后，再向MCU发送信号，MCU经过对信息的处理，通过继电器的方式实现家电的通断控制或者灯的开关控制，形成了一个控制通信网络。硬件电路主要有STC89C51芯片、DHT11温湿度传感器采集电路、LCD液晶显示电路、继电器驱动电路、WIFI模块以及稳压电路等组成。系统的总体设计框图如图1所示。WIFI模块收发通讯数据，MCU完成数据的采集和外设的驱动。用户使用手机APP将系统的WIFI模块连接到指定的路由器后，通过UART串口传送和接收MCU的相关指令信息，继电器接负载并通过WIFI控制其通断。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 MCU模块

MCU模块由以STC89C51芯片为核心的最小系统组成，STC89C51芯片在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51在嵌入式控制应用系统中的得到了广泛应用。本设计使用TXD和RXD引脚实现与WIFI模块的串口通信，其他I/O引脚主要用于连接继电器控制信号、温湿度传感器输出信号以及LCD液晶显示数据及控制等信号。

2.2 WIFI模块

WIFI模块选择乐鑫公司的基于UART接口的ESP8266-12芯片，该芯片内置32位CPU，能够独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行，可以广泛应用于智能家居、工业无线控制、无线传感器等领域。

图2 ESP8266-12接口及电源电路

图3 继电器驱动电路

ESP8266模块能够实现用户串口数据到无线网络之间的交换。有2种使用方案：一是直接使用内部自带的处理器，对芯片进行二次开发，通过I/O口控制设备，例如继电器、传感器等，此方案节省成本，但开发难度较大；二是ESP8266模块外接单片机，而其仅用来完成网络相关的任务，使用AT命令操作，通过串口和外接的单片机通信，此方案开发快，性能稳定，但成本相对较高。本文选用第二种方案。

图2为ESP8266-12与单片机串口通信接口及电源电路，TXD和RXD分别接单片机的P3.0和P3.1。ESP8266-12的9和11脚通过1K上拉电阻接3.3V电源。采用AMS1117 稳压芯片将5V电源转换成3.3V直流电压，给WIFI和继电器模块供电。二极管IN4148反向截止起到保护电路的作用。拨动开关S1正常运行时接通TXD接收模块发送的数据，下载程序时用S1断开WIFI模块，以防数据干扰。

2.3 继电器驱动模块

控制系统通过继电器的方式实现开关的通断控制。继电器通过PNP型三极管驱动，当阀值超过设定时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸合，继电器起开关作用，可以驱动负载。图3为单个继电器驱动电路，单片机P2.0引脚输出一个低电平时，PNP型三极管9012导通，电流从+5V电源经线圈再经9012回到GND形成回路，此时继电器线圈得电吸合，与线圈并联的LED灯点亮，2.2K分压电阻保证LED的3V工作电压，二极管用于消除继电器吸合时产生的瞬间反相电动势，接线端子CON2可外接负载电源线，驱动负载的通断相当于一个智能开关。

2.4 DHT11温湿度采集模块

采用DHT11温湿度传感器用于检测室内温湿度并发送给单片机进行处理和显示，DHT11与STC89C51单片机连接相对简单。如图4所示，DHT11为 4 针单排引脚封装。单片机的P2.7口用来发收串行数据，即data数据口。DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线串行数据格式,一次通讯时间4ms左右。上拉电阻10K起到信号稳定的作用。传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。传感器的第三脚悬浮放置。

图4 DHT11接口电路

图5 LCD接口电路

2.5 LCD1602液晶显示电路

LCD1602能够同时显示16x02即32个字符，采用LCD1602液晶显示器显示网络连接情况、室内温湿度值以及开关状态等信息，LCD与单片机接口连接如图5所示。1脚接地，2脚接+5v电源，3脚为液晶显示器对比度调整端，通过一个10K电位器调整对比度。4脚RS接P2.7用于寄存器的选择。5脚R/W接P2.6用于读写信号的控制，6脚EN为使能端接P2.5用于液晶模块的使能控制。7～14脚即D0～D7为8位双向数据线接P0口，用于数据的读写。

2.6 智能手机APP

智能手机APP为网络调试助手安卓版。网络调试助手集成了TCP/UDP客户端服务器，服务器端支持透明传输方式、自动反馈方式和手动发送方式。采用TCP客户端模式，通过配置IP地址和COM端口号实现APP与ESP8266通信。

3 软件设计

采用ESP8266实现远程控制基本流程：ESP8266进行初始化，将手机连上ESP8266的WIFI，然后再通过手机端发送指令，ESP8266接收到命令发给单片机，单片机根据执行相应的操作。STC单片机每2秒钟从DHT11温湿度传感器中读入温度和湿度，在液晶屏上显示并通过ESP8266将采集的温湿度数据发送到手机APP显示。控制流程如图6所示。

3.1 主程序设计

控制系统软件部分主要分为WIFI配置与通信、温湿度读取、继电器驱动、LCD液晶显示四部分。系统上电后进入初始化阶段读取系统参数，温湿度传感模块启用，APP配网设置后，ESP8266配网成功直连数据服务器，传送相应的控制指令到MCU驱动继电器动作，同时实时回传数据到服务器，APP可以即时查看相关的数据。主程序流程如图7所示。

3.2 WIFI初始化

设置WIFI 的工作模式，ESP8266 支持softAP 模式、station 模式、softAP＋station 共存模式三种模式。本文采用SoftAP模式，即无线接入点模式，ESP8266发射一个WIFI热

点将手机或电脑等终端设备接入热点组建一个局域网。STC89C51单片机通过AT指令对ESP8266进行是初始化配置。

配置指令为：

AT+CWMODE=2，设置SoftAP模式。

AT+CWSAP=“NAME”,“password”，设置WIFI名称和密码。

AT+CIPSTART=“TCP”,“ X1.X2.X3.X4”,9999；让模块连上服务器X1.X2.X3.X4 为IP 地址，9999为端口。

AT+CWJAP=“ssid”,“pwd”；连接路由器，在程序中输入路由器名称ssid和密码pwd；此时，WIFI 模块就必须重启，发送指令“AT+RST”给WIFI 模块。

图6 控制流程

图7 主程序流程图

3.3 关键函数设计

void main() ；//主函数，完成系统初始化，温湿度读取调用和显示，开关的WIFI控制。

void uart_RX(void) interrupt 4；//串口中断处理函数，如果串口接收到数据，执行相应的操作，控制继电器的动作，直到收到下一个数据指令。

void Timer0 (void) interrupt 1 using 0；//定时中断函数，单片机每2秒钟从DHT11温湿度传感器中读入温度和湿度，用于MCU与DHT11的通讯。

void Uart_init( )；// 单片机串口初始化函数，波特率9600，设置T0和T1工作方式，允许串口接收数据，开中断，启动定时器。T0用于定时器，T1用于波特率发生器。

uchar DHT11(void)；// 温湿度读取子程序，采用单总线数据格式。

void LCDdisplay（）；// 液晶显示子函数，包括初始化、写指令、写数据、显示字符串和数据等。

4 结语

本文设计了一种基于ESP8266 WIFI芯片的智能开关系统，以STC单片机为主控制器，从软件和硬件两个层面论述了该方案的可行性。在该系统基础之上，还可以增设家用电器定时开关、灯光的自动调节等其他智能控制功能。通过后期的不断改进和完善，该控制器的功能将更加多样化，市场前景也会更加广阔。