一种智能继电器模块的设计与制作

郑定超， 李 稦

(浙江东方职业技术学院 信息传媒与自动化学院， 浙江 温州 325200)

随着物联网技术的不断发展，越来越多的智能电器产品和设备(例如智能家居控制系统、智能仪器仪表)出现在人们的生活和生产中。通过手机、平板等移动终端，可方便地控制设备的通断电、获取设备的运行参数等信息。物联网，顾名思义就是物物相联的互联网，当所有设备进入互联网后，我们可以通过网络方便直接地获取设备相关信息并对设备进行控制[1]。目前研发的产品大多已经智能化，许多旧设备虽然仍具有较好的使用性能，但是不能联网，不具备智能控制的功能。如果购买新设备而淘汰旧设备，就需要增加成本，也会造成较大的资源浪费。因此，本文拟设计一款具有智能控制的继电器模块，将其用于旧设备的电路改造，通过移动终端操控继电器的动作来控制设备的启停，使一些旧设备具有智能控制的功能。

1 智能继电器模块的系统框架

所设计的智能继电器模块包括继电器模块、WIFI模块、移动终端应用程序和机智云平台。这里主要介绍该系统的整体框架及其机智云平台。

1.1 系统整体框架

在普通继电器模块上加装WIFI模块，使其具备联网、无线通信的功能。WIFI模块经过烧写机智云平台固件，与云平台进行数据通信。在云平台上搭建服务器，编写计算机应用程序，实现用户终端与云平台的通信[2]。用户通过程序发送数据至云平台服务器，服务器再转发数据，通过WIFI模块到达继电器模块，从而实现远程无线控制继电器模块的功能，通过控制继电器模块达到控制设备的目的。智能继电器模块的系统整体框架如图1所示。

1.2 机智云平台

机智云是一个面向个人、企业开发的一站式智能硬件开发及云服务平台。搭建物联网平台通常需要自己架设服务器，成本高、效率低。机智云平台能够根据产品定义自动生成智能硬件与云端软件的开发工具包(Software Development Kit，SDK)。开发者只需搭建平台、定义相关数据点，即可根据开发文档进行系统开发[3]。智能继电器模块的机智云平台如图2所示。

2 智能继电器模块的具体设计

智能继电器模块的具体设计包括：硬件部分的单片机最小系统和外围模块电路设计，软件部分的云服务平台搭建，移动应用程序(APP)的开发和微控制器的控制程序设计。智能继电器模块的系统构成如图3所示。

图2 智能继电器模块的机智云平台示意图

智能继电器模块的系统实现步骤如下：

Step1：在ESP8266型芯片上烧写机智云固件；

Step2：在机智云开发者中心创建产品，并定义数据点；

Step3：下载自动生成的模组通信协议；

图3 智能继电器模块的系统构成

Step4：使用虚拟设备和机智云、APP进行系统调试；

Step5：通过机智云实现APP与虚拟设备的联动[4]。

2.1 单片机最小系统设计

单片机最小系统是指单片机能正常工作的最小模块，包括提供工作脉冲的时钟电路、提供电能的电源电路以及使电路复原到最初状态的复位电路[5]。在设计单片机最小系统电路的基础上，扩展部分输入/输出接口，可以进行后续功能的设计与添加。选用的STM8型单片机最小系统的控制模块电路如图4所示。

图4 STM8型单片机最小系统的控制模块电路图

2.2 外围模块电路设计

考虑到体积与功耗等因素，所设计系统的外围模块电路主要包括WIFI无线通信电路和继电器动作电路。WIFI无线通信电路采用乐鑫ESP8266功能模块。该模块自带WIFI网络解决方案，通过烧写机智云平台提供的固件，可快速实现设备M2M(Machine-to-Machine)接入、数据统计分析、远程控制、OTA(Over-The-Air)升级、第三方接口等功能服务[6]。

所设计系统的继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。其工作原理是电生磁原理[7]，线圈通电后产生电磁力，衔铁吸住铁芯而带动动静触点动作[8]。把继电器模块(见图5)接入所服务设备的电源电路中，通过继电器动作，控制设备电源的通断，达到对设备控制的目的。

图5 继电器模块电路图

2.3 云平台搭建及APP页面设计

硬件智能化的前提是设备能够联网。GAgent是机智云系统提供的一款兼容国内主流WIFI模块、移动网络模块的模组系统，其主要作用是数据转发。它是设备数据、机智云和应用端数据交互的桥梁[9]。在系统设计制作时，烧写平台固件后，可在厂家提供的后台开发中心创建工程项目。在系统配置完成后，下载工程提供的SDK即可进行项目的开发[10]。

在软件功能设计中，终端APP将数据发送至电路端，控制继电器动作，进而控制设备的启停状态；用户根据提示点击按钮，可操控远程设备；设备的状态能实时回送至终端APP，以便用户及时方便地查看设备状态并进行操作。图6所示为手机APP测试页面。

图6 手机APP测试页面

2.4 微控制器控制程序设计

单片机起核心控制作用。它通过WIFI模块接收APP发送的数据，处理后进行判断，控制继电器动作，并把继电器的状态数据发送给APP。微控制器的控制流程如图7所示。

图7 微控制器的控制流程

3 智能继电器模块的系统测试

智能继电器模块设计完成后，在家电小风扇的电源电路上加装此功能模块，然后通电，风扇不转；打开手机APP后点击“继电器开”按钮，风扇转动；点击“继电器关”按钮，风扇停止转动。但是，该智能继电器模块不能控制风扇转速的档位。

插座上加装该智能继电器模块，通电后插座电源指示灯不亮，插孔不通电；点击“继电器开”按钮，电源指示灯亮，插孔通电；点击“继电器关”按钮，插座断电。

经过系统测试，在旧设备上加装该智能继电器模块，能够通过APP来远程无线控制设备的通断电。

4 结 语

伴随着物联网技术的快速发展，越来越多的智能化产品不断问世，但全新智能控制系统的设计成本高、周期长。本文针对旧设备设计的智能继电器模块采用WIFI控制，可以加装在原来的电气设备上，通过控制继电器的通断实现设备的通断电，从而达到提升设备智能化水平的效果。经过系统测试，该智能继电器模块能够实现远程无线控制电气设备的通断电。但是，该模块仍存在一些不足，例如档位不能调节、不能预约断电时间，还需要进行改进。