基于机智云平台的智能WiFi插座设计与实现

邓天金 王昭武 樊娟

摘要：随着智能化科技的飞速发展，智能设备的需求也不断增加。智能插座将传统的插座与WiFi技术相结合，通过云平台连接服务器实现智能化管理，用户通过手机App即可实现远程控制，如插座的开/关、定时设置、倒计时设置、循环设置。此外，还有电量统计、过载保护、带载能力强的特点。设计成果经过调试，达到预期效果，各项性能指标均稳定，能较好的满足人们日常生活中电器设备的管理需求。

关键词：WiFi技术;云平台;手机App;智能插座

中图分类号： TM503.5              文献标识码： A

当前，物联网技术已经成为智能化领域的研究與应用热点[1]，智能化产品开始走进人们的生活，给人们带来了极大的便利。在智能时代的潮流下，智能家居、智能城市、智能工业等智能化设备得到不断的进步与发展，智能插座在智能家居[2]和智能用电技术[3]的基础上得以发展。

智能插座主要技术包括通信技术、硬件端电路技术、手机App应用端开发技术等。通信技术采用无线通信技术，常见的无线通信技术有蓝牙、ZigBee、WiFi等，采用不同的无线通信技术对智能设备的实际应用效果影响非常大。例如：○1基于蓝牙控制的智能家居系统的研究，通过手机蓝牙作为主机来访问作为从机的蓝牙设备，从而实现控制设备。优点是在没有网络的情况下还能进行通信，缺点是蓝牙传输距离短，用户只能对有效范围内的设备进行控制。○2采用ZigBee通信技术的智能插座设计[4]具有低成本、低功耗等优点，但它不具备实时数据反馈和远程控制，接入互联网需要复杂的网关转换。因此，ZigBee通信技术存在灵活性差、通信距离短的缺点。相比于其它两种通信技术，WiFi通信技术[5]具有建设便捷、覆盖范围广、高数据传输速率、无线接入等优点。

针对以上问题，综合各种无线通信技术、硬件系统、软件系统以及云平台和设计成本的考虑，本文设计了一款基于机智云平台的智能WiFi插座。其采用无线WiFi通信技术，只要在有网络的地方就可以通过手机应用端随时监测和控制插座，加上机智云平台提供可靠和稳定的服务器服务，使得这款插座具有低功耗、低成本、功能丰富、安全可靠等优点，给人们提供了一种安全、便利、可靠的生活环境。

1 智能WiFi插座的系统设计方案

如图1所示，整个系统设计框架主要由机智云平台、手机App应用端、ESP8266WiFi模组、插座硬件端、路由器等组成，通过建立连接和传输协议，使已经移植好GAgent的ESP8266WiFi模组与路由器连接到互联网，由机智云平台提供服务器服务，用户使用手机连接WiFi，再通过手机App绑定插座设备，即可远程控制插座，实现智能化管理。

1.1 机智云平台

机智云平台[6]为开发者提供了自助式智能硬件开发工具与开放的云端服务。通过自助工具、完善的SDK与API服务能力，最大限度降低了物联网硬件开发的技术门槛，降低开发者的研发成本，提升开发者的产品投产速度，帮助开发者进行硬件智能化升级，更好的连接。

1.2 手机App应用端

本设计是针对Android系统进行的开发[7]。首先，在机智云平台根据自己项目需求创建数据点。所谓数据点，即通信时传递的信号控制量。例如：开/关为布尔型、定时开/关为数值型、电量统计为数值型。接着，机智云平台会根据定义的数据点，自动生成对应的Android应用框架，将Android应用框架进行二次开发，进行界面UI的美观化和加入更丰富的功能。最后，将源码生成APK包，发布到腾讯应用宝，其将会提供二维码，用户只需扫码下载安装即可。

1.3 GAgent

1.3.1 GAgent功能概述

GAgent是运行在各种通讯模组上的一款应用程序，又称固件，提供上层应用（手机App等控制端、云端）到产品设备的双向数据通讯，还提供对设备的配置入网、发现绑定、程序升级等功能。GAgent主要的作用是数据转发，是设备数据、机智云、应用端（App）的数据交互桥梁。因此，将GAgent固件移植到ESP8266WiFi模组中，即可实现WiFi模组配置入网。

1.3.2 GAgent接入机智云流程

设备上电

GAgent请求设备信息;

回复GAgent设备信息;

设备正常工作，需回复GAgent发出的心跳包;

GAgent网络状态发生变化通知MCU。

配置入网

为了使设备连接路由器，需要进行配置入网。目前主要有3种配网方式：airkiss（微信）、airlink、softap。本设计采用配置入网的方式为：airlink。配置入网步骤为：

App端连接路由器，通过添加设备，填写SSID、密码;

MCU端发送串口指令，使GAgent进入airlink模式。App端点击配置设备，发送UDP配置包给GAgent，GAgent通过收到的SSID和密码，连接到路由器，并发送配置成功包给App;

App收到配置成功包，配置入网成功。

搜索、绑定设备

手机设备连接WiFi，通过App登陆账户连接云端（若是新用户，需完成注册才能登陆），

App发送UDP广播包（刷新设备列表）给GAgent，GAgent收到后发送回复信息，App获取云端设备列表，并显示设备列表，MCU通过串口发送进入绑定模式包给GAgent，GAgent进入绑定模式，App绑定GAgent成功。

1.4 插座硬件端设计

如图2所示，插座硬件端主要包括ESP8266WiFi模组、AD-DC降压模块、继电器、AMS1117-3.3V稳压模块、HLW8012电量统计芯片等组成。

1.4.1硬件系统连接流程

由于ESP8266WiFi模组[8]本身就是单片机，因此它既充当通信设备，也是控制单元。利用AD-DC降压模块将220V交流电转为5V直流电，分别为继电器、HLW8012芯片和ESP8266WiFi模组提供电源，其中ESP8266WiFi模组要求3.3V稳定电源，利用AMS1117-3.3V稳压模块将5V电源转为3.3V为其供电。ESP8266WiFi模组的GPIO口通过三极管实现继电器控制，继电器的光耦隔离两端串接在火线上，从而实现通过GPIO口来控制电源的断开或闭合。继电器电路图如图3所示。

1.4.2 HLW8012电量统计设计

HLW8012为单相多功能计量芯片[9]，其提供高频脉冲 CF 用于电能计量和高频脉冲 CF1 用于指示电流有效值或者电压有效值，该芯片采用 SOP8 封装。 HLW8012电路连接图如图4所示，电路采样结构采用：非隔离采样方案 +非隔离电源，此结构具有体积小、成本低的优点。此外，该电路是以N为参考电平，即N是0V，L对N的电压有效值是220V。图4中参考电平N和5V参考电平GND需要连在一次，否则会因为输入信号 V1P、V1N和V2P相对于GND的电压是虚浮的状态而烧坏芯片。

HLW8012引脚说明

如图4所示，HLW8012引脚V1P，V1N为输入电流采样信号，将锰铜电阻R2串接入零线，通过测其两端电压值来计算电流值;引脚V2P为输入电压采样信号，串接入火线，4个470K电阻分压后得到交流电输入至V2P引脚进行测量;CF、CF1直接接入到 CPU 的输入端，通过计算 CF、CF1 的脉冲周期来计算功率值、电流有效值和电压有效值的大小;SEL 为电压/电流测量切换端口，SEL置高（高电平>4.5V），CF1 输出电压频率脉冲，SEL 置低，CF1 输出电流频率脉冲。

功率、电压和电流的计算

HLW8012数据手册中有功率、电压和电流在理论状态下的计算公式，但是由于芯片内部和外围采样电路的影响会导致误差，因此需要将设计的插座进行校正，通过校正后的数据再进行计算，以缩小误差。

CF 脚输出的脉冲频率的周期表示功率值 P，功率越大，CF 脚输出的脉冲频率越大，成比例变化。即符合等比公式：

参数说明： Pref ：参考负载功率

Fref ：参考负载的脉冲频率

P ：负载

F ：负载对应 CF1 脚输出的脉冲频率

变量Pref和Fref是将插座进行校正后的参考值，F为CF引脚输出的脉冲频率，功率P即为所求值。同理，电压和和电流的计算也符合等比公式，注意电压或电流测量时需用SEL端口进行切换，并且切换后需延时一段时间，再进行读取数据，本设计只采用电流测量。

插座的校正

如果对精度要求不高，允许在 5%-10%左右，那么可以不进行校准，直接参考相关的校正文件。校正过程如下：在测试过程中，使用己知负载，比如使用 Pref=100W 灯泡当作负载，插在插座上并通电，然后 CPU 实测出 100W 负载下的功率频率 Fref（周期）、电压频率（周期）和电流频率（周期），并记录下来，把这组数据做为常数，写入CPU程序内。最后利于等比关系用于计算，就可以得出接近于真实值的数据，P=F* P_ref/F_ref ， Pref和Fref是己知量，F是CPU实测的未知负载的CF输出频率。

2 智能WiFi插座的功能与实现

2.1 App登陆与设备綁定

首先，打开App，进入“登陆”界面，通过注册账号进行登陆。接着，进入“我的设备”界面，点击“一键配置”，长按插座的入网配置按钮3秒，使得ESP8266WiFi模组进入联网配置模式。然后，输入WiFi账号和密码，应用将根据输入的WiFi信息去匹配设备。匹配完成后，即可以点击设备，进入插座控制界面，如图5所示。

2.2 插座的功能介绍

插座的开/关

用户直接点击图5中正上方的插座图标，即可实现开/关控制，当插座为开启状态时，会显示电量统计值。

插座的定时控制

当模式切换为“定时”模式时，MCU会首先同步网络时间，并将网络时间进行一次上报。如果用户输入预约开启或关闭时间，在MCU端接收到此数据点后，将进行解析，并以每一分钟的间隔时间将解析时间与同步的网络时间做对比，当满足条件时，GPIO口将输出高/低电平，控制继电器开/关。时间设定完毕后，MCU本地会保存当前设定的定时时间，本地RTC时钟会正常运行，因此即使过程中断网，也不会影响已经设定的定时开关操作。

插座的倒计时控制

当模式切换为“倒计时”模式时，在用户输入倒计时开启或关闭的时间后，MCU收到此数据点，并进行解析，将解析的时间值存入定时器，当定时器到达预设条件时，触发中断，GPIO口将输出高/低电平，控制继电器开/关。

循环开/关

当选择循环打开时，定时或者倒计时模式会以一天的周期进行循环。

3 智能WiFi插座的应用前景分析

3.1智能WiFi插座的应用特点

智控功能

手机远程遥控，一键开关，多种定时模式，比如可以根据热水器、小夜灯、鱼缸、取暖器等多种场景开启相应定时模式。

简单的配网方法

下载软件;

接入电源;

添加/查找设备;

网络配置;

配网完成。

3.2智能WiFi插座的应用分析

插座从普通的电器连接器升级成了拥有独立系统的智能化设备[10]，是一种拥有不错创意的产品。它利用了现有家庭中的WiFi网络，让智能手机或平板电脑等在联网条件下，通过App操作打开或者关闭指定的电器。由于智能插座能够做到让电器完全断电，对于电视机、电热水器等待机功率较大的电器，用智能插座控制后就能做到随用随开，每个月也能省下可观的电费。以往离家在外无法完成的家务事，通过WiFi智能插座可让电器独立完成，给用户的生活带来了诸多的便利，并且内设防短路、防过载的功能，真正做到安全。

4 结语

在当前的社会发展环境下，智能化发展是未来的发展趋势。一款好的智能产品能极大的丰富人们的生活品质，提高人们的生活质量。本文从将插座智能化的角度出发，设计了一款基于机智云平台的智能WiFi插座，用户通过它不仅能方便的管理用电设备，而且还能减少用电开销，更是为家人添加一份安全保障。通过对设计的不断完善和测试，该成果各项性能可靠、稳定。因此，这款智能WiFi插座具有较高的应用价值和广阔的市场前景。

参考文献

朱洪波，楊龙祥，朱琦.物联网技术进展与应用[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2011，31（01）：1-9.

严萍，张兴敢，柏业超，杜仲林.基于物联网技术的智能家居系统[J].南京大学学报（自然科学版），2012，48（01）：26-32.

陈辉，余南华，陈炯聪.探讨智能用电技术的应用[J].广东电力，2011，24（01）：82-86.

李伟，王利，易子川，周国富.一种鲁棒的ZigBee智能插座扩展系统[J].计算机工程，2016，42（08）：305-310+315.

李晓阳.WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术，2012，36（02）：196-198.

李宁，卞祥.基于机智云的智能宿舍系统设计[J].物联网技术，2016，6（02）：59-60+64.

张新星.基于Android手机的智能插座设计[D].浙江大学，2014.

曹振民，陈年生，马强，武凌，武婧.基于ESP8266的无线控制电路设计[J].工业控制计算机，2017.

张庭亮，甄倩倩，杨满意.基于STM32与HLW8012的单相智能电表的设计[J].电子世界，2017（20）：107-108.

章鹿华，王思彤，易忠林，袁瑞铭，周晖，殷庆铎.面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J].电测与仪表，2010，47（09）：35-38.

作者简介：

邓天金（1996-），男，四川人，大学本科，现就读于西北民族大学电子信息工程专业，主要从事于电子信息方面的研究。

王昭武（1998-），男，江西人，大学本科，现就读于西北民族大学电子信息工程专业，主要从事于电子信息方面的研究。

通讯作者：

樊娟（1983-），甘肃渭源人，实验师，硕士，主要研究方向为大学物理实验教学、物理教育。