基于Esp8266多功能安全智能插座

王 彪，李 辉，邓俊杰，赵言胜

（武昌工学院，湖北 武汉 430065）

0 引 言

当今大学生寝室的桌子使用面积有限并且时常放置大量的电子设备，而随意放在桌面的各种饮品不小心泼洒到电子设备或插座中极易导致线路短路，所以如何高效的使用有限空间和提高用电安全显得十分重要。此外，夜里在没有照明的情况下学生上下床很容易发生摔倒等诸多问题，如果能用手机控制电灯的开关或插座的通断就很方便。正是在这种背景下设计了一套由硬件平台、服务器和手机软件构成的智能插座，实现手机的远程控制操作，并通过温度传感器检查插座内部温度，可以进行实时反馈防止过热。独特的外观设计可以防止液体的流入，同时它还具有电子钟、蓝牙音箱和电灯的功能可以减少常用电子设备数量，内部还具有的较大空间可收纳充电设备的多余电源线，提高了桌面使用面积[1-3]。

1 硬件框架

基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的硬件框架如图1所示，主要包括Arduino UNO控制器模块、ESP8266串口Wi-Fi模块、LED显示屏模块、稳压模块、继电器驱动模块及温度传感器模块。

1.1 电源转换模块

ESP8266芯片工作时所需要的工作电压是3.3 V的低压直流电，为了达到所需的工作电压，通过电源转换模块，将日常使用的220 V高压交流电转化成芯片工作时所需的3.3 V低压直流电。把日常所用的高压交流电转化为为低压直流电的方法主要有三种：（1）变压器整流滤波方案；（2）阻容降压方案；（3）开关电源方案。三种方式各有优缺点，但与其余两个方案相比，变压器整流滤波方案可以使用隔离式降压方案，这种方案比较稳定，相对容易实现，所以选择变压器整流滤波方案。

1.2 ESP8266串口Wi-Fi模块

ESP8266串口Wi-Fi模块的封装大小和低能耗技术适合移动设备和物联网的使用设计，可将平时使用的移动设备连接到Wi-Fi无线网络上，来进行互联网或局域网的互联通信，实现联网功能。ESP8266具有完善的节能结构可以长时间工作，支持三种不同工作模式，分别是主动模式、睡眠模式和深度睡眠模式，用户可根据需要选择相应的模式。ESP8266串口Wi-Fi拥有很多优点，如能耗较低、体积较小、价格便宜、烧写固件方便、传输数据速度快、工作温度范围极其广泛、保持稳定的性能及适应各种操作环境。此外，ESP8266仅需很少的外围电路，可将所占PCB空间降低。

图1 硬件框架图

1.3 继电器驱动模块

本文设计的智能插座的继电器驱动模块是使用3.3 V低压电源来控制220 V高压开关，继电器设置为高电平触发。继电器驱动模块与Arduino UNO控制器的连接关系是：继电器驱动模块的VCC、GND连接Arduino UNO控制器的8管脚和GND，继电器的IN1、IN2连接插座。继电器驱动模块起到电动开关的作用，通过Arduino UNO控制继电器驱动模块，再由继电器驱动模块控制插座的通断或电灯的开关。智能插座设计的继电器驱动模块在关闭和开启时都有LED显示灯闪烁不同颜色来提示，当使用者需要切断插座电源时，通过移动设备将关闭信号传递给Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器接收到需要关闭插座信号后，使8管脚置低电平，相应的继电器驱动模块关闭电源，然后插座就不会通电；同样当使用者需要打开插座时，通过网络将信号传递给Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器把8管脚设置为高电平。

1.4 传感器模块

本文所设计的智能插座的传感器模块为温度传感器。在平时生活中，存在使用插座充电时无人注意情况，如果插座使用时负载太大，就有可能会短路引发火灾事故。但利用温度传感器检测插座内温度过高，那么温度传感器就把温度过高的信号传送到Arduino，Arduino通过继电器切断插座电源供给，同时Arduino通过ESP8266向手机发送信息，使用户及时采取措施，避免造成更大的损失。

2 SolidWorks模拟的外部图形

图2为插座实物仿真图。

2.1 尺寸及各功能说明

智能插座各组成部分：①为插座的外部挡板；②为电子时钟显示屏；③为光源；④为蓝牙音响；⑤为电子设备充电线末端伸出位置；⑥为电源插孔。

尺寸：长为32 cm，宽为14 cm，高为14 cm。

插座接通电源，用电子设备将插头插入⑥的电源插孔中，多余电源线部分可都放入插座中的多余空间内，仅仅将电子设备充电线末端从⑤的小孔中伸出，然后将①挡板关闭，这样可以防止液体进入保证使用安全，也可以将多余的线进行隐藏保持桌面整洁，③是光源与插座连为一体，拥有较大的发光面积可以调节亮度并进行远程开关，并且它与插座主体有一定距离，避免插座过热造成的危害，④是音响可以与手机蓝牙连接播放音乐，本产品有极大的可开发性可以与其他物品相结合，使其更具实用性。

图2 实物仿真图

3 软件的设置

使用ESP8266进行智能插座的远程无线控制基本操作：首先ESP8266进行初始化，将移动设备连接上ESP8266的Wi-Fi，通过移动设备发送指令到服务器，服务器将信息传递给ESP8266，最后ESP8266接受消息并将数据传给Arduino开发板，开发板通过控制继电器模块实现插座的通断或电灯的开关，并通过ESP8266将采集的温度数据发送反馈到手机显示，防止插座温度过高引起火灾。控制流程如图3所示。

图3 控制流程图

3.1 Wi-Fi的初始化

首先设置串口Wi-Fi的工作模式。通常ESP8266共支持3种工作模式，分别是softAP模式、station模式及softAP＋station。通常采用softAP模式，即无线接入点模式，因为它可以降低无线组网的成本。ESP8266发送Wi-Fi热点信号，将移动端设备接入热点组建一个局网中。

ESP82666初始化设置步骤如下。

（1）发送AT+CWMODE=2，设置Wi-Fi的工作模式为softAP模式，即无线接入点模式。

（2）AT+CWSAP=“name”，“password”，设置Wi-Fi名称和密码。

（3）发送AT+CIPMUX=0，并设置禁止多连接模式。

（4）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。

3.2 通信协议和服务器的搭建

微信小程序和ESP8266的通信协议的拟定如下。

微信小程序下发控制的通信协议如表1所示。

ESP8266上报同步的通信协议如表2所示。

使用百度天工服务器去搭建微信小程序MQTT硬件服务器的过程如下：

（1）在百度云注册账号，在“已开通服务”中选择“物接入loT Hub”进行身份创建；

（2）开始创建身份，填写必要信息，选择数据类型MQQT；

（3）创建身份完成后，拿到MQTT连接的密码和账号；

（4）一共要创建2个用户，一个是设备ESP8266，一个是微信小程序连接客户端。

4 结 论

本文系统地介绍了基于ESP8266串口Wi-Fi的智能插座的实现，重点介绍了设计思路、硬件与软件的实行方案，以供参考。

表1 下发通信协议

表2 上报通信协议