基于Alios-Things的智能电源开关系统设计

许林 刘静超 蔡红专 陈春虎

摘 要：文章所述智能电源开关的设计是基于Alios-Things实时物联网操作系统开发的一种可同时由本地开关和手机App联网控制的电源开关。传统的电源开关需要人为操作其闭合与断开，在开关通断频繁的场合，此类开关大大浪费人力资源，且执行的效率极低。而智能电源开关能在大大节约人力资源的同时，提升开关的执行效率。此开关用户操作简单，使用方便，可给人们的生活和工作带来实质性的安全与便捷。

关键词：ESP8266;WiFi;阿里云平台;继电器

0   引言

纵观开关的发展历程，从20世纪70年代的“拉线开关”到80年代的“拇指开关”再到90年代的“翘板开关”“触摸开关”，直到现在出现了智能开关;纵观互联网发展的整个历程以及现今5G技术的诞生，人类在不久的将来进入真正的物联网时代，基于物联网平台的智能开关的出现是必然的趋势。本设计研究的主要内容是以嵌入式系统应用开发为核心，并基于Alios-Things实时物联网操作系统开发的一种可同时由本地开关和手机APP联网控制的电源开关控制器，即主要是以ESP-8266WiFi为核心功能模块开发的一款智能开关，其中网络信息传输通过阿里云物联网平台上的Alink协议实现。此智能开关控制器可大大提高开关的执行效率，并且具有较高的稳定性。整个开关设计的拓扑结构如图1所示。

1 硬件设计

1.1  MCU 模块

此设计采用的MCU是 ESP-8266WiFi模块，由安信可科技有限公司设计开发，其内部加载的核心处理器是ESP8266，模块尺寸较小，并且集成封装了超低功耗的32位微型处理器。相比其他同价位的芯片而言，它具有更加快速的运算处理能力，并且可支持实时操作系统（RTOS）。除此之外，为了其有更好的集成度，对于板载天线等一些外部设备，都集成在功能模块的PCB板上面，开发者可以方便对其编写相应功能程序，构建属于自己独立的网络，也可以为需要连网且本身没有联网功能的设备添加网络的功能，即通过网络实现对某些设备的监控与控制。因此，它在物联网设计研发中，以及在配合嵌入其他的系统设备方面有着的天然优势[1]。

1.2  电源与电平转换模块

电源与电平转换模块如图2所示。电源模块中P1为USB 接口，该模块主要为整个开关控制系统供电，其次作用是数据的交换与传输。U1是正向低压降稳压器AMS1117，本设计采用其固定版本，输出电压大小为3.3 V。在设计当中，为了确保正向低压降稳压器运行的稳定性，在其输入与输出端并联大小为10uf的滤波电容，目的是要过滤电源干扰信号，得到稳定电源信号[2]。以CH340C构成的电平转换电路，它主要是将USB电平转换TTL电平，目的是统一电平，方便与PC机相互通信，具体为CH340C芯片的D-连接USB口的D-引脚，CH340C芯片的D+引脚连接USB口的D+的引脚。与此同时，ESP-8266WiFi模块的两个接口TXD与RXD与CH340C芯片的RXD与TXD引脚相连接，其中电容C4的加入，为其增强信号的稳定性，有效防止了信号干扰[3]。

1.3  本地无线控制模块

图3为DL-BK24K6 TX/RX模块示意图。DL-BK24K6 TX/RX是一款内含微处理器可相互通讯的无线按键控制模块，该模块内置现成的无线遥控程序以及遥控学习的相关代码程序，操作用户不需要做任何的编程工作。其中DL-BK24K6 RX为无线接收模块，DL-BK24K6 TX是無线发射模块，两者的供电电压均为3.3V 直流电源。对于发射模块A7端口与接收模块B7端口来说，两者均是对码键。在使用之前，TX发射模块和RX接收模块必须相互配对，只有配对成功才能正常使用。这与蓝牙设备的配对有着异曲同工之处，其中接收模块只能识别并执行配对成功的发射模块的指令。配对成功后需要将接收配对的开关断开，其目的是禁止其他发射模块与其配对，即防止其他非法配对设备来恶意连接配对并非法操控接收设备。发射模块与接收模块两者配对完成后永久保存，上电即可使用，无需重新配对。如果用户需要清除当前的配对设备，只需长按配对按键，一直到B6的指示灯闪3次过后，即可清除配对。

在使用过程中，发射模块的发射按键S1改变A1的电平状态，进而无线遥控接收模块B1接口的输出状态，控制ESP8266 MCU芯片相应的端口功能输出。相类似，发射模块共有多路输入控制端，接收模块有对应相同路数输出控制端。各路可同时工作且互不干扰，其最大通讯距离可达到       120 m，这种设计完全有效替代传统的有线控制开关，大大节约了线路成本。

1.4  主控模块

图4所示为有MCU组成的主控制模块。对于以ESP8266为核心处理单元的模块而言，当IO15、IO0、IO2分别为低、高、高电平时，该芯片模块处于正常工作状态[4]。IO5口外接下拉电阻，为连接本地无线控制模块做准备。TXD与RXD分别连接CH340C的RXD与TXD，实现数据通讯功能。

复位按钮部分，当芯片开始上电， RST引脚低电平，系统上电复位。此时电源对电容充电，当电容两端电压等于电源两端电压之时停止充电。往往充电时间为3至5个RC时间常数。当电容充电完成的时候，RST端口为高电平，高电平对芯片无效，芯片正常工作。当需要系统复位时，复位按键按下，RST端口通过与地相连为低电平，电容同时放电，系统处于复位状态[5]。

本地按键部分，该按键设计电路经过严格的硬件消抖处理。当系统上电时，电容经过R14充电，IO13为高电平，当按键S4按下时，电容形成放电回路，电容经过放电回路放电，而电容两端的电压不能突变，是呈指数下降的过程，这个过程就是实现消抖的过程。在此项目中，为了完全保证按键的绝对准确性，采用硬件与软件结合消抖。

外围被控电路部分，当发送开关闭合指令时，IO12被控端口输出高电平，进而继电器K1线圈得电，开关吸合，工作电路闭合通电，反之当发送开关断开的指令时，系统使得IO12被控端口输出低电平，进而切断电路。本设计采用继电器促发开关电路，实现强电与弱电的隔离，有效屏蔽了两者信号的干扰。

2 软件设计

2.1  AliOS Things简介

AliOS是阿里巴巴集团旗下团队研发的智能操作云系统，该系统自上而下共分为六层，分别是BSP层、HAL层、内核层、协议栈层、安全层、中间件和服务层。该物联网操作系统融合了多个领域的技术成果，其中最典型的包括云服务、大数据以及各种智能设备操作系统。该系统具备开发简单、云端与设备端既相融又相离、相关功能模块组件极具丰富、安全防护等多种重要能力，因此它广泛应用在许多关键领域。在2017年，AliOS Things物联网操作系统源码就已正式开源，这更加提升了开发者开发产品的效率，缩短了程序开发周期，进而降低产品开发的成本。

2.2  阿里云平台设备的添加与调试

在阿里云云平台注册后进入物联网平台进行产品的创建。首先找到产品的四元组信息（PRODUCT_KEY，PRODUCT_SECRET，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET），此信息用于程序中设备的区分。其次是在相应的功能添加布尔开关量，即“0”表示开关关闭，“1”表示开关打开。从中可依据时间轴查看开关数据的折线图。其中显示状态栏可显示该设备运行是否正常。在此平台中还具有设备的在线调试功能，主要是供开发者调试设备与云端连接的工具[6]。

程序设计框架如图5所示。可开发手机APP，使得APP与阿里云云平台相连接，实现手机对开关状态的监控与控制，解决用户实时操作的开关的问题。

3   结语

本文介绍了一种基于Alios-Things物联网操作系统和ESP-8266WIFI硬件模块的智能开关系统的设计，主要从硬件和软件两个层面论述了该方案的设计。Alios-Things物联网系统非常的强大，在此设计的基础上还可添加更多的物联功能，集成为某个专业领域完整的一套物联应用系统，从而服务于人们的生产和生活。

[参考文献]

[1]郝洁，赵凌峰，梁毓豪.基于物联网的智能开关控制系统设计[J].数码世界，2020（11）：275-277.

[2]張大权.基于物联网技术的智能开关设计[J].科技风，2017（11）：12.

[3]童诗白.华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]刘理.基于WiFi模块的智能开关控制系统设计研究[J].景德镇学院学报，2019（3）：41-44.

[5]李雷，吕常智.基于物联网的智能开关[J].中国新通信，2015（14）：117-119.

[6]李福赟.利用阿里云物联网云平台制作智能电子设备实践（五）[N].电子报，2021-02-21（006）.

（编辑 傅金睿）