一种物联网开关电路设计

陈雄海 ,邱少嗳 ,吴琳欣 ,孙 雄 ,徐文豪

(1.海南省海口技师学院,海南 海口 570000;2.海口丰润动漫单片机微控科技开发有限公司,海南 海口 570000)

0 引言

插座在当今生活中早已随处可见,插座面板的形态、种类及功能特点也日益增加。这类插座能够满足普遍用户的日常生活,也可以有效解决实际问题,但随着时代的发展、科技的进步,插座智能化已然是当下乃至未来的趋势,需要具备远程控制功能,甚至控制界面和底层逻辑功能也需具备DIY 功能,即用户可根据提供的SDK 软件,对插座固件程序进行二次开发,实现丰富多变的功能。如此一来,传统插座的功能就显得比较局限。本文为此提出一款可以进行二次开发的物联网云平台智能开关,满足用户DIY、手机移动设备远程控制功能。

1 整体设计方案

可二次开发的物联网云平台智能开关电路由智能插座硬件和手机移动端控制软件组成。当中涵盖阿里云生活物联网平台的界面开发、云平台配网技巧及WiFi 模组固件的二次开发[1]。控制软件和智能硬件之间,主要采用WiFi 通信来完成,因此需要功能强大的WiFi 芯片模组作为控制核心,既能完成复杂的WiFi 协议组网功能、云平台连接功能、数据无缝传输功能和IO逻辑控制功能。物理插座的通断电开关功能通过交流继电器控制电路实现,如图1 所示。

图1 整体设计方案

智能开关面板预留一位多功能轻触按键,用于内置的WiFi 模组的“一键配网”功能[2],同时也可作为内置交流继电器的开关控制触发。轻触按键表面采用导光柱结构,内置一位双色LED 发光二极管,可切换两种不同颜色的灯光显示效果,实现智能开关工作状态指示及交流继电器吸合情况。

控制软件端采用阿里云自带的云组态界面设计,配合“云智能”App,可将界面轻松导入手机、平板等移动设备上,同时由于阿里官方已发布适配不同操作系统的应用App,因此用户设计的控制软件可以无缝实现跨平台使用。

2 硬件设计

2.1 WiFi 模组

WiFi 模组是整个智能开关的“心脏”,属于最核心的部件,采用的是ESP8285 芯片模组(见图2),利用其中一个IO 引脚作为继电器驱动电路的控制脚,即可实现插座开关的通电与断电功能。

图2 WiFi 模组电路原理

2.2 继电器驱动

继电器使用高性能交流继电器(见图3),采用“光耦+三极管”驱动结构[3],最大程度节省硬件布线空间,同时实现了隔离控制效果,进一步提高电路可靠性。

图3 隔离式继电器驱动电路

2.3 二次开发编程接口

如图4 所示,二次开发编程接口采用CH340G 芯片为核心,转换电脑USB 和TTL 电平,配合三极管开关电路,实现WiFi 模组固件的自动下载功能,方便用户更改控制程序,轻松实现DIY 功能。

图4 编程下载口电路

3 软件设计

系统软件设计主要是ESP8285 的SDK 开发,当中涉及相当复杂的WiFi 通信协议栈应用,以及云平台连接的算法[4];同时固件程序需要将来自WiFi 网络的数据进行过滤,筛选出有效的用户数据,提取其中的关键控制信息,执行可靠的逻辑控制操作。同时软件在设计上,需要考虑用户的二次开发便捷性,预留用户关键数据存储区,就算用户DIY 的过程中反复烧录固件程序,芯片模组的注册信息,配网信息均可原样保留,这样可以极大程度上提高二次开发效率。软件运行的主要流程如图5 所示。

图5 软件设计框架

4 结语

物联网智能开关设计理念以实际应用+开发学习为主。

在实际应用方面,用户可通过简单的配网操作将智能开关连接至家用WiFi 中,使用手机打开云平台对应的控制App 即可实现远程控制,双色LED 发光二极管的硬件设计让工作状态表现得更为明确简单,提高了人机交互的简易度。

在开发学习方面,智能开关所提供的开源程序及程序注释便于用户更好地理解控制程序的逻辑,简单的程序框架大大降低了学习的难度。用户可通过电脑连接二次开发编程接口进行控制程序的下载与更改,以鼓励自主开发、玩中求学的方式提高用户的学习激情。同时,硬件的框架设计十分清晰,便于初学者在学习物联网结构时的理解。

物联网云平台智能开关以WiFi 入网方式更贴近当下科技热潮,向用户更好地诠释了物联网的结构体系,让用户明白物联网不再是高深莫测、触不可及的技术,而是一个十分简单、实用、能够引领科技新浪潮的革新技术。

随着时代的进步,物联网不再仅仅是一个停留在概念上的科技代名词,在许多城市的各个角落也早已出现了物联网的“身影”,例如酒店、小区、学校、工厂等等,物联网技术正在逐渐走进我们的生活、工作与学习中。

万物物联的时代不再遥远,那些我们曾经幻想的高品质、高科技的生活已经触手可及,所以掌握物联网技术应是每个人所必需的,这也是物联网智能开关的设计初衷。学以致用,玩中求学,这将会是学习物联网技术的一个全新的思路。