許林 劉靜超 蔡紅專 陳春虎

摘 要：文章所述智能電源開關(guān)的設(shè)計是基于Alios-Things實時物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)開發(fā)的一種可同時由本地開關(guān)和手機App聯(lián)網(wǎng)控制的電源開關(guān)。傳統(tǒng)的電源開關(guān)需要人為操作其閉合與斷開，在開關(guān)通斷頻繁的場合，此類開關(guān)大大浪費人力資源，且執(zhí)行的效率極低。而智能電源開關(guān)能在大大節(jié)約人力資源的同時，提升開關(guān)的執(zhí)行效率。此開關(guān)用戶操作簡單，使用方便，可給人們的生活和工作帶來實質(zhì)性的安全與便捷。

關(guān)鍵詞：ESP8266;WiFi;阿里云平臺;繼電器

0 ? 引言

縱觀開關(guān)的發(fā)展歷程，從20世紀70年代的“拉線開關(guān)”到80年代的“拇指開關(guān)”再到90年代的“翹板開關(guān)”“觸摸開關(guān)”，直到現(xiàn)在出現(xiàn)了智能開關(guān);縱觀互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的整個歷程以及現(xiàn)今5G技術(shù)的誕生，人類在不久的將來進入真正的物聯(lián)網(wǎng)時代，基于物聯(lián)網(wǎng)平臺的智能開關(guān)的出現(xiàn)是必然的趨勢。本設(shè)計研究的主要內(nèi)容是以嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)為核心，并基于Alios-Things實時物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)開發(fā)的一種可同時由本地開關(guān)和手機APP聯(lián)網(wǎng)控制的電源開關(guān)控制器，即主要是以ESP-8266WiFi為核心功能模塊開發(fā)的一款智能開關(guān)，其中網(wǎng)絡(luò)信息傳輸通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺上的Alink協(xié)議實現(xiàn)。此智能開關(guān)控制器可大大提高開關(guān)的執(zhí)行效率，并且具有較高的穩(wěn)定性。整個開關(guān)設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 硬件設(shè)計

1.1 ?MCU 模塊

此設(shè)計采用的MCU是 ESP-8266WiFi模塊，由安信可科技有限公司設(shè)計開發(fā)，其內(nèi)部加載的核心處理器是ESP8266，模塊尺寸較小，并且集成封裝了超低功耗的32位微型處理器。相比其他同價位的芯片而言，它具有更加快速的運算處理能力，并且可支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）。除此之外，為了其有更好的集成度，對于板載天線等一些外部設(shè)備，都集成在功能模塊的PCB板上面，開發(fā)者可以方便對其編寫相應(yīng)功能程序，構(gòu)建屬于自己獨立的網(wǎng)絡(luò)，也可以為需要連網(wǎng)且本身沒有聯(lián)網(wǎng)功能的設(shè)備添加網(wǎng)絡(luò)的功能，即通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對某些設(shè)備的監(jiān)控與控制。因此，它在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計研發(fā)中，以及在配合嵌入其他的系統(tǒng)設(shè)備方面有著的天然優(yōu)勢[1]。

1.2 ?電源與電平轉(zhuǎn)換模塊

電源與電平轉(zhuǎn)換模塊如圖2所示。電源模塊中P1為USB 接口，該模塊主要為整個開關(guān)控制系統(tǒng)供電，其次作用是數(shù)據(jù)的交換與傳輸。U1是正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117，本設(shè)計采用其固定版本，輸出電壓大小為3.3 V。在設(shè)計當中，為了確保正向低壓降穩(wěn)壓器運行的穩(wěn)定性，在其輸入與輸出端并聯(lián)大小為10uf的濾波電容，目的是要過濾電源干擾信號，得到穩(wěn)定電源信號[2]。以CH340C構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，它主要是將USB電平轉(zhuǎn)換TTL電平，目的是統(tǒng)一電平，方便與PC機相互通信，具體為CH340C芯片的D-連接USB口的D-引腳，CH340C芯片的D+引腳連接USB口的D+的引腳。與此同時，ESP-8266WiFi模塊的兩個接口TXD與RXD與CH340C芯片的RXD與TXD引腳相連接，其中電容C4的加入，為其增強信號的穩(wěn)定性，有效防止了信號干擾[3]。

1.3 ?本地?zé)o線控制模塊

圖3為DL-BK24K6 TX/RX模塊示意圖。DL-BK24K6 TX/RX是一款內(nèi)含微處理器可相互通訊的無線按鍵控制模塊，該模塊內(nèi)置現(xiàn)成的無線遙控程序以及遙控學(xué)習(xí)的相關(guān)代碼程序，操作用戶不需要做任何的編程工作。其中DL-BK24K6 RX為無線接收模塊，DL-BK24K6 TX是無線發(fā)射模塊，兩者的供電電壓均為3.3V 直流電源。對于發(fā)射模塊A7端口與接收模塊B7端口來說，兩者均是對碼鍵。在使用之前，TX發(fā)射模塊和RX接收模塊必須相互配對，只有配對成功才能正常使用。這與藍牙設(shè)備的配對有著異曲同工之處，其中接收模塊只能識別并執(zhí)行配對成功的發(fā)射模塊的指令。配對成功后需要將接收配對的開關(guān)斷開，其目的是禁止其他發(fā)射模塊與其配對，即防止其他非法配對設(shè)備來惡意連接配對并非法操控接收設(shè)備。發(fā)射模塊與接收模塊兩者配對完成后永久保存，上電即可使用，無需重新配對。如果用戶需要清除當前的配對設(shè)備，只需長按配對按鍵，一直到B6的指示燈閃3次過后，即可清除配對。

在使用過程中，發(fā)射模塊的發(fā)射按鍵S1改變A1的電平狀態(tài)，進而無線遙控接收模塊B1接口的輸出狀態(tài)，控制ESP8266 MCU芯片相應(yīng)的端口功能輸出。相類似，發(fā)射模塊共有多路輸入控制端，接收模塊有對應(yīng)相同路數(shù)輸出控制端。各路可同時工作且互不干擾，其最大通訊距離可達到 ? ? ? 120 m，這種設(shè)計完全有效替代傳統(tǒng)的有線控制開關(guān)，大大節(jié)約了線路成本。

1.4 ?主控模塊

圖4所示為有MCU組成的主控制模塊。對于以ESP8266為核心處理單元的模塊而言，當IO15、IO0、IO2分別為低、高、高電平時，該芯片模塊處于正常工作狀態(tài)[4]。IO5口外接下拉電阻，為連接本地?zé)o線控制模塊做準備。TXD與RXD分別連接CH340C的RXD與TXD，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。

復(fù)位按鈕部分，當芯片開始上電， RST引腳低電平，系統(tǒng)上電復(fù)位。此時電源對電容充電，當電容兩端電壓等于電源兩端電壓之時停止充電。往往充電時間為3至5個RC時間常數(shù)。當電容充電完成的時候，RST端口為高電平，高電平對芯片無效，芯片正常工作。當需要系統(tǒng)復(fù)位時，復(fù)位按鍵按下，RST端口通過與地相連為低電平，電容同時放電，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)[5]。

本地按鍵部分，該按鍵設(shè)計電路經(jīng)過嚴格的硬件消抖處理。當系統(tǒng)上電時，電容經(jīng)過R14充電，IO13為高電平，當按鍵S4按下時，電容形成放電回路，電容經(jīng)過放電回路放電，而電容兩端的電壓不能突變，是呈指數(shù)下降的過程，這個過程就是實現(xiàn)消抖的過程。在此項目中，為了完全保證按鍵的絕對準確性，采用硬件與軟件結(jié)合消抖。

外圍被控電路部分，當發(fā)送開關(guān)閉合指令時，IO12被控端口輸出高電平，進而繼電器K1線圈得電，開關(guān)吸合，工作電路閉合通電，反之當發(fā)送開關(guān)斷開的指令時，系統(tǒng)使得IO12被控端口輸出低電平，進而切斷電路。本設(shè)計采用繼電器促發(fā)開關(guān)電路，實現(xiàn)強電與弱電的隔離，有效屏蔽了兩者信號的干擾。

2 軟件設(shè)計

2.1 ?AliOS Things簡介

AliOS是阿里巴巴集團旗下團隊研發(fā)的智能操作云系統(tǒng)，該系統(tǒng)自上而下共分為六層，分別是BSP層、HAL層、內(nèi)核層、協(xié)議棧層、安全層、中間件和服務(wù)層。該物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)融合了多個領(lǐng)域的技術(shù)成果，其中最典型的包括云服務(wù)、大數(shù)據(jù)以及各種智能設(shè)備操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備開發(fā)簡單、云端與設(shè)備端既相融又相離、相關(guān)功能模塊組件極具豐富、安全防護等多種重要能力，因此它廣泛應(yīng)用在許多關(guān)鍵領(lǐng)域。在2017年，AliOS Things物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)源碼就已正式開源，這更加提升了開發(fā)者開發(fā)產(chǎn)品的效率，縮短了程序開發(fā)周期，進而降低產(chǎn)品開發(fā)的成本。

2.2 ?阿里云平臺設(shè)備的添加與調(diào)試

在阿里云云平臺注冊后進入物聯(lián)網(wǎng)平臺進行產(chǎn)品的創(chuàng)建。首先找到產(chǎn)品的四元組信息（PRODUCT_KEY，PRODUCT_SECRET，DEVICE_NAME，DEVICE_SECRET），此信息用于程序中設(shè)備的區(qū)分。其次是在相應(yīng)的功能添加布爾開關(guān)量，即“0”表示開關(guān)關(guān)閉，“1”表示開關(guān)打開。從中可依據(jù)時間軸查看開關(guān)數(shù)據(jù)的折線圖。其中顯示狀態(tài)欄可顯示該設(shè)備運行是否正常。在此平臺中還具有設(shè)備的在線調(diào)試功能，主要是供開發(fā)者調(diào)試設(shè)備與云端連接的工具[6]。

程序設(shè)計框架如圖5所示?？砷_發(fā)手機APP，使得APP與阿里云云平臺相連接，實現(xiàn)手機對開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控與控制，解決用戶實時操作的開關(guān)的問題。

3 ? 結(jié)語

本文介紹了一種基于Alios-Things物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)和ESP-8266WIFI硬件模塊的智能開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計，主要從硬件和軟件兩個層面論述了該方案的設(shè)計。Alios-Things物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)非常的強大，在此設(shè)計的基礎(chǔ)上還可添加更多的物聯(lián)功能，集成為某個專業(yè)領(lǐng)域完整的一套物聯(lián)應(yīng)用系統(tǒng)，從而服務(wù)于人們的生產(chǎn)和生活。

[參考文獻]

[1]郝潔，趙凌峰，梁毓豪.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)碼世界，2020（11）：275-277.

[2]張大權(quán).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開關(guān)設(shè)計[J].科技風(fēng)，2017（11）：12.

[3]童詩白.華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4]劉理.基于WiFi模塊的智能開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].景德鎮(zhèn)學(xué)院學(xué)報，2019（3）：41-44.

[5]李雷，呂常智.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能開關(guān)[J].中國新通信，2015（14）：117-119.

[6]李福赟.利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺制作智能電子設(shè)備實踐（五）[N].電子報，2021-02-21（006）.

（編輯 傅金睿）