智能開關(guān)硬件電路程序設(shè)計

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合發(fā)展的一種新興技術(shù)產(chǎn)物。而智能開關(guān)是智能家居的一種體現(xiàn)形式。早期的智能開關(guān)只能通過其預(yù)設(shè)的程序執(zhí)行操作，無法對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制且體現(xiàn)智能家居的智能化。之后出現(xiàn)的智能家居解決方案是將設(shè)備通過雙絞線與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)連接，由于有線連接存在著傳輸距離短以及布線困難的問題，其在智能家居的設(shè)計中已被逐漸淘汰。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，其遠(yuǎn)距離，低功耗，低成本的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)。故現(xiàn)代智能家居多采用無線連接技術(shù)。Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)的技術(shù)，通常使用2.4GHz射頻頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。使用2.4GHz頻段具有成本低，通用性強，發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，故被智能家居的設(shè)計所廣泛采用。

一、STC15系列單片機與ESP8266芯片概述

STC15系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的一系列兼容8051內(nèi)核的低成本，低功耗，高速單片微型計算機。在STC15系列單片機中，STC15F2K60S2的應(yīng)用較為廣泛。其內(nèi)置60K的大容量Flash儲存器和2K的RAM。與傳統(tǒng)8051內(nèi)核單片機不同，STC15F2K60S2自帶兩個全雙工的UART串口，并且在片內(nèi)內(nèi)置了一個8通道的10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以省去外接的A/D轉(zhuǎn)換芯片，空余出數(shù)據(jù)總線供單片機I/O接口使用。除此之外其還內(nèi)置了三個16位的定時器，高精度的晶體振蕩器，1K的EEPROM供用戶使用（通過IAP技術(shù)讀寫內(nèi)部Flash儲存器實現(xiàn)），內(nèi)置的EEPROM可供掉電保存數(shù)據(jù)使用。

ESP8266是由ESPRESSIF公司生產(chǎn)的一款低功耗，高集成度的物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi芯片。其內(nèi)置了一個時鐘頻率160MHz的32位高速微處理器，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻模塊、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等。得益于其芯片的高集成度，ESP8266芯片可以在外圍只有7個元件的情況下工作。

二、智能開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

整個系統(tǒng)根據(jù)其功能可分為控制模塊，采集模塊和通信模塊。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1控制模塊

控制模塊由IN4007型二極管，PC817光耦，S8050NPN型三極管和5V繼電器組成。由于單片機I/O接口輸出電流小，無法直接驅(qū)動繼電器，故需光耦元件間接驅(qū)動，同時單片機引腳與繼電器線圈之間通過光耦元件實現(xiàn)光電隔離，避免了強電電路和弱電電路之間的相互干擾，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于繼電器線圈在斷開時會產(chǎn)生較高的反電動勢，為保護(hù)光耦元件不被損壞，需要在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管，為了確保保護(hù)效果，在此選用開關(guān)速度較快的IN4007二極管作為續(xù)流二極管。由于驅(qū)動繼電器需要較大的電流，較大的驅(qū)動電流可能會損壞光耦器件，故需在光耦輸出的下一級連接一個S8050三極管用于放大光耦的控制信號。

2.2通信模塊

單片機與上位機之間的通信在該設(shè)計中通過ESP8266物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片實現(xiàn)。ESP8266芯片同時支持TCP與UDP協(xié)議，且支持Client與AP兩種模式，可實現(xiàn)上位機與芯片間的局域網(wǎng)通信或直接通信。AT指令分析短信息的解碼和編碼是軟件編程的核心。AT命令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),是調(diào)制解調(diào)器可以識別并執(zhí)行的命令。由于芯片支持基于字符串的AT指令，故將STC15單片機的RxD2，TxD2引腳與ESP8266-ESP-01模塊的TxD，RxD引腳相接。

正常工作時，芯片模組的供電端Vcc連接3.3V直流電源，GND端接地，同時，芯片正常工作時應(yīng)將CH_PD端的電平拉高。由于模塊串行口初始波特率為115200bps，可以在與單片機連接前通過相應(yīng)的AT指令語句AT+CIOBAUD=<波特率>，<數(shù)據(jù)位>，<停止位>，<奇偶校驗位>，<流控位>設(shè)置為自定義的波特率，設(shè)置完成后需將單片機串行口也設(shè)置為相同波特率。上電完成的同時需要將ESP8266芯片初始化，AT+CWMODE=<工作方式>指令用于確定芯片的工作方式，方式1為Client模式，方式2為AP模式，在此選用方式1。設(shè)置完成后單片機向ESP8266發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，通過AT指令：AT+CWJAP=<SSID>，<Password>設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)的SSID與密碼，設(shè)置完成后，通過單片機對返回的字符串進(jìn)行比較，若ESP8266芯片返回”WIFICONNECTED”和”WIFI GOT IP”字符串，則說明網(wǎng)絡(luò)連接成功，否則連接失敗進(jìn)行重新連接。設(shè)備的IP地址由局域網(wǎng)內(nèi)DHCP服務(wù)器自動分配。成功連接無線網(wǎng)絡(luò)后需要對上位機TCP服務(wù)器的IP地址以及端口號進(jìn)行配置，通過AT指令：AT+CIPSTART=<Type>，<IP Address>，<Port>可以配置，其中Type中可選擇采用UDP或者TCP協(xié)議，由于UDP是一種無連接的傳輸層協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不及TCP協(xié)議可靠，在此選用TCP協(xié)議作為傳輸協(xié)議。設(shè)置完成后若芯片返回字符串”CONNECT OK”則表明單片機與上位機即成功建立了基于無線局域網(wǎng)的通信。

2.3采集模塊

由于智能開關(guān)的負(fù)載有限，若長期超載工作則會引起設(shè)備過熱引發(fā)火災(zāi)或者損壞設(shè)備，故需要對智能開關(guān)進(jìn)行過載保護(hù)。電流通過導(dǎo)線時會產(chǎn)生磁場，利用線性霍爾元件可以間接測量出導(dǎo)線中通過的電流。在此采用霍爾元件檢測電流，將回路中電流值轉(zhuǎn)換為電壓值模擬信號輸送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，STC15F2K60S2單片機內(nèi)部集成了10bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，故無需外接額外的A/D轉(zhuǎn)換IC即可完成轉(zhuǎn)換。電流上限閾值由上位機傳輸?shù)絾纹瑱C。當(dāng)系統(tǒng)運行時每隔一定周期比較設(shè)定值與霍爾傳感器的采集值，若測定值大于設(shè)定值則斷開繼電器切斷電源?？紤]到上電系統(tǒng)需保持上次設(shè)定參數(shù),每次設(shè)置的參數(shù)都存入單片機自帶的E2PROM中,在程序初始化中調(diào)用E2PROM，讀取斷電前設(shè)定的參數(shù)。

2.4程序總體設(shè)計

由于C語言具有很強的功能性與結(jié)構(gòu)性，可以有效縮短單片機系統(tǒng)的開發(fā)周期且易于調(diào)試與維護(hù)，所以在此選用C語言作為智能開關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)語言。系統(tǒng)上電后先將掉電前儲存在E2PROM中的變量讀入內(nèi)存，而后進(jìn)行ESP8266的初始化工作，初始化完成及建立與上位機的TCP連接后向上位機發(fā)送就緒指令。當(dāng)系統(tǒng)接收到來自上位機的指令后將觸發(fā)一次串行口中斷，在中斷程序內(nèi)放入字符串比較函數(shù)，單片機可根據(jù)不同指令作出不同響應(yīng)。值得注意的是：與傳統(tǒng)12T周期的51單片機不同，STC15FK60S2的機器周期為1T，故在傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機上運行的延時程序需要加速12倍后在STC15系列單片機上使用。

三、智能開關(guān)上位機程序的設(shè)計

在此選用Visual Basic.NET作為上位機程序的編程語言。對于軟件開發(fā)人員來講,使用VB.NET開發(fā)技術(shù)相對簡單，入門較快。在上述設(shè)計中ESP8266與上位機的通信是基于TCP協(xié)議的，故可以在上位機上使用Socket與其建立通信。VB.NET中內(nèi)置Socket類，當(dāng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后，在設(shè)備IP地址，端口號和通信協(xié)議均已知的條件下即可與設(shè)備建立通信。經(jīng)不斷調(diào)試，程序能夠按要求與智能開關(guān)通信。

結(jié)語

經(jīng)過不斷的測試，修改電路與程序，基于STC15F2K60S2的智能開關(guān)上電后運行正常，能夠與上位機之間通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。經(jīng)過后期測試，系統(tǒng)的控制模塊，通信模塊與采集模塊均工作正常，實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。使用時無需額外布線，只需將開關(guān)連接交流電源和無線局域網(wǎng)即可工作。多設(shè)備同時工作時只需通過不同的IP地址即可區(qū)分不同設(shè)備，便于實現(xiàn)系統(tǒng)的集群化分布與統(tǒng)一控制。

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