基于ESP8266的Wi-Fi智能插排
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为了满足南方地区路灯的设计需求，针对南方多雨的特 点，该文设计了一种光雨互补新型双节能路灯。为了实现能量 的流动，设计了一种双向变换器。光伏电池和雨水发电产生的 电能能够与蓄电池的电能进行交换，以达到能量正常流动的目 的。在白天，光伏电池产生的电能以及雨天雨水发电产生的电 能用于给蓄电池充电。而到了夜间，当达到一定的光照条件以 后，蓄电池将给路灯提供电能，而发电部分则停止工作。
高新技术
2019 NO.7（上） 中国新技术新产品
基于ESP8266的Wi-Fi智能插排
鲍民悦 （南京邮电大学通达学院，江苏 扬州 225127）
摘 要 ：该课题主要对智能插排进行研究，智能插排是一种大规模生产的智能家居产品，它的出现在一定程度
上打破了智能家居定制化的传统生产模式，使人们可以深入感受智能家居产品所带来的便利，最重要的是展
智能插排是以智能家居产品为基础，具有自己独立特 征的小型电子产品，随着智能家居概念的不断成熟，智能 插排也得到了一定的发展，现有的智能插排使用的是定时 型智能技术。该文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排控制系统，并且可 以在 Android 手机的远程控制下进行智能控制。
２．２ 软件流程设计
系统的软件流程主要是设计手机 APP、单片机程序以及服 务器软件等，在进行智能插排的控制系统时，软件系统需要负
责控制整个控制系统的正常运行，所以根据控制系统的运行环 境，可以将控制系统分为 3 个主要部分：在广域网环境中，智 能插排和手机 APP 之间的连接可能会超时，为了使两者之间 建立新的连接，首先，手机需要向服务器发送数据请求，然后 服务器进行相应的打洞，其中传输的信息就是洞，这个创建的 洞就是插排和手机之间的新连接；在局域网环境中，手机 APP 和智能插排必须在同一局域网内进行连接，之后通过 UDP/IP 协议将信息传输到服务器中，完成注册工作；在无网络的环境 中，需要通过点击按键的形式来完成控制插排的开关。
１．２ 无线通信技术
Wi-Fi 的概念在 1999 年第一次被提出，Wi-Fi 是一 种无线通信技术。1999 年使用的 Wi-Fi 是 IEEE 802.11b， 它与红外线通信技术、蓝牙等通信技术一起被称为短距 离通信技术。一直到近几年 Wi-Fi 才得以迅速发展，现 在使用最多的无线标准是 IEEE 802.1 ib，传输速率也从 2 M 提高到 20 M，甚至可以达到 200 M/s 的速度，但是 在现在即使是这样的高速率也无法满足人们对于网络的 高要求。
esp8266使用的固件化协议栈其中主要包wifidirectp2p80211bgnsoftaplwip协议栈以及内置tcpip协议栈所以不需要客户再一次设计这一模块而且8266中还涵盖了功率放大器ir开关匹配网络电路以及balunlnaesp8266芯片的主要运营模式有睡眠模式激活模式以及深度睡眠模式种形式这3种运行模式之间互相配合从而到达低功耗的工作要求并且可以保证如果智能插排处于不工作的状态时不会给客户增加用电量
２．１．４ 继电器模块
继电器是一种可以同时具备被控制系统和控制系统的 电子元器件，当输入通道从低电压转变为高电压或者从高电 压转变为低电压时，继电器就会控制用电设备是处于断电状 态还是通电状态。而继电器模块主要是负责执行用电设备的 上电和断电，ESP8266 芯片需要将用电设备切换到某一状态 时，就需要继电器模块来实现这一过程。
-3-
中国新技术新产品 2019 NO.7（上）
高新技术
光雨互补节能路灯的设计
彭 蒙 阮宁兰 方 伟 史敬祥 解锐明 （合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）
摘 要 : 针对我国部分地区多雨的情况，结合太阳能这一清洁能源，充分利用多雨地区的雨水资源，实现路灯的节
能环保。该文对ห้องสมุดไป่ตู้灯外观整体设计以及各工作部分进行了设计，阐述了整体和各部分的工作原理。而实现不同状
现技术再加工给生活带来的简明、直观以及方便之处。该文对基于 ESP8266的 Wi-Fi 智能插排进行研究设计，
通过系统设计理念，对 Wi-Fi 智能插排进行分析。
关键词 ：智能插排 ；ESP8266 ；Wi-Fi
中图分类号 ：TP311
文献标志码 ：A
０ 引言
２ Ｗｉ－Ｆｉ 智能插排设计
１．３ 无线连接方案
无线连接方式选择 ATK 的 ESP8266 无线网络，这种 无线连接方式的优点是成本低、功耗低以及软硬件设计 简化等，这种无线网络的控制过程是手机无线设备—— Wi-Fi 模块——EAP8266 处理器——无线继电器——智 能插排。
首先使用无线智能手机下载 APP 之后，通过 Wi-Fi 发 送信号和数据到 ESP8266 的无线模块中，该无线模块属于 一种无线传输设备，它可以将接收到的数据通过串口传送 到 MCU 中，随后 MCU 可以通过 GPIO 端口来实现对于继 电器的控制，最终实现对智能插座的控制。
２．１．２ 电源电路
电源电路主要是为智能插排提供稳定持续的直流电 源，因为 ESP8266 芯片的工作电压是 3.3 V 的直流电压，所 以电源模块的主要工作就是将 220 V 的交流电转化为 3.3 V 的直流电。现在主要有 3 种转变方式可以将高压交流电转 变为直流低流电 ：阻容降压方案、开关电源方案以及变压 器整流滤波方案。这 3 种方案都有一定的优点，同时也有缺 点，象开关电源方案中使用的芯片是专用的，性能好、体 积小，但是芯片对于立板的要求相对比较高，如果在设计 反馈电路时存在不当之处就会产生大量的磁污染，可能会 影响 Wi-Fi 信号，甚至直接影响开关芯片的输出情况 ；阻 容降压方案在工业中的应用比较少，因为阻容降压是一种 非隔离方案，所以安全系数比较低，但是智能插排这种智 能家居产品对于安全方面的要求非常高 ；而变压器整流滤 波方案中使用的隔离式降压方案，这种方案相对比较稳定
３ 结语
在智能插排的工作过程中，通过手机 APP 中对应的图标 就可以控制家中的智能家居产品的工作和关闭状态，也就是 说使用者可以通过手机 APP 来查看家中智能家居设备实时 的开关状态、定时以及用电状况，这样在很大程度上节约了 电能、为使用者提供了方便并且降低了不安全事故的发生概 率。
参考文献 [1] 曹冬华 . 基于物联网架构下的智能插排的设计 [J]. 电子世 界，2018（18）：200-201. [2] 刘泽恒 . 插排的易用性设计研究 [D]. 河北 ：河北科技大 学，2018.
-4-
图 1 为路灯外观设计图。
１．２ 工作原理
在图 2 中，太阳能电池板、水轮机、蓄电池以及路灯之
且安全系数高，并且电磁静电能力强、大功率负载强。
２．１．３ 电能计量模块
电能计量模块主要是用于定量分析电气设备的用电情 况，并且将用电设备的无功功率、有功功率以及总功率通过 Wi-Fi 信号的形式传输到智能手机 APP 中。该模块中使用的 是 HLW8012 单相电能计量芯片，它可以测量设备的电量、有 功功率、电流和电压的有效值，其中还有两路 ADC 和 PGA 来进行电流和电压的模数转换，经过频率转换之后可以将 HLW8012 芯片内部的电流和电压的有效值转化为方波脉冲 形式输出，而且各数值的频率、大小和周期呈反比，和频率 的大小成正比。
ESP8266 芯片内部含有一个 32 位的微型 CPU，芯片 接口和 CPU 的连接情况具体如下 ：1）JTAG 调试接口 ；2） 储存控制器 ；3）储存控制器的数据总线 ；4）AHB 接口。 ESP8266 不仅含有内核，还有很多外设，其中有很多数字 接口和模拟接口，在使用 ESP8266 芯片时还需要使用串口 功能和通用 I/O。
态下能量的传输流动是设计的核心，为此设计了一种能量管理系统，分析了在各种工作状态下能量的流动情况。
关键词 ：光雨互补 ；双向变换 ；能量管理 ；控制装置
中图分类号 ：TM615
文献标志码 ：A
０ 引言
一般的太阳能路灯主要包括光伏组件、灯具、光源、组 件支架、灯杆、控制器、光源。在白天通过光伏组件太阳能 板对太阳能进行收集，到了晚上用储集的电量进行发电，并 提供照明。但其存在 2 个问题 ：太阳能的利用效率低、下雨 时路灯不能自行发电。为解决这些问题，目前国内外对节能 路灯的设计主要集中在光能和风能的结合，但这种设计造价 问题尚未解决，且只适用于风力较强的区域。
２．１ 硬件设计
２．１．１ ＥＳＰ８２６６主控平台
ESP8266 芯片是由乐鑫公司研发并生产的适用于无线 智能家居的芯片，它可以形成一个比较完整的无线网络解 决方案，在使用 ESP8266 芯片作为智能产品的唯一的应用 处理器时，该芯片可以保证整个设计方案占据的 PCB 空间 最低。ESP8266 使用的固件化协议栈，其中主要包括 Wi-Fi Direct（P2P）、802.11b/g/n、Soft-AP、LwIP 协议栈以及内置 TCP/IP 协议栈，所以不需要客户再一次设计这一模块，而 且 8266 中还涵盖了功率放大器、IR 开关、匹配网络电路以 及 Balun-LNA。ESP8266 芯片的主要运营模式有睡眠模式、 激活模式以及深度睡眠模式 3 种形式，这 3 种运行模式之 间互相配合，从而达到低功耗的工作要求，并且可以保证 如果智能插排处于不工作的状态时，不会给客户增加用电 量。
１ 系统设计理论
该文以主控芯片 ESP8266 为 MCU 平台，采用本身自 带无线 Wi-Fi 模块的串口来完成通信过程，系统的设计主 要使用外加 433M 无线收发模块。
１．１ 电压变换装置
中央控制器、Wi-Fi 模块以及继电器模块需要 3.3 V~5 V 的直流驱动电压，主要是由高性能的电流模块 PWM 控制器 THX208 芯片，将普通的 220 V 交流电转换为 5 V 左右的低压 直流电。
１ 路灯组成及工作原理
１．１ 路灯的组成
路灯包括以下 3 个部分 ：1）光伏发电部件 ；2）雨水发 电部件 ；3）支撑部件。
光伏发电部件 ：光伏发电部件包括太阳能电池板和追光 装置。
雨水发电部件 : 雨水发电部件包括雨水收集箱和水轮发 电机。
支撑部件：实现对整体装置的支撑。雨水收集箱和光伏发 电部件整合在一根硬质钢管上，下方采用三角形进行整体的支 撑，雨水收集箱下方采用角铁进行加固，以保证收集箱的稳定。
高新技术
2019 NO.7（上） 中国新技术新产品
基于ESP8266的Wi-Fi智能插排
鲍民悦 （南京邮电大学通达学院，江苏 扬州 225127）
摘 要 ：该课题主要对智能插排进行研究，智能插排是一种大规模生产的智能家居产品，它的出现在一定程度
上打破了智能家居定制化的传统生产模式，使人们可以深入感受智能家居产品所带来的便利，最重要的是展
智能插排是以智能家居产品为基础，具有自己独立特 征的小型电子产品，随着智能家居概念的不断成熟，智能 插排也得到了一定的发展，现有的智能插排使用的是定时 型智能技术。该文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排控制系统，并且可 以在 Android 手机的远程控制下进行智能控制。
２．２ 软件流程设计
系统的软件流程主要是设计手机 APP、单片机程序以及服 务器软件等，在进行智能插排的控制系统时，软件系统需要负
责控制整个控制系统的正常运行，所以根据控制系统的运行环 境，可以将控制系统分为 3 个主要部分：在广域网环境中，智 能插排和手机 APP 之间的连接可能会超时，为了使两者之间 建立新的连接，首先，手机需要向服务器发送数据请求，然后 服务器进行相应的打洞，其中传输的信息就是洞，这个创建的 洞就是插排和手机之间的新连接；在局域网环境中，手机 APP 和智能插排必须在同一局域网内进行连接，之后通过 UDP/IP 协议将信息传输到服务器中，完成注册工作；在无网络的环境 中，需要通过点击按键的形式来完成控制插排的开关。
１．２ 无线通信技术
Wi-Fi 的概念在 1999 年第一次被提出，Wi-Fi 是一 种无线通信技术。1999 年使用的 Wi-Fi 是 IEEE 802.11b， 它与红外线通信技术、蓝牙等通信技术一起被称为短距 离通信技术。一直到近几年 Wi-Fi 才得以迅速发展，现 在使用最多的无线标准是 IEEE 802.1 ib，传输速率也从 2 M 提高到 20 M，甚至可以达到 200 M/s 的速度，但是 在现在即使是这样的高速率也无法满足人们对于网络的 高要求。
esp8266使用的固件化协议栈其中主要包wifidirectp2p80211bgnsoftaplwip协议栈以及内置tcpip协议栈所以不需要客户再一次设计这一模块而且8266中还涵盖了功率放大器ir开关匹配网络电路以及balunlnaesp8266芯片的主要运营模式有睡眠模式激活模式以及深度睡眠模式种形式这3种运行模式之间互相配合从而到达低功耗的工作要求并且可以保证如果智能插排处于不工作的状态时不会给客户增加用电量
２．１．４ 继电器模块
继电器是一种可以同时具备被控制系统和控制系统的 电子元器件，当输入通道从低电压转变为高电压或者从高电 压转变为低电压时，继电器就会控制用电设备是处于断电状 态还是通电状态。而继电器模块主要是负责执行用电设备的 上电和断电，ESP8266 芯片需要将用电设备切换到某一状态 时，就需要继电器模块来实现这一过程。
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中国新技术新产品 2019 NO.7（上）
高新技术
光雨互补节能路灯的设计
彭 蒙 阮宁兰 方 伟 史敬祥 解锐明 （合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）
摘 要 : 针对我国部分地区多雨的情况，结合太阳能这一清洁能源，充分利用多雨地区的雨水资源，实现路灯的节
能环保。该文对ห้องสมุดไป่ตู้灯外观整体设计以及各工作部分进行了设计，阐述了整体和各部分的工作原理。而实现不同状
现技术再加工给生活带来的简明、直观以及方便之处。该文对基于 ESP8266的 Wi-Fi 智能插排进行研究设计，
通过系统设计理念，对 Wi-Fi 智能插排进行分析。
关键词 ：智能插排 ；ESP8266 ；Wi-Fi
中图分类号 ：TP311
文献标志码 ：A
０ 引言
２ Ｗｉ－Ｆｉ 智能插排设计
１．３ 无线连接方案
无线连接方式选择 ATK 的 ESP8266 无线网络，这种 无线连接方式的优点是成本低、功耗低以及软硬件设计 简化等，这种无线网络的控制过程是手机无线设备—— Wi-Fi 模块——EAP8266 处理器——无线继电器——智 能插排。
首先使用无线智能手机下载 APP 之后，通过 Wi-Fi 发 送信号和数据到 ESP8266 的无线模块中，该无线模块属于 一种无线传输设备，它可以将接收到的数据通过串口传送 到 MCU 中，随后 MCU 可以通过 GPIO 端口来实现对于继 电器的控制，最终实现对智能插座的控制。
２．１．２ 电源电路
电源电路主要是为智能插排提供稳定持续的直流电 源，因为 ESP8266 芯片的工作电压是 3.3 V 的直流电压，所 以电源模块的主要工作就是将 220 V 的交流电转化为 3.3 V 的直流电。现在主要有 3 种转变方式可以将高压交流电转 变为直流低流电 ：阻容降压方案、开关电源方案以及变压 器整流滤波方案。这 3 种方案都有一定的优点，同时也有缺 点，象开关电源方案中使用的芯片是专用的，性能好、体 积小，但是芯片对于立板的要求相对比较高，如果在设计 反馈电路时存在不当之处就会产生大量的磁污染，可能会 影响 Wi-Fi 信号，甚至直接影响开关芯片的输出情况 ；阻 容降压方案在工业中的应用比较少，因为阻容降压是一种 非隔离方案，所以安全系数比较低，但是智能插排这种智 能家居产品对于安全方面的要求非常高 ；而变压器整流滤 波方案中使用的隔离式降压方案，这种方案相对比较稳定
３ 结语
在智能插排的工作过程中，通过手机 APP 中对应的图标 就可以控制家中的智能家居产品的工作和关闭状态，也就是 说使用者可以通过手机 APP 来查看家中智能家居设备实时 的开关状态、定时以及用电状况，这样在很大程度上节约了 电能、为使用者提供了方便并且降低了不安全事故的发生概 率。
参考文献 [1] 曹冬华 . 基于物联网架构下的智能插排的设计 [J]. 电子世 界，2018（18）：200-201. [2] 刘泽恒 . 插排的易用性设计研究 [D]. 河北 ：河北科技大 学，2018.
-4-
图 1 为路灯外观设计图。
１．２ 工作原理
在图 2 中，太阳能电池板、水轮机、蓄电池以及路灯之
且安全系数高，并且电磁静电能力强、大功率负载强。
２．１．３ 电能计量模块
电能计量模块主要是用于定量分析电气设备的用电情 况，并且将用电设备的无功功率、有功功率以及总功率通过 Wi-Fi 信号的形式传输到智能手机 APP 中。该模块中使用的 是 HLW8012 单相电能计量芯片，它可以测量设备的电量、有 功功率、电流和电压的有效值，其中还有两路 ADC 和 PGA 来进行电流和电压的模数转换，经过频率转换之后可以将 HLW8012 芯片内部的电流和电压的有效值转化为方波脉冲 形式输出，而且各数值的频率、大小和周期呈反比，和频率 的大小成正比。
ESP8266 芯片内部含有一个 32 位的微型 CPU，芯片 接口和 CPU 的连接情况具体如下 ：1）JTAG 调试接口 ；2） 储存控制器 ；3）储存控制器的数据总线 ；4）AHB 接口。 ESP8266 不仅含有内核，还有很多外设，其中有很多数字 接口和模拟接口，在使用 ESP8266 芯片时还需要使用串口 功能和通用 I/O。
态下能量的传输流动是设计的核心，为此设计了一种能量管理系统，分析了在各种工作状态下能量的流动情况。
关键词 ：光雨互补 ；双向变换 ；能量管理 ；控制装置
中图分类号 ：TM615
文献标志码 ：A
０ 引言
一般的太阳能路灯主要包括光伏组件、灯具、光源、组 件支架、灯杆、控制器、光源。在白天通过光伏组件太阳能 板对太阳能进行收集，到了晚上用储集的电量进行发电，并 提供照明。但其存在 2 个问题 ：太阳能的利用效率低、下雨 时路灯不能自行发电。为解决这些问题，目前国内外对节能 路灯的设计主要集中在光能和风能的结合，但这种设计造价 问题尚未解决，且只适用于风力较强的区域。
２．１ 硬件设计
２．１．１ ＥＳＰ８２６６主控平台
ESP8266 芯片是由乐鑫公司研发并生产的适用于无线 智能家居的芯片，它可以形成一个比较完整的无线网络解 决方案，在使用 ESP8266 芯片作为智能产品的唯一的应用 处理器时，该芯片可以保证整个设计方案占据的 PCB 空间 最低。ESP8266 使用的固件化协议栈，其中主要包括 Wi-Fi Direct（P2P）、802.11b/g/n、Soft-AP、LwIP 协议栈以及内置 TCP/IP 协议栈，所以不需要客户再一次设计这一模块，而 且 8266 中还涵盖了功率放大器、IR 开关、匹配网络电路以 及 Balun-LNA。ESP8266 芯片的主要运营模式有睡眠模式、 激活模式以及深度睡眠模式 3 种形式，这 3 种运行模式之 间互相配合，从而达到低功耗的工作要求，并且可以保证 如果智能插排处于不工作的状态时，不会给客户增加用电 量。
１ 系统设计理论
该文以主控芯片 ESP8266 为 MCU 平台，采用本身自 带无线 Wi-Fi 模块的串口来完成通信过程，系统的设计主 要使用外加 433M 无线收发模块。
１．１ 电压变换装置
中央控制器、Wi-Fi 模块以及继电器模块需要 3.3 V~5 V 的直流驱动电压，主要是由高性能的电流模块 PWM 控制器 THX208 芯片，将普通的 220 V 交流电转换为 5 V 左右的低压 直流电。
１ 路灯组成及工作原理
１．１ 路灯的组成
路灯包括以下 3 个部分 ：1）光伏发电部件 ；2）雨水发 电部件 ；3）支撑部件。
光伏发电部件 ：光伏发电部件包括太阳能电池板和追光 装置。
雨水发电部件 : 雨水发电部件包括雨水收集箱和水轮发 电机。
支撑部件：实现对整体装置的支撑。雨水收集箱和光伏发 电部件整合在一根硬质钢管上，下方采用三角形进行整体的支 撑，雨水收集箱下方采用角铁进行加固，以保证收集箱的稳定。