DOI:10.19551/jki.issn1672-9129.2021.10.167
郭文杰㊀戚耀中㊀黄浩贤㊀胡沁宜㊀官子翔(广东白云学院㊀广州㊀510450)
基金项目：广东白云学院大学生创新创业训练省级项目 i树洞心理助手APP的开发与运用 专项调研课题(S202010822037S)
摘要：本文介绍了一种可监控可控制的物联网插座，以ESP8266作为开发板与服务器，通过使用HTTP链接的方式完成服务请求，使用acs712电流传感器㊁ds8b20温度传感器作为监测模块，由继电器接通与断开负载，从而实现远程监控与操控㊂ 关键词:esp8266；小程序开发;arduino；嵌入式系统；智能插座;Wi-Fi
中图分类号:TM503.5;TP277㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)10-0171-02
㊀㊀1㊀背景
插座是人们日常生活中不可或缺的电气产品㊂而现有的插座作用只体现在通过插入各种插头以便于与其
他电路的联通，并不具备安全防护功能㊂与此同时，人们对于家居生活的要求也逐渐趋向于便捷化与智能化，因此智能插座的理念也随之诞生㊂
防触电功能和过载保护是智能插座功能的重中之重，据资料显示，当人体接触高电压时，电流将通过人体，与大地等形成闭合回路，普通成年人在承受30mA以上电流时就会有生命危险㊂而过载更是引发火灾的一大因素，当用电器功率过大或发生短路时，线路中的电流将急剧增大，根据电流的热效应，线路中产生的热量与电流的平方成正比，故当电流过大时极容易引发火灾，用电隐患极大㊂
据国家能源局公布的数据，近年来我国的社会用电量持续上升，由此带来的安全风险也持续增加㊂2020年我国因短路㊁过负荷㊁接触不良等线路问题引发的电气火灾占总数的68.9%，由此可知，智能插座的功能不能单单只局限于节能以及防漏电安全保护，更要在 无人值守状态 下起到监控的作用㊂ 现如今市场的绝大多数所谓的 智能插座 都只是具备定时通断功能，无法对非正常状况进行监测与断电控制，并不具备真正的智能功能㊂因此 在无人看守的情况下实现远程监控与控制 是目前智能插座的一大难题也是一次挑战㊂
1.1国内研究㊂1984年，美国联合科技公司提出的家庭总线系统标准揭开了智能家居的序幕，从此世界掀起了一股智能家居的热潮，而我国在1995年后开始渐渐引入智能家居的概念，直至2001年开始我国部分公司以及科研机构才开始规划研究开发㊂与国外相比，我国智能家居领域发展时间较短，但由于
发展时间短进步大，导致目前国内智能家居的技术标准仍未统一，且大多消费者对于智能家居概念模糊㊂但尽管如此，我国智能家居领域还是在不断地进步与完善㊂
目前市场上的智能插座大致分为以下五类:
1)漏电切断型：当供电电压过高，电流超负荷等非正常
状况出现时，会自动切断电源以避免漏电事故㊂
2)定时型；具有时间设定功能，可按时段接通电源以达
到节电效果㊂
3)可控型：使用无线遥控器通过红外线，小无线等方式
进行信息传输从而达到远程控制开关的效果㊂
4)技术性：具有液晶显示屏，可反馈用电设备的电压㊁
电流㊁功率等电参数㊂
5)节能型：通过判断用电设备用电情况，控制电源开关，减少待机耗电㊂
截至2020年12月，手机网民规模达9.86亿，在全体网民的占比高达99.6%，而移动互联网和智能手机的普及，为智能插座的远程操控提供了有力条件㊂随着我国家庭消费水平的日益提高，以及智能家居理念的不断推广，相信在未来，智能插座将会被广泛普及和使用，智能家居也将会成为时代的主流㊂
1.2国外研究㊂在国外，由于国外对智能家居的认知比较早，因此智能家居已有很完善的运作体系以及售后服务体系，尤其是在欧美国家，智能家居已成为了他们的日常，他们有专业的人员进行安装以及提供专业的售后服务㊂而在智能插座方面，国外的BelkinWemo更是智能插座的 鼻祖 ㊂据调查，智能插座行业的巨型制造商主要分布在亚洲，欧洲和北美，由此可知智能插座在国外的市场具有很大的发展空间㊂其中Ottobox㊁Brio㊁Domus㊁PraceOne等国外智能插座，在智能插座领域都有着丰富的成果㊂
2㊀硬件结构
2.1总体结构设计㊂智能插座基于ESP8266开发板，温度传感器㊁电流传感器通过ADC口接入到ESP8266，当插座出现不安全情况 某一不安全值超过所设定的阀值时开发板将自动为负载断电并发出警报㊂同时ESP8266作为一个服务器，将采集到的外部信息：温度㊁电流㊁电压数据反馈给上位机，上位机也可通过http指令控制开发板，为ESP8266设定安全阀值与开关用电设备㊂
2.2ESP8266开发板㊂ESP8266作为一款设计类开发芯片，具有很多传统单片机无法比拟的优势，一
㊁ESP8266有着良好的可开发性，可用Arduino IDE对其进行编程和烧写，代码使用以c语言为主㊂二㊁ESP8266的性能优越,ESP8266有着良好的系统冗余，能更好地保证嵌入式系统运行时的稳定性和遇到突发状况的处理能力㊂三㊁ESP8266有着良好的温度范围在较为极端的条件下也能够稳定运行，保证安全性㊂四㊁ESP8266开发板有众多型号，无论是从大小还是可扩展性考虑，都能有一块合适的开发板㊂
ESP8266集成里2个12位的SAR ADC，总共支持18个
通道的测量，其中ADC1共有8个通道，连接到GPIO32 GPIO39,ADC2有10个通道，但由于Wi-Fi驱动程序使用了ADC2中的部分引脚，所以无法在开启Wi-Fi的情况下使用ADC2㊂
2.3acs712电流传感器㊂acs712中集成了精确的低偏移线性霍尔传感器，当电流经过传感器内导体时，由于电流的磁效应，将在导体周围形成一个变化的磁场，霍尔传感器内电子根据磁场的变化向周围移动，从而在霍尔传感器两边形成一个变化的电动势，经过处理后转化为一个在Vcc/2为零点的电压信号，从而反映出流过导体的电流㊂ACS712根据量程分为5A㊁20A㊁和30A，输出的电压信号与导体电流成线性关系，且受温度影响小，在量程范围内其分别对应了不同的线形系数:185mV/A㊁100mV/A和66mV/A㊂当Vcc为5V时输出与输入的关系为:Vout=Vcc/2+Ip∗㊂一般输出的电压信号介于0.5V~4.5V之间㊂
对于家用插座，其电流范围一般在20A以内，故选取ʃ20A规格，其Ip与Vout的对应关系为Vout=2.5+0.1Ip(如
图),Vcc电源由ESP8266提供5V电压，输出口接至ESP8266的A0口用于数据采集,ESP8266的ADC口最高支
持16位模拟量输入，输入模拟量电压最大值为1V,AD转换后最大值为1023分辨率1/1023，对应电流为0.9775mA满足使用要求，由于ESP8266的模拟输入口最大电压值为1v，而asc712输出的最大电压为4.5V，加入阻值为3.5k和1k 的分压电阻，根据电阻分压原理,V=Vout/(3.5+1)使输出电压在1V内㊂
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2.4ds8b20温度传感器㊂ds18b20采用单总线串口通信，内置64位ROM和单总线端口，高速暂存器含有两个字节的温度寄存器，用来存储温度信息,ds18b20有四个精度设定为9位㊁10位11位和12位，对应精度分别为0.5㊁0.25，测量时由控制端发送0x44h，而后控制器可读取ds18b20中存储的温度信息㊂Vdd由开发板供电,DQ在输出时加入4. 7k的上拉电阻㊂
2.5继电器模块㊂继电器模块用于ESP8266控制插座通电或断电，其基本组成元件为继电器㊁驱动电路，当开发板的GPIO口输出HIGH电平时继电器吸合，插座电源导通，当esp8266出现Wi-Fi掉线或网
络不佳时，保证了继电器断开状态，保证了用户安全㊂继电器选用5V继电器，驱动电路采用一个NPN三极管作为驱动，当三极管集电极为高电平时，三极管导通，继电器吸合㊂
2.6漏电检测模块㊂零线与火线同时穿过20:1电流互感器，当用电器发生漏电时，漏电电流经大地等形成回路，导致零火线电流不相等，此时，差值电流经电流互感器检出，经过漏电检测电路电阻转换为电压信号,，经电容滤波后进入运算放大器，与基准信号求差，当其差值大于一定成度时则判定为发生漏电,ESP8266在接到漏电信号后，将断开设备电源，保障用户安全㊂通过修改基准信号的电位器，可以改变漏电检测电路对于漏电判断的电流值㊂
3㊀技术分析
3.1原理分析㊂
(1)基本原理㊂智能安全插座基于ESP8266进行设计, ESP8266作为智能安全插座的 大脑 经由Wi-Fi接入家庭局域网，同时ESP8266在局域网中作为一个服务器，将各传感器信息通过HTTP携带字符串的形式发送给上位机，同时上位机可通过ESP8266在局域网中的IP地址访问到ESP8266服务器㊂
上位机在请求地址中携带所要控制的GPIO口和开关信息,ESP8266即可对对应的GPIO口赋值,GPIO口上所连接的继电器也会对应打开或关闭，同时也可以在请求链接中携带需要的最大电流㊁最大安全温
度，为智能插座设定电流与温度阀值，当插座负载超过阀值电流或插座温度大于阀值温度时可自动为负载断电㊂
在ESP8266的主程序循环中有三个基本事件的判断条件判断条件，分别为漏电㊁电流过大，温度过高，当触发任意一项，主程序主循环判断为假，主程序不执行，此时无论用户发送何种命令都无法正常对智能插座进行控制，在触发这三大事件后ESP8266将执行警报程序，插座进入保护状态，对蜂鸣器发出信号，对所有在线的上位机发出警告信息㊂当插座处于保护状态后，需要用户手动确认危险隐患已经解除，为ESP8266发出接触保护信息，而如果此时危险还没解除，智能插座将再次进入保护状态㊂(2)功能代码㊂Arudino包含两个基本函数分别是初始化设置void setup() {}和主循环函数void loop(){}在初始化函数中设置好需要用到的输出与输入脚位:
pinMode(0,OUTPUT);
同时配置好Wi-Fi连接函数:
WiFi.begin(ssid,password);
在主循环中将传感器所读到的值运算并赋值给相应变量
float current=0.039∗(analogRead(A0)-512)/1024; float TempC();
当三个报警变量没有超过阀值时程序才开始主循环: if(current<=currentlim&&temp<=templim&&digitalRead (4)&&!protect)
上位机给开发板设置参数时通过链接携带参数信息，开发板接受后通过赋值改变引脚状态或三个安全阀值:
if(req.indexOf("/变量名/变量值")!=-1){
变量名=变量值;
}
定时将插座的状态返回给上位机，将插座状态写入一个字符串，通过print方法将信息返回给上位机: client.print(s);
保护功能位于主要功能的else中，当插座进入保护状态后变量protect变1，插座在else代码区域循环，通过给pro-tect变量赋值为0可以关闭插座保护状态，但如果危险还存在插座将再次进入保护状态㊂
3.2手机端小程序小程序㊂小程序端使用wx.request方法对用户设定的IP进行访问，通过固定的网络地址可以访问ESP8266的不同功能，从而对插座的某一负载进行开关或获取插座目前状态，借用wx.req
uest的success方法获取开发板返回的插座设备状态，并在小程序中通过数据传递将信息打印到小程序的监控信息框中㊂当插座进入到保护状态时，小程序会接受到ESP8266发出的警报信息，并发送提醒给用户㊂
3.3设备测试㊂设备调试测试了对开关的关闭与打开，并测试了当温度过高时ESP8266给小程序端返回的警报信息㊂当温度过高时，点击解除保护按钮,ESP8266没有进入正常工作程序，而仍为小程序发出警报信息，当各传感器值低于保护阀值时ESP8266再次进入正常的工作状态㊂在紧急情况下,ESP8266能很好地保护用户安全，以免插座长时间工作在不安全的情况下，引发更重大的安全事故㊂3.4可开发性㊂ESP8266监控智能插座以ESP8266作为服务器，用HTTP链接的方式完成服务请求，这种方法具有极好的可二次开发性，任何接入了家庭局域网的设备都可以对局域网中的ESP8266发送指令㊂
任何可连网的智能设备都可以成为智能插座的上位机，依托上位机的功能，在插座原有功能上还能加入定时系统，自动控制系统，家庭智能设备联动系统，将所有家庭局域网的设备有机结合起来，在上位机中通过配置还可以让上位机作为智能家居的家庭中枢，远程对家中的设备进行访问与控制，为这套系统带来无限可能㊂
ESP8266的可扩展性强，智能智能插座只使用到了其中的部分端口，后期还可加入更多的传感器及设
备，为插座增加更多功能，如后期在esp8266上加入电压传感器，可实时计算插座的功率和用电量，基于此可开发出智能计费插座，在用电量达到固定值时断开负载设备㊂
4㊀总结与展望
本文结合国内外研究现状，以及相关背景，针对目前市场上现有的智能插座，进行了功能的完善，现对本文工作报告进行以下总结:
(1)介绍了智能插座所需的硬件:ESP8266开发板㊁acs712电流传感器㊁ds8b20温度传感器㊁继电器模块㊁漏电监测模块㊂
(2)分析了智能插座的运作流程：当插座出现非正常状况即某一电参数数值超过所设安全值时,ESP8266先将温度传感器㊁电流传感器所监测到的异常数据反馈给上位机，而后发出警报并自动断电㊂
目前，我国智能家居市场仍处于不完善阶段，智能家居仍未能得到广泛的普及和应用，但我国的智能家居技术正处于一种飞速发展的状态，因此相信在未来随着智能家居技术的不断进步以及制度的不断完善，智能插座也将会被广大众慢慢接纳并被广泛使用㊂
参考文献:
[1]蔡丹丹.面向远程监控与电气安全的智能插座关键
技术[D].华南理工大学.2018.
[2]李永等.具有物联网功能的安全智能插座设计[J]. 2019,16(02).
多功能电源插座
[3]王彪.基于esp8266多功能智能安全插座[J].2020, 37(07).
[4]闻建中等.基于单片机控制的电热水器漏电保护设计[B].合肥通用机械研究院.2015.
作者简介：郭文杰(2000-)，男，汉族，江西赣州，本科在读，广东白云学院，研究方向：物联网工程㊂
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