用ESP32制作一款智能的Wi-Fi插座，mqtt接入OneNet云平台
基于ESP32的一款Wi-Fi插座
- １.什么是Wi-Fi插座
- ２.为什么要做一个Wi-Fi插座
- ３.各种物联网插座控制方式对比
- ４.智能Wi-Fi插座硬件部分设计
- ５.智能Wi-Fi插座软件部分设计
１.什么是Wi-Fi插座
Wi-Fi插座，顾名思义，便是利用家庭中的WiFi网络，让您的智能手机或平板电脑等在联网条件下，能通过App或网页操作打开或者关闭指定的电器。作为功能，一方面我们出门在外便可以控制插座的开关，另一方面家用电器如果可以做到随用随开，不用就断，那一方面就节省了一小部分电费，另一方面也让我们的家变得更安全，更智能。
图片来自网络
２.为什么要做一个Wi-Fi插座
淘宝某热销智能插座分析：
制作思路：硬软件选择，及通信协议和接入平台
硬件设计是方案的物理基础，在此我自行购买了一款工业制造的两插孔插座，并且取下其中的一个插孔单元，用于放置ESP32芯片，继电器，220V-5V降压模块等控制元件，将ESP32芯片+继电器+降压模块与另一个插孔的火线，零线相连，通电发现没有异常，硬件方案设计大体完成。
软件设计层面，思路如下，将ESP32芯片与家里的局域网绑定起来，并为其固定一个IP地址，需保证该IP地址与自己家的局域网在同一网段，保证自己的手机可以对其访问，从网页端或APP端控制ESP32芯片转换高低电平从而通过控制继电器来控制插座的开关（电源通断），继而实现整个系统的功能控制，主要调用的是ESP32板子的Wi-Fi功能，完成控制任务。硬件部分主要包括：插座主体、220V-5V降压模块，控制芯片(ESP32)，继电器部分等。
另外，如果只在一个局域网内控制插座的开关，便失去了出门在外想远程控制的意义，所以，为了实现远程控制，采用MQTT接入中移物联网平台（OneNET）服务器的方法，远程控制插座的开关是本方案的升级计划。OneNET是比较成熟的IoT解决方案云平台，并且支持出世不久的ESP32芯片。中移物联网平台（OneNET）提供安全快速的设备接入能力，帮助使用者将数据上传至云端，并且云端通过调用API，下发数据给设备，从而实现远程控制设备的目的。同时提供其他丰富的云产品服务，非常好用。
简单工作原理图
３.各种物联网插座控制方式对比
智能插座的功能特点在于控制。目前很多技术可以使用，列举以下几种控制方式进行猜想与假设：
1.红外遥控。虽然该技术已经非常成熟，红外线遥控属于光传波，是利用红外线来传播电信号，障碍物会影响信号传播，发射端和接收端之间要保持透明，中间不能有其它东西挡着，实用性略差。
2. GSM技术。全球应用最广泛的移动通信系统，主要原理是由具备GSM功能的通信设备通过向带有GSM通信能的模块发送指令来达到控制目的。优点是可以实现比较稳定的远程通信，但上述设备价格偏高，且在通信过程中会产生一些流量费用，不适合长期家用。
３. Wi-Fi技术。调用通信模块的Wi-Fi功能，保证在同一局域网内，向指定的IP地址发送指令即可控制插座开关。该方式简单易行，并且ESP32有Wi-Fi功能模块，可以轻松调用，又不会产生额外的费用。 综上所述，Wi-Fi技术实用且易操作，并且优于其他技术。
４.智能Wi-Fi插座硬件部分设计
在硬件设计过程中，综合考虑了最终产品的体积大小以及性能忧虑，以及使用和开发的安全性与可行性。决定使用ESP32芯片的开发板用作为主体的控制部分，通过ESP32开发板控制继电器继而控制插座的开关。硬件部分设计如下：
3.1 控制芯片部分。
ESP32作为最近比较热门的开发板之一，主要具备以下优势：
1.性能优秀
ESP32 性能优秀，工作温度范围达到广泛，完全的符合家用电器使用。内置的自校准电路实现了小范围内的动态电压调整，减少了外部环境的影响，使芯片工作更加稳定。
2.超低功耗
非常适合移动端设备、携身电子产品和物联网应用开发，可在低功耗场景下配置。
3.高度集成
同时具备天线开关、RF balun、功率放大器、接收低噪声放大器、滤波器、电源管理模块等众多模块。在此基础上只需很少的外部器件，便可实现多种多样的开发功能。
4.Wi-Fi & 蓝牙解决方案
可以作为独立的最小系统去开发或者作为是主机 MCU 的从设备，可以作为接口提供 Wi-Fi 和Bluetooth功能。
220-5V降压模块
220-5V降压模块用来给主体控制模块供电。为减小插座成品的体积，增强5V电流输出能力，因此选用一体式封装的SM-PI-G06A-05（220-5V）降压模块。
电路功能
该降压模块是电源模块一种隔离性器件，具有温度保护，过流保护及短路全包住及短路权保护，高低压隔离，AC85-26V超宽电压输入，可以交直流转换，稳压精准， 5V直流电压输出，体积较小，可靠性高。
继电器模块
继电器是具有隔离功能的自动开关无源元件。被广泛的应用于工业生产和日常生活。作为作用很大的控制组件之一。继电器通常可以作为反映某些输入变量（例如电流，电压，功率，频率，温度，压力，光等）的感应机构（输入部分）；然后控制其他电路。 “控制”的执行器（输出部分）；在继电器的输入输出两部分之间，还存在中间元件（驱动部分），二者之间相互作用，完成控制效果。总之，作为控制元素，继电器具有以下效果：
1）扩大控制范围：例如，如果是多触点继电器的话，当控制信号到达固定值时，触点组的可以进行切换，断开或者接通多个电路，从而达到扩大控制范围的目的。
2）放大：例如，作为中间元件可以控制高功率的电路。
3）积分信号：例如，当多个控制信号以规定的形式输入到多绕组继电器中时，比较之后进行控制。
4）自动化，远程控制，监控：例如，把继电器与其他电器连在一起，给控制芯片下载程序达到控制电路的目的，从而实现自动操作。
继电器的工作原理
继电器通常由内部铁芯，电磁线圈，电枢，接触弹簧等组成。
如果在线圈的两端施加一定的电压，一定的电流就会在线圈中流动，电磁效应产生之后，电枢将在该铁芯的作用下吸收复位弹簧对铁芯的拉力。有了电磁力吸引，从而启动电枢。动触头与固定触头（常开触头）接触。对线圈断电，电磁产生的吸引力也会消失，并且电枢在弹簧的反作用力中返回到初始位置，从而释放可动触头和初始始静触头（常闭触头）。达到吸合与释放的功能，从而实现在电路中接通和断开的目的。“常开触点”就是线圈没有通电时打开的静触头，“常闭触点”是处于静态状态的开启触点。继电器中一般情况下有两个电路，它们分别是高压工作电路和低压控制电路。
当与ESP32芯片连接配合使用时，继电器由ESP32主控模块的G4控制。当G4输出高电平时，经过三极管放大，LED发光，继电器开启，此时插孔有通电正常工作；当G4输出低电平时，不进行放大，LED供电不足熄灭，继电器关闭，此时插孔断电，插座关闭。
插座选择自行网上购买的无线拓展两插孔电源转换器插座，最大承受功率2500W，最大承载电流10A，足以满足设计需求。一个插孔作为正常电源插孔使用，另一个插孔取下，放置ESP32芯片，继电器等元器件。 另外选择插座的时候，要充分考虑内部空间大小，接线复杂情况，另外也应购买一些大品牌的插座，毕竟是要直接接220V交流电，在保证功能完善的同时，也要考虑安全问题。
])
５.智能Wi-Fi插座软件部分设计
采用的编译器是uPyCraft：
uPyCraft是一个推出不久的Python物联网开发工具，由国内公司(DFROBOT)研发，非常适合用MicroPython语言开发。
uPyCraft 特性：
1.支持在线更新。
2.目前支持在windows和mac操作系统下运行。
3.非常的简单实用，初学者用户容易快速上手。
4.里面有多种开发板的实例，学习成本很低。
首先考虑需要支持ESP32这种出世不久的芯片，在考虑arduino和uPYCraft之后，选择上手更加容易的uPYCraft， 一个支持ESP32的 MicroPython ide。upycaft 是 支持ESP32芯片且用 MicroPython语言开发的一个非常简单的编辑器。界面是简洁的, 学习使用它也是比较简单的。
所以，先将ESP32芯片连接到电脑，然后打开“我的电脑”的“设备管理器”，应有如下界面显示：
在电脑上安装好uPyCraft IDE后，点击运行这个软件。把它和开发板连起来，先点击菜单栏上的Tools（工具），再根据弹出的窗口中点击 Serial（串口），并选择用本机的COM端口选项，如图5.3所示。
本台电脑的端口为COM3，所以在下边serial选择COM3。
在菜单栏下的board（开发板）下拉列表单击ESP32这个开发板。此处如果尚未将MicroPython固件烧录到开发板上，那么在erase_flash（擦除Flash）下拉列表中选择yes（是），如出现no则是固件原因，故建议购买MicroPython固件的板子。
如果下面的窗口中显示这个符号“>>>”表示运行环境正常，此符号为Python提示符。
程序部分：
1.局域网控制需两个程序，一个用来连接Wi-Fi，一个用来控制。：
连接Wi-Fi程序：
def connect():
import network
ssid = "马玉成" #局域网ID
password = "15188955709" /#局域网密码
station = network.WLAN(network.STA_IF)
if station.isconnected() == True:
print("Already connected")
return
station.active(True)
station.connect(ssid, password)
station.ifconfig(('192.168.43.199','255.255.255.0','192.168.43.233','192.168.43.233'))
#为ESP32设置为固定的IP地址（静态IP，手动设置）
while station.isconnected() == False:
pass
print("Connection successful")
print(station.ifconfig())
控制程序：
from machine import Pin
import socket
import lianjie #调用上边的连接程序
lianjie.connect()
led=Pin(4, Pin.OUT) #G4输出端
html= """
NodeMcu板载LED灯控制
当前led灯状态：%s
""" ## 生成的简单前端网页界面，用来做控制界面。
import socket
addr = socket.getaddrinfo('192.168.43.199', 80)[0][-1]
s = socket.socket()
s.bind(addr)
s.listen(1)
print('listening on', addr)
while True:
cl, addr = s.accept()
print('client connected from', addr)
request = cl.recv(1024)
LedState=""
if request.decode()[:20].find("LED=ON") != -1:
led.value(1)
LedState="打开" #判断值是否为1，为1打开。
elif request.decode()[:20].find("LED=OFF") != -1:
led.value(0)
LedState="关闭" #判断值是否为0，为0关闭。
response = html % LedState
cl.send(response)
cl.close()
2.远程控制需两个程序，主程序mqtt，和一个umqtt库中自带的simple.py（自带程序不再介绍）。
mqtt程序：
import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF)
if not sta_if.isconnected():
print('connecting to network...')
sta_if.active(True)
sta_if.connect('马玉成', '15188955709') #wifi的SSID和密码
while not sta_if.isconnected():
pass
print('network config:', sta_if.ifconfig())
from simple import MQTTClient
from machine import Pin
import time
import machine
import json
import micropython
# ESP32 ESP-12 modules have blue, active-low LED on GPIO2, replace
# with something else if needed.
led = Pin(2, Pin.OUT, value=0)
led.value(1)
time.sleep(1)
led.value(0)
out = Pin(12,Pin.OUT,value=0)
get_in = Pin(14,Pin.IN)
# Default MQTT server to connect to
SERVER = "183.230.40.39"
CLIENT_ID = "527249858"
TOPIC = b"topic1"
username='244037'
password='6LIGFBFWp==XLUzqCWlXYwpBKTg='
state = 0
def pubdata():
global state
data = {'datastreams':[{'id':'temp1','datapoints':[{'value':str(state)}] } ]}
j_d = json.dumps(data)
j_l = len(j_d)
arr = bytearray(j_l + 3)
arr[0] = 1 #publish数据类型为json
arr[1] = int(j_l / 256) # json数据长度 高位字节
arr[2] = j_l % 256 # json数据长度 低位字节
arr[3:] = j_d.encode('ascii') # json数据
return arr
def catch_mouse(p):
global state
state = 1
led.value(1)
out.value(1)
state = 1
print("catch one time")
def sub_cb(topic, msg):
global state
print((topic, msg))
if msg == b"off":
led.value(0)
out.value(0)
state = 0
print("1")
elif msg == b"on":
led.value(1)
out.value(1)
state = 1
print("0")
elif msg == b"toggle":
# LED is inversed, so setting it to current state
# value will make it toggle
led.value(state)
out.value(state)
state = 1 - state
def main1(server=SERVER):
global state
c = MQTTClient(CLIENT_ID, server,6002,username,password)
# Subscribed messages will be delivered to this callback
c.set_callback(sub_cb)
c.connect()
c.subscribe(TOPIC)
c.publish('$dp',pubdata())
print("Connected to %s, subscribed to %s topic" % (server, TOPIC))
try:
while 1:
#micropython.mem_info()
c.publish('$dp',pubdata())
#c.ping()
c.check_msg()
time.sleep(3)
finally:
c.disconnect()
get_in.irq(trigger=Pin.IRQ_FALLING,handler=catch_mouse)
main1()
整体流程：
代码奉上，愿各位同学自己动手焊接与修正。