基于WiFi的智能插座 毕业论文.docx
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基于WiFi的智能插座毕业论文
摘要
生活中插座的应用极其普遍，家用电器待机损耗，造成了电能的浪费。
此论文论述和分析了当今社会中插座的发展历史、现状，比较当前普通的插座的不足，提出新的设计方案和解决方法——基于WiFi的智能电源插座设计。
过去，插座只是普通的连接器件，如今转变成为了拥有独立操作系统的新型智能设备。
以往出门在外无法掌控家里的电器工作，如今可以通过手机APP控制WiFi智能插座让家电独立完成工作，给生活带来了许多的便利。
关键词：
WiFi；智能插座；远程控制
Abstract
Theuseofsocketinlifeisverycommon,householdappliancesstandbyloss,resultinginawasteofenergy.Thispaperdiscussesandanalyzesthedevelopmenthistoryandcurrentstatusofthesocketintoday'ssociety,andcomparesthedisadvantagesofthecurrentcommonsocket,andputsforwardanewdesignschemeandsolution.Inthepast,thesocketisjustacommonconnectiondevice,andnowithaschangedintoanewtypeofintelligentequipmentwithanindependentoperatingsystem.Inthepasttogoouthomecannotcontroltheworkofthehome,andnowcanbecontrolledbymobileAPP，WiFismartsockettoallowtheappliancetocompletetheworkindependently,tobringalotofconveniencetolife.
Keywords：
WiFi;Smartsocket;Remotecontrol
第1章绪论
1.1研究意义
WiFi智能插座是一款新兴的智能化产品，它利用WiFi网络建立起与手机的通信，用户通过手机App操作就能打开或者关闭指定的电器。
因为可以做到随时随地对家电的控制，使待机功率较大的电器可以做到完全断电、随用随开，同时也能省下电费，达到节能减排、绿色环保的目的。
随着人们生活质量的提高，借着互联网+、物联网概念的东风，智能家居概念越来越深入人心。
而采用全套智能化家居系统的费用很高，而且技术更新快，产品容易过时，对于已经交付使用的住房来说，改造起来更为复杂。
而利用智能WiFi插座，不需要破坏当前家庭装饰，不需要家庭网关，就可以把原本不智能的家用电器智能化，体验到智能家居的便利。
1.2发展趋势
“物联网”、“智能家居”是近几年大火的几个词语。
物联网和智能家居是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。
据预测，2020年物联网设备数量将达到250亿件，在2016年物联网产业就会达到近5000亿元的规模。
基于物联网技术的智能家居正逐步走向千家万户。
如今，智能家居更是国内创业者、各大互联网巨头和家电厂商关注的焦点。
各种智能家居产品层出不穷，智能家居市场一片繁荣。
而智能插座作为智能家居中重要的一种形式，必将成为人们日常生活中必不可少的必需品，将会广泛用于个人家庭以及一些公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。
同时会为节能减排做出不小的贡献。
1.3本设计的市场前景
目前市场上排插的功能单一，只能通过手机APP控制插座通断，以及提供一个小电流的USB接口。
而本设计不仅可以单独控制两路插座开关，还具有定时通断功能，同时提供最大4.8A的USB电流输出，还带有网线接口，可实现路由功能、远程开电脑功能等。
第2章系统方案设计及分析
2.1智能WiFi插座的设计方案
智能WiFI插座设计包括硬件和软件两部分。
硬件是电路的物质基础。
它在软件的协调配合下运行，实现系统功能控制，完成控制任务。
硬件包括:
电源、变压器部分、控制部分、继电器部分等。
控制系统的软件，指的是它的全部程序，包括系统软件和应用软件两大类。
2.2现阶段智能插座控制方式对比
智能插座就是一个互联网时代赋予智能化的开关控制器。
根据不同的控制介质，可以分为以下几种控制方式：
1.红外遥控。
红外技术出现年代久远，技术较为成熟。
但其有方向局限性，而且家中过多的红外设备易被干扰，造成控制混乱。
2.蓝牙遥控。
一般采用手机控制。
它相较于红外技术有传输速度快、距离远、安全性高等优势，但是想要进行远程控制就难以实现了。
而且蓝牙信号容易被家中2.4Ghz的WiFi信号所干扰，影响其实际遥控范围。
3.GSM技术。
通过安装SIM卡的手机或其他通信工具向带有GSM通讯模块的插座发送指令来控制插座。
优点是可以实现远程通信，但在通讯过程中会产生流量费用或短信费用，使用过程中会带来昂贵的开支。
4.WiFi技术。
手机电脑等设备通过无线模块连接无线信号，向指定的IP地址发送指令即可控制插座。
此方式既可以实现远程控制，又不会产生额外的费用。
综上所述，WiFi技术相对其他控制方式优势明显，而且具有成本较低、整合度高、安全性强、开发方便等优点。
2.3智能WiFi插座功能简介
该智能WiFi插座通过手机APP实现远程控制，其主要功能如下：
2.3.1控制插座开关
可以远程控制两路插孔独立开关，以及一路USB插口开关，并可以查看插座的开关状态，了解家中设备实时信息。
无论是在厨房、办公室还是出差外地，只要是有网络的地方，都可以通过智能WiFi插座控制家里的任何电器。
2.3.2离线检测功能
用户若离开家门，可以自动检测并关闭插座，保障家庭用电安全。
2.3.3远程开电脑功能
利用WOL功能（主机远程唤醒，WakeonLan，是由网卡配合其他软硬件，通过给处于待机状态的网卡发送特定的数据帧，实现电脑从停机状态启动的一种技术。
）通过网线与计算机连接，可以控制电脑远程开机。
2.3.4定时功能
可以对插座设置计划任务，定时的开关插座、定时开关电脑。
2.3.4安全保护
内置10A保险丝、防雷电阻。
防雷击、防短路，保护电器以及人身安全。
2.4工作原理框图
图2.1工作原理框图
第3章智能WiFi插座硬件设计
在硬件设计过程中，较多的考虑了最终产品的体积以及性能，决定使用AR9331芯片的开发板用作主控部分，用GPIO控制继电器继而控制插座的开关。
硬件设计如下：
3.1主控部分
AR9331是高通Atheros开发的WiFi芯片，支持路由和中继功能，具有高性能低功耗的特点。
它支持多用户同时连接，可以接收手机、平板通过WIFI发送过来的控制信号，实现手机、平板的无线遥控功能。
AR9331支持USB接口摄像头，可以实现图像和音频通过WIFI传输，实现手机、平板的远程监视功能。
该模块的体积小、功耗低，是做控制器、手机遥控器、视频监视器的最佳选择。
3.1.1模块参数概述
表3.1硬件规格
处理器
AtherosAR9331
内存
32MBDDR
Flash
8MBNOR
无线速率
2.4G，1T1R最高达72Mbps
接口
1x10/100Mbps自适应WAN/LAN
1xUSB2.0
2xGPIO
表3.2无线参数
协议标准
IEEE802.11b.g.n
基本功能
无线开关
SSID广播开关
2.4G信道选择
频段带宽可选20M/40M
输出功率
IEEE802.11n
13dBm@72Mbps（OFDM模式）
IEEE802.11g
16dBm@54Mbps（OFDM模式）
IEEE802.11b
18dBm（CCK模式）
接收灵敏度
CCK11Mbps≤-82dBm
OFDM6Mbps≤-85dBm
OFDM54Mbps≤-70dBm
无线安全
无线MAC地址过滤
无线安全功能开关
64/128/152bitWEP加密
WPA-PSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全机制
WPS快速安全设置
表3.3软件功能
实用功能
ADSL&DHCP自动登录
支持IE、Firefox、Safari、Chrome主流浏览器
QOS（WMM，带宽控制功能）
DDNS
工作模式
AP/Router/WDS模式
网络设置
WAN连接类型支持：
PPPOE、动态IP、静态IP
MAC地址修改与克隆
3.1.2模块特性
表3.4技术指标
项目
技术指标
单位
备注
工作电压
5V±0.1
v
额定电流
≤500
mA
最大功率输出
无线通讯
IEEE802.11b/g/n
额定功率
16
dBm
通讯协议
（UART/GPIO）
开机启动时间
≤25
s
射频端口驻波
≤1.3
数据传输最大通讯距离
≥100
m
空旷距离
图像传输最大通讯距离
≥80
m
产品特点：
1.支持802.11b/g/n无线标准
2.支持ios系统、android系统、支持多用户操作（10个以上）
3.完全集成的串口转Wi-Fi功能，无需加载任何外部软件
4.5V单电源供电，低功耗，适于电池供电应用
5.支持UART/GPIO数据通讯接口
6.支持STA/AP工作模式
7.支持SmartLink智能联网功能
8.可选内置板载或外置天线
9.传输距离：
（≤80m）
3.25V变压模块
5V变压模块用来给主控模块以及USB接口供电。
为减小插座成品的体积，增强5V电流输出能力，因此选用一体封装的HA05N485V变压模块。
3.2.1模块概述
输入电压：
85~265VAC50/60Hz
输出电压：
5VDC输出电流：
4.8A
体积：
25x39x22mm
效率：
80%
隔离电压：
3000VDC
工作温度：
-20℃~+85℃
空载功率小于0.1W
达到欧洲之星标准
符合RoHS标准
3.2.2模块特点
1.满足CE要求
2.超小型体积
3.全球通用电压输入（85~265VAC）
4.低纹波、低噪声
5.输出过载短路保护功能
6.效率高、功率密度大
7.产品设计满足EMC及安规测试要求
3.2.3模块电路
图3.1模块电路图
表3.4元件参数及作用分析
元件名称
作用
参数
FUSE保险丝
保护电路
10A250V
RV压敏电阻
在雷击浪涌时保护模块
14D471K
R1泄放电阻
模块掉电后，消耗电容能量
1MΩ1W
CX1-X2安规电容
抑制差模信号干扰
0.1uF275V
LCM共模电感
抑制共模信号干扰，提高设备抗干扰能力及系统可靠性
UU9.8/uf9.8mH电感
CY1-Y2电容
222M250V
CY2-Y2电容
222M250V
C1
滤波
3300uF16V
LDM
5.0UH棒形电感
C2
3300uF16V
C3
10450V
3.3继电器模块
3.3.1继电器介绍
继电器是一种控制器件，它是使用小电流来控制大电流的自动开关。
按继电器的工作原理或结构特征分类可分为电磁继电器、固体继电器、温度继电器、舌簧继电器、时间继电器、高频继电器和极化继电器等。
本次选用欧姆龙电磁继电器，型号为G5LA-14的5V单刀双掷继电器。
3.3.2电磁继电器工作原理
如图3.3所示，电磁式继电器由铁芯（ironcore）、线圈（coil）、衔铁（Armature）、触点簧片（Contact）等部件组成的。
当电磁继电器的线圈通电后，线圈中的铁心构成电磁铁，形成强大的电磁力。
电磁力吸动衔铁，将触电簧片拨向常开触点。
此时，电路导通。
反之，线圈断电后，电磁力消失，触点簧片在弹簧的拉伸下回到常闭触点。
此时，电路断开。
图3.3电磁继电器内部结构
3.3.3继电器模块电路
如图3.4，两路继电器分别由AR9331主控模块的GPIO7、GPIO14控制。
当GPIO输出高电平时，经过三极管放大，LED发光，继电器开启，插孔通电；当GPIO输出低电平时，三极管截至，LED熄灭，继电器关闭，插孔断电。
图3.4继电器模块电路图
第4章实物制作
此次实物制作选用了两块洞洞板作为电路板，根据原理图进行排布焊接。
4.1焊接前处理
1.观察检测元器件质量是否可靠，参数是否正确。
2.在电路板上刷一层松香，便于焊接时上锡。
3.对电烙铁进行预热、镀锡。
4.2进行焊接
1.将元件装在电路板上
2.用烙铁头融化一点松香，再将烙铁头与焊锡丝同时对准焊点。
3.将烙铁头与焊锡丝同时接触焊点，使焊锡丝融化。
4.等焊锡浸润焊点后，先将焊锡丝移开，再将电烙铁移开。
重复步骤，直到各个元件焊接完毕。
4.3后续处理
1.将元件过长的针脚剪掉
2.检查没有问题，装进外壳里测试。
3.调整安装位置，美化插座外壳。
最终制作的智能WiFi插座实物图如下：
图4.1插座内部整体结构
图4.2AR9331主控模块
图4.35V变压模块
图4.4双路继电器模块
图4.5插座外观展示
第5章软件系统设计
AR9331模块可以安装开源的OpenWRT系统，OpenWRT是一个基于Linux内核的嵌入式操作系统，主要应用于嵌入式设备和路由器。
它主要由Linux内核、util-linux、uClibc、musl和busybox构成。
Openwrt的所有组件都优化到足够小，以便适合塞进嵌入式设备有限的存储空间中。
用户可以使用命令行界面或者网页界面（Luci）来配置OpenWRT。
目前通过opkg软件包管理系统可以安装大于3500个可选软件包。
OpenWRT可以运行在各种类型的设备中，其中包括路由器、住宅网关、智能手机甚至是基于x86的电脑上。
OpenWRT可以使用任何支持Linux系统的硬件，例如USB接口的打印机、网卡、摄像头、声卡等。
可以支持SAMBA、NFS和FTP文件共享，内置播放器进程，提供音视频流媒体功能。
5.1搭建编译环境
首先需要在电脑上安装Ubuntu系统。
Ubuntu是基于DebianGNU/Linux，支持x86、amd64（即x64）和ppc架构，由全球化的专业开发团队打造的开源GNU/Linux操作系统。
安装调试好之后，打开应用程序-附件-终端，运行终端程序。
输入命令sudoapt-getupdate更新软件包列表
输入命令
sudoapt-getinstallgcc
sudoapt-getinstallg++
sudoapt-getinstallbinutils
sudoapt-getinstallpatch
sudoapt-getinstallbzip2
sudoapt-getinstallflex
sudoapt-getinstallbison
sudoapt-getinstallmake
sudoapt-getinstallautoconf
sudoapt-getinstallgettext
sudoapt-getinstalltexinfo
sudoapt-getinstallunzip
sudoapt-getinstallsharutils
sudoapt-getinstallsubversion
sudoapt-getinstalllibncurses5-dev
sudoapt-getinstallncurses-term
sudoapt-getinstallzlib1g-dev
sudoapt-getinstallgawk
sudoapt-getinstallasciidoc
sudoapt-getinstalllibz-dev
等待搭建编译环境完成。
图5.1搭建编译环境
5.2下载OpenWRT源码
输入命令
mkdiropenwrt创建一个openwrt文件夹
cdopenwrt进入openwrt文件夹
svncosvn:
//svn.openwrt.org/openwrt/trunk下载OpenWRT源码
./scripts/feedsupdate-a更新软件包
./scripts/feedsinstall-a安装软件包
图5.2下载OpenWRT源码
5.3配置OpenWRT源码
输入makemenuconfig进入定制界面
图5.3OpenWRT定制界面
TargetSystem---AR7xxx/AR9xxx选择CPU型号
LuCI—>Collections—–<*>luci添加Luci
LuCI—>Translations—-<*>luci-i18n-chinese添加中文
Save—>OK保存
Exit退出
5.4代码修改
5.4.1编译权限
为将来方便调试等操作，设置默认获得Root权限。
修改/trunk/include/prereq-build.mk文件，将require non-root修改为root
defineRequire/non-root
#["$$（shellwhoami）"!
="root"]
["$$（shellwhoami）"!
="noroot"]
Endef
5.4.2Flash配置
本次设计使用的AR9331开发板使用的为MXIC型号为MX25L6406的8MBFlash芯片。
而默认设置芯片为4MB。
为此需要修改：
trunk/tools/firmware-utils/src/mktplinkfw中AR9331配置为8MB
.id="AR9331",
.hw_id=AR9331,
.hw_rev=1,
.layout_id="4Mlzma",//改为8Mlzma
trunk/target/linux/ar71xx/image/Makefile中对应AR9331处flash大小为8MB：
AR9331,ttyATH0,115200,0x32200002,1,8Mlzma
5.4.3WiFi配置
设置WiFi的开机自启动，默认开启AP模式。
修改trunk/package/kernel/mac80211/files/lib/wifi/mac80211.sh文件：
删除掉wifi-device配置中的option disable 1，使无线WiFi上电自启动。
对channel、hwmode、txpower修改，配置信道、功率等设置。
同样，在wifi-iface配置中可以改变wifi的mode、ssid、encryption、key等值。
5.4.4设置LAN默认IP
Openwrt固件LAN口默认ip为192.168.1.1，为防止智能WiFi插座在家用过程中与上级路由IP地址冲突，所以对LAN默认IP进行修改。
修改文件package/base-files/files/lib/functions/uci-defaults.sh
configinterface'lan'
optionifname'eth1'
optionforce_link'1'
optiontype'bridge'
optionproto'static'
optionnetmask'255.255.255.0'
optionip6assign'60'
optionipaddr'192.168.10.1'
5.4.5GPIO控制
如果想使用AR9331的一些GPIO引脚来做一些简单逻辑控制，则需要通过注册gpio设备来实现，修改target/linux/ar71xx/files/arch/mips/ath79/mach-tl-wr741nd-v4.c文件
在tl_mr3220_v2_setup函数中添加需要的GPIO管脚注册即可，如：
gpio_request_one（18,GPIOF_OUT_INIT_LOW|GPIOF_EXPORT_DIR_FIXED,"ControlGPIO18"）;
5.4.6按键与指示灯
修改target/linux/ar71xx/files/arch/mips/ath79/mach-tl-wr741nd
-v4.c文件中对各按键及指示灯定义。
5.4.7自定义脚本的使用
Openwrt为用户预留的自定义启动脚本/package/base-files/
files/etc/rc.local来实现一些扩展功能，在这里可以添加一些命令，或者调用一个外部脚本来实现一些扩展功能。
5.5编译固件
输入命令makeV=99开始编译
成功后在bin文件夹里有编译好的固件，如图4.4所示。
图5.4编译固件完成
5.6固件写入开发板
1.将AR9331开发板与USB转TTL模块相连后插入电脑，同时也将开发板与电脑的网线接口相连。
（TTL是TimeToLive的缩写，该字段指定IP包被路由器丢弃之前允许通过的最大网段数量。
TTL是IPv4包头的一个8bit字段）
2.右击网上邻居配置本机IP为192.168.1.2，子网掩码为255.255.255.0。
如图5.5所示。
图5.5修改IP地址
3.下载TFTP32（Tftpd32是集成了DHCP,TFTP等多种网路服务的应用程序，可以用它作为一个FTP服务器）解压后把编译后生成的固件放到tftp32文件夹内，然后打开tftp32。
图5.6打开Tftp32
4.打开PuTTY（PuTTY是一个集成了Telnet、SSH、rlogin、TCP等网络协议以及串行接口连接软件。
），类型选择串口，输入端口号，通信波特率设为115200.点击打开。
图4.7打开PuTTY
5.输入指令
setnvserverip192.168.1.2
setnvipaddr192.168.1.1
tftp0x80000000facv1.bin
等待固件刷写成功。
图5.8固件刷写成功
5.7配置OpenWRT系统
使用Putty的SSH通信功能与AR9331模块进行通信，配置该模块的SSID、开启各种功能，加载GPIO引脚，联网安装更多软件包以及其他脚本的写入。
第6章手机端应用开发
6.1Android系统简介
Android是由谷歌开发的以Linux为核心的移动操作系统，该系统主要为带有触摸屏的智能手机、平板电脑等移动设备设计。
除触摸屏设备外，Andro
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