摘 要

随着第五代通信技术的发展，中国很快将全面进入5G时代，在不久的将来人工智能行业将大放异彩，智能家居将迎来快速的发展，智能家居产品也将进入千家万户。在智能家居产品中，智能电源插座是最基础同时也最重要的，设计出性价比高、功能丰富的智能电源插座产品对智能家居的普及至关重要。

本论文分六个部分对智能电源插座进行研究和设计。第一部分为绪论部分，对智能电源插座的研究背景及意义，论文的整体结构进行了阐述；第二个部分是相关理论综述部分，对ESP8266通信模块、电能的计算和通信协议进行了阐述，为研究提供一个良好的理论基础；第三个部分是整体设计思路部分；第四个部分是硬件电路的设计部分，阐述了智能电源插座的硬件电路设计；第五个部分为软件的设计，对插座设计的软件设计进行了阐述；第六部分为总结与展望，这部分总结了设计过程中遇到的问题，对未来智能插座可扩展的功能进行思考并进行展望。

智能电源插座的设计包含5个主要部分：继电器部分、MCU控制部分、电能计量部分、ESP8266通信部分和电压转换部分。继电器模块控制插座电源的通断，MCU控制模块实现电路的控制，电能计量模块实现电路中电能的计量，ESP8266通信模块实现电路的通信，电压转换模块保证各部分的正常工作。其中MCU选取STC8C2K08S2芯片，电能计量模块选用HLW8032单向电能计量芯片。

通过对智能电源插座的研究和设计，我对电源插座的发展进行了展望。未来的电源插座将更加节能环保，更加安全，功能更加齐全，电源插座可扩展出定时开关，电能过载提示等功能。

关键词：ESP8266；智能插座；电能计量；智能家居

Abstract

With the development of the fifth generation of communication technology, China will soon fully enter the 5G era and the artificial intelligence industry will shine in the near future. We can see that smart home will usher in rapid development, which means smart home products will also enter thousands of households. Among the smart home products, smart socket is the most basic but also the most important. Therefore, the design of cost-effective and feature-rich smart socket products is crucial to the popularization of smart home.

This dissertation is divided into six parts to study and design the smart socket. The first part is the introduction part, which elaborates the research background , the significance of smart socket and the overall structure of the dissertation; the second part is a overview of relevant theories, which elaborates on the ESP8266 communication module, power calculation and communication protocol, providing a good theoretical basis for the research; the third part is the overall design thinking ; the fourth part is the hardware circuit design, which elaborates the hardware circuit design of the smart socket; the fifth part is the design of the software, which elaborates the software design of the socket design; the sixth part is the summary and outlook, which summarizes the problems encountered in the design process, also considers and anticipates the expandable functions of the smart socket in the future.

The design of the smart socket consists of five main parts: relay part, MCU control part, power metering part, ESP8266 communication part and voltage conversion part. The relay module controls the on and off of the socket power supply; the MCU control module realizes the control of the circuit; the power metering module realizes the power measurement in the circuit; the ESP8266 communication module realizes the communication of the circuit; and the voltage conversion module ensures the normal operation of all parts. STC8C2K08S2 chip is selected for MCU, and HLW8032 unidirectional power metering chip is selected for power metering module.

Through the research and design of smart socket, I have some expectations on the development of power socket. The future power socket will be more energy-efficient ,more environmentally friendly, more secure and will have more complete functions—the functionality of the power socket can be extended for the timing switch, power overload prompt ,etc.

Key words: ESP8266; smart socket; electrical energy measurement; smart home

目录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2 文献综述 1

1.3 论文结构 2

第2章 理论综述 4

2.1 ESP8266模块简介 4

2.2电能计量 4

2.3 物联网协议MQTT 6

第3章 整体设计 8

3.1 MCU控制部分 8

3.2 电能计量部分 9

3.3 电压转换部分 9

第4章 硬件电路设计 11

4.1 MCU控制部分 11

4.2 继电器模块 12

4.3 电压转换模块 13

4.4 电能计量模块 14

4.5 通信模块 16

第5章 软件设计 17

5.1 ESP8266芯片的初始化 17

5.2 MCU主程序设计 17

5.3 电能计量的计算方法 20

第6章 总结与展望 22

6.1 工作总结 22

6.2 展望 23

参考文献 24

附录A 总电路图 25

附录B 部分软件函数 25

致谢 29

第1章 绪论

1.1选题背景

伴随着第五代通信技术的快速发展壮大 ，我国很快将全方面进入5G时代，在不久的将来人工智能行业将大放异彩，智能家居产品很快将进入千家万户。我们可以发现“互联网技术 计算机”的发展彻底颠覆了日常生活方式和传统商业模式，“移动设备 4G”的发展彻底颠覆了人们的交流方式和互联网商业模式，那么“物联网 5G”势必将给我们的生活、医疗、教育、生产、娱乐等带来前所未有的改变。我们将迎来一个万物互联的时代，人民的生活将更加智能化、舒适化、高效化、便捷化。在5G时代的浪潮下，与人民生活联系紧密的智能家居产品的普及将是发展趋势。

智能家居，也称智慧住宅^[1]。我们常认为智能家居是将家用电器、电源插座、灯光照明、家用洗浴设备、燃气预警机制、家用投影、远程监控、家用窗帘、安防设施等实现物联网统一管理，完成家用设施的智能化。智能家居将使用户的生活更加舒适、方便、安全和高效。然而在如今的日常生活中智能家居对大多数人来说似乎还很远，大多数人只闻其名而未见其形。实际上智能化家居早已经在一些高档住宅中出现了，只不过还没有推广到我们的日常生活中^[2]。智能家居还没有大范围推广的原因首先是目前大多数智能家居产品价格昂贵，一般家庭消费不起；其次是市面上许多智能家居产品的功能多为噱头，实用性不强，与实际需求相隔甚远。同时，一些产品使用繁琐，并没有达到便利生活的初衷，这也导致了大众心中智能家居“未见其形”的现象。插座作为家庭生活中的基础性的电器设备，实现插座的智能化将对智能家居的普及起到“敲门砖”的作用。智能插座的实现将给人们的生活带来许多便利，但目前市面上的大多数智能插座存在着功能单一，体积过大，占用空间大等缺点。