一种基于ESP8266的无线继电器开关设计
摘要：基于ESP8266的无线继电器开关设计使用家里的路由器作为信号的中继，手机与ESP8266均连接在路由器上，并添加Arduino作为串口通信连接继电器，同时对编写的程序进行烧写，处理和分析，最终实现通过手机APP下达开关指令操作，家庭路由器接受指令并传送给WiFi模块使其进行开关的操作，实现用电器的打开和关闭。通过APP操作用电设备简化了生活中频繁的开关按钮操作，使得人们在不方便的情况下也可以对用电器进行开关操作。
关键词：ESP8266；WiFi；继电器；路由器；
Design of a Wireless Relay Switch Based on ESP8266
Abstract: ESP8266-based wireless relay switch design uses home router as signal relay, mobile phone and ESP8266 are connected to the router, and Arduino is added as serial communication connection relay. At the same time, the program is burned, processed and analyzed. Finally, the switch instruction is issued through mobile phone APP. The home router receives instructions and transmits them to WiFi module. The switch is operated to realize the opening and closing of electrical appliances.By using APP to operate electrical equipment, the frequent operation of switch buttons in daily life is simplified, so that people can switch electrical appliances under inconvenient circumstances.
Keywords:ESP8266;WiFi; Relay;Router;
第1章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
现代社会发展的步伐日益增快，人们的需求也日益增长，在这种大压力下，人们也会为了节约时间而让智能产品代替人来完成一些操作。因此，为了实现这一现象，提出了基于ESP8266的无线继电器开关设计。用到开关的地方很多，几乎充斥着我们的全部生活，在寒冷的冬天，用手机控制开关取代用手去关灯是一件令人愉悦的事。它的出现一方面方便了操作，另一方面我们生活也越来越智能化，提高了生活的档次。
如今的社会对智能产品的要求越来越高，无线继电器开关的应用也深深的融入了我们的生活。在这种情况下，我们需要注意的是如何使继电器开关的效率提高，如何使用起来更方便，价格更便宜。基于ESP8266的无线继电器开关的使用使人们的生活更方便，也节省了更多的空间。
1.2 课题国内外研究现状
1.2.1国内发展现状
现在WiFi的应用越来越普及，它相对于4G技术是一种补充，很多高校，公司，休闲场所各种地方都能用到。与基于WiFi标准的WLAN网络和普通的4G网络相比是相对便宜的。WiFi技术运用在电信运营方面在市场上也占据着很大的优势。WiFi无线网络的网络模式是相对简单的，它主要由AP（存取点）和无线网卡组成。AP可以作为一个网络桥接器或接入点，在那里可以搜索到WiFi网络，可以连接到AP进行上网操作，现在笔记本电脑和具有WiFi功能的智能手机这些这些终端设备都可以连接到接入点，然后无线网卡的任何终端访问到WiFi覆盖区域可以经由AP被无线连接到互联网[1]。
1.2.2国外发展现状
美国休斯敦投资美金3.5万元在建立城市的WiFi网络上，社区中心，非赢利组织和学校都有涉及以及免费高速网络的提供。旧金山最近开了新汽车站的计划，每个公交车站是一个小型的WiFi基站，并且周边都可以享受到公交车站的WiFi服务[1]。WiFi掀起了一片潮流，这一潮流涉及到了汽车行业。德国制造的大众公司和自动移动电话公司联合推出大众普通小货车上面装的WiFi设备。后来从2009年6月以后美国所以的类似普通小货车的车都安装了这种设备。
第2章 系统总体方案设计与选择论证
2.1 系统整体方案设计思路
结合系统自身的特点，有以下几点设计要求：
(1)成本低，价格可观。人们为了方便将智能产品应用与生活，基于ESP8266的无线继电器开关应用范围广，因此，需要可观，相对便宜的价格才能提高人们的购买力。
(2)易于操作。现代的人们都趋向于生活简便化，繁琐的操作会使人们厌烦，也有些人在网上购买材料自己设计开关，简便的操作会使ESP8266的无线继电器开关广泛使用。
(3)节省空间。例如，人们将基于ESP8266的无线继电器开关应用于家居，通过手机就能控制家里的开关，简化了繁琐的布线，更节省空间。
(4)可靠性。时代在不断进步科技飞速发展，电子设备也在不断的更新，人们在注重智能方便的同时也注重产品的可靠性，要有较高的效率，能用的时间长久，为了这一产品在市场中越来越受人们的欢迎，就必须要提高产品的质量。
将这个设计分为几个模块来设计可以使系统的设计思路更加的清晰明确。整个系统可以分为三个部分：供电部分，控制部分，程序部分。
供电部分：供电部分主要是通过降压来转化的过程，这一模块称为降压模块。首先是将220V交流电转换为5V直流电来驱动继电器，再通过AMS1117转换成3.3V直流电后为ESP8266供电。
控制部分：使用ESP8266-01作为控制模块，GPIO2口作为控制口。
程序部分：通过对Arduino对ESP8266本身程序编写烧录和对WiFi模块指令配置和APP连接通信配置做测试实现整体功能。
2.2 系统主要单元的选择与论证
根据系统的要求来选择合适的元器件，应遵循以下原则：
(1)供电部分的电路相对来说要简单；
(2)ESP8266模组的选型要简单易懂，继电器模块的型号要选择正确，不能一味地只追求价格便宜而忽略可行性；
(3)保证电源在3V-4V以下。
2.2.1无线模块的选型
无线模块是Zigbee模块和WiFi模块的性能和距离测试对比。
Zigbee模块：Zigbee技术作为一种无线通信技术，它具有功耗低，在短距离内传输的特点[2]。它使用的是 2.4GHz波段，可以采用扩频技术，跳频技术[2]。能够和254个节点连接构成网络，由于它的特点通常被应用于智能家居控制，传感器网络，安全系统设计等方面。
Zigbee技术具有以下几个特点：
(1)功耗低。Zigbee技术一般采用休眠模式，传输的速率快，因此能达到省电的效果[3]。
(2)低成本。Zigbee初始成本比较高大概在6美元左右，但是很快价格降低了几倍，达到1.6元左右[3]。
(3)延时短。从睡眠潜伏期，以激活和通信的延迟非常短，由于这种特点经常被应用于工业控制场合的无线控制。
(4)可靠，安全。可以避免发生数据的竞争和冲突的情况，如果在传输数据的过程中发生错误这样可以重新发送。Zigbee技术在传输过程中采用加密算法，能保证数据的安全，避免泄漏消息做到可靠性传输。
WiFi模块：WiFi模块使用由深圳Anxinke科技有限公司开发出的基于乐鑫ESP8266超低功耗的UART-WiFi模块的一系列的模组中的ESP8266-01S型号的芯片[5]，这类型的模块可以与云端服务连接，对3G,4G的手机实现随时随地的全球控制，方便二次开发以至于加速产品原型更好地设计。
ESP8266的核心是处理器模块，它在比较小的尺寸中集成了最精简的封装模式，在集成业界中遥遥领先。具有超低功耗 32 位微型控制器不需要加其余的控制器，16 位精简模式，可以采用 80 MHz 和 160 MHz的主频，支持 RTOS，板上天线[5]。支持 IEEE802.11 b/g/n 标准协议，完整的 TCP/IP 协议架构。用户可以利用这个模块构建独立的网络控制器，还能为已有的但是不方便操作的设备增加联网的功能。
ESP8266 是一种高性能的无线 SOC，成本低实用性大，是WiFi技术加入到其他系统的可能性基础[5]。
结合上述的对比和一系列的选择，最终选用的无线模块为ESP8266的WiFi模块。
2.2.2 继电器的选型
常用的继电器有以下几种类型：
(1)电磁继电器：在输入电路中电磁铁的铁芯继电器和衔铁之间产生的吸力作用的电气继电器。
(2)固体继电器：它的输入和输出隔离，电子元器件能够执行其功能但是无机械运动构建的一种继电器。
(3)温度继电器：当外界的温度达到给定的额定值时而启动的一种继电器。
(4)舌簧继电器：在管内密封，具有衔铁磁路与触电簧片共同作用的舌簧来控制设备的开关，闭合以及电路转换的继电器。
(5)时间继电器：加上或者减去输入信号时，它的输出部分需要延时到规定的时间后才被控制电路控制开关的一种继电器。
综合上述不同类型继电器的对比和选择，最终本设计采用的小型固态继电器，它与金属触点继电器的区别是：如果采用触点继电器的话接一些感性的用电设备比如电扇是它会产生电弧影响电路。因为在电源转换的过程中有交流电转直流电，这时电弧会对电路产生较大的影响，从而影响效果。固态继电器有短路，过度负载，温度过高的保护作用，可以直接用在控制电路中，至今广泛应用。
目录
第1章 绪论 5
1.1 课题研究的目的及意义 5
1.2 课题国内外研究现状 5
1.2.1国内发展现状 5
1.2.2国外发展现状 5
第2章 系统总体方案设计与选择论证 6
2.1 系统整体方案设计思路 6
2.2 系统主要单元的选择与论证 6
2.2.1无线模块的选型 7
2.2.2 继电器的选型 8
第3章 系统的硬件设计 9
3.1供电模块 9
3.2 WiFi模块 10
3.2.1 ESP8266模块参数说明 10
3.2.2 ESP8266模块简介说明 11
3.2.3继电器模块 12
3.3路由器 13
3.4手机APP 13
3.5处理器模块 13
第4章 系统软件设计 14
4.1系统软件总体设计 14
4.2 下位机主程序设计 15
第5章 系统调试及结果分析 17
5.1硬件连接及调试 17
5.2 软件编译及调试 19
5.3 软硬件联合调试 21
5.3.1原理图设计 21
5.3.2元件库设计 22
5.3.3 通信测试 22
第6章 结论与展望 25
致谢 27
参考文献 28
参考文献
[1]唐思敏.WIFI技术及其应用研究[J].福建电脑,2009,25(10):59+82.
[2]卢俊文.Zigbee技术的原理及特点[J].通讯世界,2019,26(03):35-36.
[3]凌志浩,周怡頲,郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报(自然科学版),2006(07):801-805.
[4]青岛英谷教育科技股份有限公司. Zigbee开发技术及实践. 西安电子科技大学出版社.
[5]柳科.基于物联网芯片ESP8266的智能遥控车[J].中国新通信,2018,20(01):41.
[6]薛翔,王琰.基于ESP8266的智能开关控制系统设计[J].电子世界,2018(21):147-148.
[7]ESP8266安信可ESP-12F WiFi模块规格书.
