前言

畢設需要測量一個電路的電壓和電流，從而計算出來功率。這個電路是和移動設備綁在一起的，所以測量的信號要通過WiFi傳遞出來。而接收信號的方法，可以是網頁接收或者app，app太復雜了，所以寫一個前端小網頁要簡單得多。

1. 硬件設計

硬件電路主要就是一個采樣電路和一個單片機：NodeMCU。

1.1. 采樣電路

這個采樣電路的作用就是讓需要采樣的數據從它流過，然后采集返回數據。

電路圖的上半部分就是對經過的電壓電流采樣的電路。P1輸入的電壓范圍為010V，所以在紅框1中使用兩個20kΩ的分壓電阻使得采樣的電壓范圍為05V，為什么分壓到這個范圍，是因為之后的ADS1115只能采樣到0~VCC的電壓，而該芯片的電壓在該電路中設計為5V。如果輸入電壓范圍更寬的話，可以適當調整分壓電阻的大小。

紅框1中還有一個電流采樣點R3，它是0.2Ω的采樣電阻，這樣會將電流轉化為電壓信號，傳遞給ADS1115采樣。在這個電路中，如果過3A的電流，采樣電阻上就有0.6V的電壓傳遞給ADS1115。采樣電阻可以更大，這樣采得的電流數據就更準確。但是，電阻太大導致損耗也會增大，同時壓降也會很大。主電路是要給后續設備供電的，采樣壓降太大，后續設備也會受影響。

紅框2中就是采樣信號的芯片：ADS1115，它有四個采樣腳，可以差分采樣和單獨采樣。通過SCL和SDA兩個管腳以I2C的方式和單片機連接，從而將采樣的信號傳輸出去。在本文中，單片機用的是NodeMCU。

采樣電路通過穩壓芯片產生一路5V輸出給NodeMCU供電，同時SCL、SDA兩個管腳接受NodeMCU的控制，將采樣數據傳遞出去。

1.2. NodeMCU

NodeMCU是一個開源的物聯網平臺。它使用Lua腳本語言編程。該平臺基于eLua開源項目，底層使用ESP8266 sdk 0.9.5版本。該平臺使用了很多開源項目，例如 lua-cjson，spiffs。NodeMCU包含了可以運行在esp8266 WiFi SoC芯片之上的固件,以及基于ESP-12模組的硬件。

本文中使用的是D1 mini版的NodeMCU，該開發板上集成了esp8266芯片，它可以用來產生熱點或者連接WiFi，從而構成一個服務器。這個開發板可以讓開發者以arduino的方式進行編程設計，只不過需要在arduino IDE上導入對應的開發板即可。

2. 軟件設計

2.1. arduino ide添加開發板

進入arduino ide的首選項

回到主面板，進入"工具->開發板->開發板管理器"，在如下圖中輸入esp：

安裝即可實現新開發板的添加。

在開發板中就可以看到NodeMCU的選擇。

2.2. 建立網絡

arduino有相關的ESP8266WIFI庫來操作WiFi，建立網絡。

首先，這個開發板既可以連接WiFi，也可以創建熱點讓其他設備連接。兩種方式都可以為之后的服務器做準備。

2.2.1. 連接WiFi

首先導入ESP8266WiFi.h頭文件，該文件可以在庫管理中添加WiFi庫獲得。

在setup函數中通過WiFi.begin(ssid, password);發起連接WiFi的調用，然后通過while不斷輪詢WiFi.status()檢測是否連接成功。

如果連接成功，在串口上打印出它獲得的IP。

// Import required libraries
#include < ESP8266WiFi.h >


// WiFi parameters
const char* ssid = "MI8pro";
const char* password = "12345600";


void setup(void)
{
  // Start Serial
  Serial.begin(115200);

  // Connect to WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");

  // Print the IP address
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void loop() {
}

2.2.2. 開啟熱點

使用NodeMCU產生一個熱點，因為NodeMCU沒有和外部網絡連接，所以這個熱點是局域網式的。

很簡單，就是在setup中通過WiFi.softAP函數來開啟熱點。

在此基礎上可以進一步實現網絡的連接?？梢栽?.2.1節代碼中添加重試次數，如果重試多次還無法連接到對應WiFi，就自己建立熱點。

不過后期，為了便捷開發，只是使用WiFi連接來建立網絡。

#include < ESP8266WiFi.h >


IPAddress local_IP(192,168,0,100);
IPAddress gateway(192,168,0,100);
IPAddress subnet(255,255,255,0);


void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  Serial.println();


  Serial.print("Setting soft-AP configuration ... ");
  Serial.println(WiFi.softAPConfig(local_IP, gateway, subnet) ? "Ready" : "Failed!");


  Serial.print("Setting soft-AP ... ");
  Serial.println(WiFi.softAP("ESPsoftAP", "12345600", 1, false, 10) ? "Ready" : "Failed!");


  Serial.print("Soft-AP IP address = ");
  Serial.println(WiFi.softAPIP());
}


void loop() {}

2.3. 服務器

arduino也有相應的庫來建立HTTP服務器。

這個服務器主要處理兩個路徑的請求：/和/get。其中，根目錄就是返回給瀏覽器一個網頁，而網頁中會通過js不停向/get發送請求，獲取采集的電壓電流等數據。

網頁如下。

< !DOCTYPE html >
< script src='https://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/jquery/3.5.1/jquery.js' >< /script >
< h1 >current and voltage sample< /h1 >
< br/ >
< body >
< script type='text/javascript' >
    $(function () {
        setInterval(reflush, 1000)
    })
    function reflush() {
        $.getJSON('./get', function(json) {
            //解決原生js更新數據產生頁面閃爍的問題
            $('#tmp')[0].innerHTML = json.voltage
            $('#voltage').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.current
            $('#current').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.power
            $('#power').html($('#tmp').html())


            $('#tmp')[0].innerHTML = json.serial
            $('#serial').html($('#tmp').html())
        })
    }
< /script >
    < label id='tmp' hidden >< /label >
    < label >voltage: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='voltage' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    V< br/ >
    < label >current: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='current' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    A< br/ >
    < label >power: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='power' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
    W< br/ >
    < label >serial-number: < /label >
    < b >
        < i >
            < label id='serial' >0.00< /label >
        < /i >
    < /b >
< /body >

首先導入頭文件，并定義全局變量server并定義對應的handler。在handleRoot中會直接將上述網頁返回，而在handleGet中會將電壓、電流、功率等數據通過json的形式返回給客戶端。為了表示數據的實時性，還附帶了一個序列號，序列號在網頁上的變化，表示了數據是實時接收的。

#include < ESP8266WebServer.h >
#include < ArduinoJson.h >


//Web Server
ESP8266WebServer server(8080);


void handleRoot() {
  server.send(200, "text/html", rootpage);  
}
void handleGet() {
  StaticJsonDocument< 100 > json;
  json["voltage"] = voltage;
  json["current"] = current;
  json["power"] = power;
  char serial[100];
  sprintf(serial, "0x%x", millis());
  json["serial"] = serial;
  char msg[measureJson(json) + 1];
  serializeJson(json, msg, measureJson(json) + 1);
  server.send(200, "text/plain", msg);
  Serial.printf("handleGet: %sn", msg);
}

然后在setup()函數中配置對應的handler。

server.on("/", HTTP_GET, handleRoot);
  server.on("/get", HTTP_GET, handleGet);
  server.begin();

在loop()函數中處理客戶端的請求，其實也就是調用一個函數，在loop這個死循環中不停處理請求。

//server處理客戶端的請求
  server.handleClient();

2.4. 采樣

采樣是通過arduino的一個ADS1115庫來實現的，也是很簡單。

首先導入需要的庫，并實例化一些對象。

#include < Adafruit_ADS1015.h >


// 電壓電流測量
Adafruit_ADS1115 ads(0x48);
float voltage = 5.00;
float current = 1.11;
float power = voltage * current;

在setup()函數中開啟ADS芯片，這個是很重要的。

ads.begin();

然后在loop()函數中，獲取硬件電路中的ADS1115芯片四個采樣腳的電壓，進一步獲得電壓和電流值，0.1875是電壓因數。

因為ADS采樣腳的輸入阻抗問題，測得的電壓值和實際的電壓值是有偏移的，不過是線性偏移。只要求兩組采樣值x和實際值y，然后通過y=ax+b來求得其系數。

//ADC電壓電流采集，功率計算
  int16_t adc0, adc1, adc2, adc3;
  adc0 = ads.readADC_SingleEnded(0);
  adc1 = ads.readADC_SingleEnded(1);
  adc2 = ads.readADC_SingleEnded(2);
  adc3 = ads.readADC_SingleEnded(3);
  // AD測得的值
  voltage = ((adc0 - adc1) * 0.1875) / 1000;
  current = (adc3 - adc2)*0.1875 / 1000;


  //矯正，通過取兩個點求斜率y=ax+b,a=2.028,b=1.1568,x是測量值,y是實際輸入電壓值
  voltage = 2.028 * voltage + 1.1568;
  //current就是測得的電壓除以采樣電阻0.2
  current = current * 5;

  power = voltage * current;