摘要：本文介紹的新型電源控制器以STM32為控制芯片，CC3200的SimpleLink WiFi作為聯(lián)網(wǎng)方案，使用ADC錳銅采樣電阻分析電壓、電流、有功功率等參數(shù)。通過(guò)手機(jī)APP、云端網(wǎng)頁(yè)等方式智能控制，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和定時(shí)控制用電器通斷。控制器自帶USB充電插口、提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)預(yù)約等功能。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)載等危險(xiǎn)情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別控制斷開(kāi)電源。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；電源控制器；遠(yuǎn)程控制；CC3200

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高速發(fā)展，基于IoT（Internet of Things，IoT）的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。家具業(yè)、家電業(yè)、消費(fèi)電子、汽車(chē)電子和農(nóng)業(yè)等，將實(shí)現(xiàn)滿足現(xiàn)代化需求的聯(lián)網(wǎng)方式，迎來(lái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大潮。

1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分為：主控制器、電源、WiFi、電能計(jì)量、參數(shù)顯示、繼電器控制、終端以及外圍接口部分，設(shè)計(jì)模塊框圖如圖1所示。

1.1 主控制器部分

在主控制器芯片選型時(shí)，綜合考慮性價(jià)比、Flash容量和內(nèi)部資源后，選擇了ST公司的Cortex-M3芯片。

1.2 CC3200 Wi-Fi部分

無(wú)線通信選用有人科技的C32系列的WiFi模塊。該模塊集成了MAC芯片、基頻芯片、射頻收發(fā)芯片、以及功率放大器；使用德州儀器的CC3200方案，芯片內(nèi)部自帶一個(gè)Cortex-M4內(nèi)核，運(yùn)行高達(dá)頻率80MHz；內(nèi)部自帶低能耗管理，能有效降低WiFi模塊的能耗；可以實(shí)現(xiàn)WiFi協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，只需輕松設(shè)置，便能將串口設(shè)備的接入互聯(lián)網(wǎng)。模塊的主要功能描述如下：

1）可以設(shè)置為AP，方便其他設(shè)備接入WiFi模塊，也能設(shè)置為STA，這樣可以接入路由器。

2）具有Socket 通信連接，支持TCP/UDP 透?jìng)?、HTTP、WEB Socket和SSL Client 通信。TCP/UDP透?jìng)髂Ｊ较驴梢灾付?TCP Server、TCP Client、UDP Server、UDP Client模式。

3）模塊支持 UART 透?jìng)?，可以使用AT 命令任意切換傳輸模式。

1.3 電能計(jì)量部分

這里采用的方案是由ADC數(shù)據(jù)采集、緩沖和從MCU數(shù)據(jù)分析部分等構(gòu)成?？梢灾苯虞敵鲇行щ妷?、電流、有功功率、功率因數(shù)、交流頻率和用電量等。

模塊運(yùn)行時(shí)，電壓和電流通過(guò)分壓電阻和錳銅電阻單獨(dú)取樣后，接入后面的放大電路緩沖電路，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送到從單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其工作原理框圖如圖2所示。

1.4 OLED顯示部分

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)電源控制器必須連接手機(jī)等終端設(shè)備才能查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的缺陷，該設(shè)計(jì)加載了一塊0.96寸OLED雙色顯示屏，OLED的最大特點(diǎn)就是不需要背光源，因此很節(jié)能，可以做到超低功耗運(yùn)行，僅需23mA的動(dòng)態(tài)運(yùn)行電流，可以實(shí)時(shí)顯示電量相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)備控制狀態(tài)。

1.5 繼電器控制部分

繼電器是為控制用電器通斷的，是強(qiáng)電與弱點(diǎn)的連接口，這里重點(diǎn)介紹繼電器的驅(qū)動(dòng)與反沖保護(hù)。

由于MCU的驅(qū)動(dòng)端口輸出電流不足，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)繼電器運(yùn)行，所以必須添加驅(qū)動(dòng)電路。常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)主要采用三極管的飽和或截至狀態(tài)進(jìn)行控制。

另外，由于繼電器是感性器件，其線圈有很大的電感，所以當(dāng)繼電器關(guān)閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的反沖電壓，容易對(duì)其他電路產(chǎn)生不良影響，這里采用二極管防反沖電路來(lái)消除反向過(guò)壓信號(hào)。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為五個(gè)部分：參數(shù)顯示、電能監(jiān)測(cè)、WIFI通信和手機(jī)端APP控制臺(tái)。

軟件系統(tǒng)最大的特點(diǎn)在于區(qū)分了主從關(guān)系，如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到過(guò)載電流，即判定為非危險(xiǎn)操作，繼電器始終處于關(guān)閉狀態(tài)，不響應(yīng)手機(jī)端的控制信號(hào)，以避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。只有當(dāng)功率保護(hù)正常時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的其他部分才能正常工作。當(dāng)與手機(jī)建立通信時(shí)，手機(jī)端能同時(shí)控制總繼電器和各個(gè)分繼電器，以達(dá)到最安全的控制。軟件流程圖如下圖4所示。

2 手機(jī)終端APP設(shè)計(jì)

軟件主要用于對(duì)各個(gè)終端進(jìn)行控制。APP界面顯示內(nèi)容有：控制器端WIFI模塊IP地址，端口號(hào)。端口號(hào)后面顯示連接狀態(tài)。ON、OFF分別表示繼電器的控制狀態(tài)，即每個(gè)插孔的工作狀態(tài)。如圖5所示：

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

該項(xiàng)測(cè)試是在常見(jiàn)電磁干擾情況下進(jìn)行測(cè)試。手機(jī)測(cè)試是指其它手機(jī)的射頻信號(hào)干擾，2.4GHz信號(hào)干擾是指利用路由器信號(hào)產(chǎn)生干擾信號(hào)，電磁波干擾是在433MHz～5GHz頻段內(nèi)產(chǎn)生干擾信號(hào)。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)以上測(cè)試，可以看出設(shè)備在一般條件下工作穩(wěn)定，在干擾可控性測(cè)試中，設(shè)備暴露在常見(jiàn)的手機(jī)干擾和電腦主機(jī)干擾中都不會(huì)發(fā)生失控，只有在強(qiáng)電磁場(chǎng)偶然發(fā)生。同時(shí)在穩(wěn)定性測(cè)試中，設(shè)備暴露在各種干擾下都不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，得益于在程序內(nèi)部完善的校驗(yàn)機(jī)制，在指令校驗(yàn)出錯(cuò)的時(shí)候系統(tǒng)不會(huì)動(dòng)作，所以在強(qiáng)干擾源中表現(xiàn)良好。

結(jié) 論

本文創(chuàng)新性地以極具性價(jià)比的STM32F1芯片作為MCU，設(shè)計(jì)出智能電源的各個(gè)功能，利用高精度ADC通過(guò)錳銅電阻采集電量數(shù)據(jù)，通過(guò)WIFI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制，利用OLED屏幕實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)RTC備份時(shí)鐘，為用戶提供遠(yuǎn)程預(yù)約功能。

最后利用手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)了智能電源的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

該電源控制器功能齊全、強(qiáng)大、系統(tǒng)穩(wěn)定、實(shí)時(shí)且硬件成本低廉。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，該電源控制器將具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：

黃威（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、模式識(shí)別。

趙媛（1993-），女，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、智能家具。