WiFi控制的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1，四川 成都 610059；成都大學(xué)電信學(xué)院2，四川 成都 610106)

0 引言

在電力控制系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下對開關(guān)的控制所采用的方式為手動(dòng)、近距離接觸式控制。這種方式存在的問題是一旦開關(guān)漏電、打火，就可能發(fā)生安全事故，造成人員傷亡[1]。近年來，手機(jī)得到了迅速的普及。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)ABI的數(shù)據(jù)顯示，2013年WiFi手機(jī)的銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到5億部，2014年預(yù)計(jì)將有90%的智能手機(jī)擁有WiFi技術(shù)。同時(shí)，華為、三星等國內(nèi)外手機(jī)廠商也不斷開發(fā)WiFi手機(jī)[2]。如果用手機(jī)上的WiFi實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制中的無線遙控，必將給傳統(tǒng)開關(guān)控制方式帶來巨大影響。利用手機(jī)WiFi不僅可實(shí)現(xiàn)對電源開關(guān)的非接觸式通斷控制，還可通過對手機(jī)界面的操作實(shí)現(xiàn)功率大小的調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，本文對此進(jìn)行了控制硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)工作相關(guān)理論概述

1.1 WiFi傳輸協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致聯(lián)網(wǎng)方式的轉(zhuǎn)變，由過去的網(wǎng)線連接計(jì)算機(jī)上網(wǎng)變?yōu)楝F(xiàn)在的通過無線傳輸聯(lián)網(wǎng)，這得益于WiFi技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。自1997年IEEE發(fā)布WiFi標(biāo)準(zhǔn)802.11的第一個(gè)版本以來，目前已有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11e、802.11f、802.11h、802.11i、802.11j、802.11ac、802.11ad等標(biāo)準(zhǔn)。其中，802.11ac被稱為第五代(5G)WiFi。基于該標(biāo)準(zhǔn)，采用工作頻率為5 GHz的芯片，能同時(shí)覆蓋5 GHz和2.4 GHz兩大頻段，其傳輸速度可達(dá)1 Gbit/s。

WiFi突出優(yōu)勢表現(xiàn)如下。

其一，無線電波的覆蓋范圍廣，在開放性區(qū)域，通信距離可達(dá)305 m;在封閉性區(qū)域，通信距離為76～122 m，整棟大樓均可覆蓋。由Vivato公司推出的一款新型交換機(jī)能夠把WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離擴(kuò)大到約6.5 km。

其二，普通設(shè)備傳輸速度可以達(dá)到54 Mbit/s，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。

其三，進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低，只要在機(jī)場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過高速線路將因特網(wǎng)接入上述場所。用戶只要將支持WLAN的筆記本電腦或智能手機(jī)拿到該區(qū)域內(nèi)，即可高速接入因特網(wǎng)。

其四，不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此適合移動(dòng)辦公用戶的需要，具有廣闊的市場前景。

其五，發(fā)射功率低，IEEE 802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100 mW，實(shí)際發(fā)射功率約60～70 mW。手機(jī)的發(fā)射功率約為200 mW～1 W，手持式對講機(jī)高達(dá)5 W，且無線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機(jī)直接接觸人體，相對來講更為安全[3]。

現(xiàn)如今,國內(nèi)外許多WiFi網(wǎng)絡(luò)已成為被人們廣泛使用的免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供無線寬帶互聯(lián)網(wǎng)訪問，幫助用戶在家里、辦公室或旅途中訪問電子郵件、Web和流式媒體。新一代Android系統(tǒng)的問世使得智能手機(jī)和平板電腦正在改變?nèi)藗兊纳罘绞健，F(xiàn)在，手機(jī)已不只是通話的工具，它也可以成為方便的遙控器。

1.2 Android操作系統(tǒng)

Android是一種基于Linux的自由、開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要用于諸如智能手機(jī)和平板電腦之類的移動(dòng)設(shè)備。Android操作系統(tǒng)最初由Andy Rubin開發(fā)，主要支持手機(jī)，2005年8月由Google收購注資，2007年11月Google與84家硬件制造商、軟件開發(fā)商及電信營運(yùn)商組建開放手機(jī)聯(lián)盟，共同研發(fā)改良Android系統(tǒng)。隨后Google以Apache開源許可證的授權(quán)方式，發(fā)布了Android的源代碼[4]。自2008年10月第一部Android智能手機(jī)發(fā)布以來，Android逐漸擴(kuò)展到平板電腦及其他領(lǐng)域，如電視、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等,其市場占有率不斷提高。

1.3 供電回路負(fù)載功率控制原理

當(dāng)在基于Android操作系統(tǒng)的手機(jī)界面上設(shè)計(jì)出控制電源開關(guān)通斷的圖標(biāo)后，用手指點(diǎn)擊一下該圖標(biāo)就可通過WiFi無線信道將該控制信號(hào)傳遞給WiFi接收電路，并將該信號(hào)傳遞給MCU；由MCU輸出控制信號(hào)控制光耦管的導(dǎo)通，進(jìn)而控制雙向可控硅的導(dǎo)通，使負(fù)載回路接通。如果在手機(jī)界面上設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)圖標(biāo)，用手指拖動(dòng)該圖標(biāo)滑動(dòng)，并將該圖標(biāo)左右移動(dòng)的位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi接收電路和MCU；由MCU根據(jù)該數(shù)據(jù)輸出PWM信號(hào)，PWM信號(hào)控制光耦管，產(chǎn)生雙向可控硅的觸發(fā)信號(hào)，并以此控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，就可達(dá)到控制供電回路負(fù)載平均功率的目的。

圖1 負(fù)載兩端電壓與雙向可控硅兩端波形圖

在PWM的一個(gè)周期T(T≤π)內(nèi)，設(shè)接通時(shí)刻為t1，關(guān)斷時(shí)刻為t2，負(fù)載獲取的平均電壓值等于uL從時(shí)間t1到t2的積分。

(1)

負(fù)載的平均功率為：

(2)

根據(jù)雙向可控硅的工作性質(zhì)，在雙向可控硅控制的回路中，由式(1)可知，若t2=π，則改變觸發(fā)脈沖加入時(shí)刻t1就可以控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，從而改變負(fù)載上所獲得電壓的平均值，進(jìn)而改變負(fù)載的平均功率[5-8]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

來自于安卓手機(jī)WiFi的控制信號(hào)，經(jīng)空間傳播由接收端WiFi模塊電路檢測到后，將手機(jī)控制信號(hào)發(fā)送到MCU模塊進(jìn)行處理。MCU先要對手機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果只是控制負(fù)載通斷的信號(hào)，則向控制模塊發(fā)送通斷控制信號(hào)；如果是控制負(fù)載功率的控制信號(hào)，則要將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的PWM信號(hào)，然后將該信號(hào)輸出到控制模塊,完成對交流負(fù)載的控制。

2.1 觸發(fā)控制信號(hào)的產(chǎn)生

在本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的交流工作電路中，由MCU輸出的PWM信號(hào)被用作控制光耦管的導(dǎo)通，產(chǎn)生雙向可控硅控制極的觸發(fā)脈沖信號(hào)，以便控制雙向可控硅的通斷時(shí)間，進(jìn)而控制負(fù)載的工作情況。由式(1)可知，在一個(gè)周期內(nèi)，不同占空比的PWM信號(hào)控制可控光耦的導(dǎo)通時(shí)間不一致，使雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)刻t1發(fā)生改變，負(fù)載獲得的平均電壓就會(huì)改變。

100 Hz的PWM波形如圖3所示。

圖3 100 Hz的PWM波形圖

為獲得圖3中的PWM信號(hào)， MCU采用51單片機(jī)的定時(shí)器0作為PWM波的頻率設(shè)定，在11.059 2 MHz的晶振下，設(shè)置定時(shí)器的初值為TH0=0xFC，TL0= 0x80，即每1 ms產(chǎn)生一次中斷，每次中斷執(zhí)行計(jì)數(shù)變量Count加1。將Count與從串口接收到的控制命令R_count進(jìn)行比較，若Count≤R_count，單片機(jī)的引腳P2.1輸出低電平;反之為高電平。

MCU輸出相應(yīng)占空比的PWM波，控制電路中雙向可控硅的工作狀態(tài)，使單位時(shí)間通過負(fù)載的電流發(fā)生改變，最終改變負(fù)載的輸出功率。

2.2 硬件控制電路設(shè)計(jì)

控制模塊電路如圖4所示。圖4中，U1、U2為受控光耦管，在電路中完成對5 V低電壓與負(fù)載回路中220 V高電壓的隔離作用。

圖4 控制電路原理圖

在進(jìn)行負(fù)載回路通斷控制時(shí)，利用U1、R3、C3、C2、R7為Q2支路提供偏置電路。一旦MCU輸出低電平給P2.0，光耦管U1導(dǎo)通，經(jīng)R3、C3、R7、C2、Q2，使Q1導(dǎo)通，負(fù)載與220 V交流接通。

當(dāng)進(jìn)行負(fù)載功率控制時(shí)，則利用U2、R2、C1、R5、R6、C2為Q2支路提供偏置電路。此時(shí)由P2.1提供PWM控制信號(hào)。在PWM的一個(gè)周期中， U2由關(guān)斷到下一次接通時(shí)，C2快速放電，使得Q2截止，Q1控制極無觸發(fā)信號(hào)，因而關(guān)斷，并導(dǎo)致負(fù)載電路處于關(guān)斷狀態(tài)，交流負(fù)載回路輸出瞬時(shí)功率為0。當(dāng)U2接通后，通過R5、R6給C2充電，Q2工作，負(fù)載回路導(dǎo)通。當(dāng)U1、U2都接通時(shí)，負(fù)載輸出功率最大。調(diào)節(jié)PWM的占空比就能控制U2的接通時(shí)間長短，進(jìn)而改變負(fù)載輸出功率[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Android開發(fā)與應(yīng)用

向用戶開放的Android軟件包括操作系統(tǒng)、用戶界面和應(yīng)用程序，以及移動(dòng)電話工作所需的全部軟件。這些軟件被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦中。Android采用軟件堆層的架構(gòu)，主要分為以下3個(gè)部分。底層以Linux內(nèi)核工作為基礎(chǔ)，由C語言開發(fā)，只提供基本功能；中間層包括函數(shù)庫Library和虛擬機(jī)Virtual Machine，由C++開發(fā)。最上層是各種應(yīng)用軟件，包括通話程序、短信程序等，應(yīng)用軟件則由各公司自行開發(fā)，以Java作為編寫程序的一部分。

本系統(tǒng)的智能手機(jī)作為客戶端連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，控制負(fù)載輸出功率需要安裝相應(yīng)的APP應(yīng)用軟件。接收端的WiFi采用的是HLK的RMO4模塊，內(nèi)核Linux-11.10版本?？蛻舳薃PP軟件流程圖如圖5所示。其工作過程是：手機(jī)作為客戶端，首先創(chuàng)建用于連接的套接字，之后連接并向指定的接收端地址和端口服務(wù)器發(fā)起TCP連接，與指定服務(wù)器建立通信信道。接收端WiFi模塊作為服務(wù)器創(chuàng)建套接字，并將其綁定到指定的手機(jī)地址和端口進(jìn)行監(jiān)聽，然后等待客戶端發(fā)送連接請求。當(dāng)接收端服務(wù)器讀取到發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，將接收到的有效TCP數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)格式，然后通過串口傳遞給MCU。當(dāng)服務(wù)器和客戶端完成通信后，關(guān)閉套接字。

圖5 應(yīng)用軟件流程圖

3.2 手機(jī)應(yīng)用軟件開發(fā)

手機(jī)應(yīng)用軟件操作界面分為3個(gè)功能區(qū)，區(qū)域1有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接按鈕，區(qū)域2有一個(gè)開關(guān)和滑動(dòng)條，區(qū)域3為網(wǎng)絡(luò)信息顯示區(qū)。手機(jī)軟件編程采用Java語言來完成。

4 系統(tǒng)測試

4.1 WiFi信道連接

當(dāng)點(diǎn)擊手機(jī)界面中區(qū)域1中的連接按鈕，手機(jī)客服端就開始連接到指定的服務(wù)器。如果連接成功，在信息顯示區(qū)3中顯示“Client:已經(jīng)連接serve.”；如果失敗，該區(qū)域顯示連接異常。

4.2 負(fù)載通斷與功率控制

為了對系統(tǒng)工作情況進(jìn)行檢測，這里選用電燈作為負(fù)載，以電燈的發(fā)光情況為例直觀地反映系統(tǒng)的工作情況。

① 交流回路通斷控制。當(dāng)點(diǎn)擊區(qū)域2中的開關(guān)圖標(biāo)時(shí)，電燈被點(diǎn)亮，再次點(diǎn)擊則燈滅，說明通斷功能完成。

② 負(fù)載功率控制。區(qū)域2有一個(gè)功率調(diào)節(jié)滑動(dòng)條，從左到右滑動(dòng)時(shí)，負(fù)載輸出平均功率逐漸減小。測試時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)手機(jī)界面區(qū)域2上的滑動(dòng)條時(shí)，等價(jià)于手機(jī)發(fā)送不同PWM占空比的指令，使MCU輸出不同占空比的PWM波。當(dāng)PWM波的占空比由100%變化為0時(shí)，經(jīng)反相處理，電燈由最亮變成熄滅，說明負(fù)載功率控制得到實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

通過硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)對負(fù)載輸出功率的控制。當(dāng)負(fù)載為電燈時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電燈亮度的調(diào)節(jié)；當(dāng)負(fù)載為電機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；當(dāng)負(fù)載為供暖器時(shí)，可遙控室內(nèi)溫度。此外，本系統(tǒng)還可用于高壓開關(guān)的非接觸式控制，以保障工作人員的安全。由此可見，本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以應(yīng)用于控制家用電器、工業(yè)機(jī)械、辦公樓宇、物業(yè)管理和公共場所設(shè)備的供電系統(tǒng)。如果將這些設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連，還可實(shí)現(xiàn)對這些設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

[1] 朱成章.電力安全是最重要的能源安全[J].中外能源，2008，10(5):1-7.

[2] 李世杰.WiFi手機(jī)銷量5億無線技術(shù)助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)[EB/OL].[2013-05-15].http://www.5lian.cn/html/2012/chanye_0105/3723.html.

[3] 范潤生.交流調(diào)速的功率控制原理[J].山西電子技術(shù)，2007(2): 54-56，59.

[4] 屈維謙.交流調(diào)速的功率控制[J].電氣工程應(yīng)用，2005(1): 39-43.

[5] 郭佑民，宏林，胡廣鵬.基于功率控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡策略[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011(3): 103-106.

[6] 黎寧，徐艷，謝勝利.一種802.11功率控制協(xié)議的仿真[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004(6):5-9.

[7] 奚大順，余小平.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基礎(chǔ)篇[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[8] 張慶雙.晶閘管及其應(yīng)用電路精選[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[9] 李興華.Android開發(fā)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)典[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.