基于單片機的智能樓宇遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)設(shè)計

劉 娟，胡徐勝，夏興國，吳靜妹

（1. 馬鞍山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243030；2. 皖江工學(xué)院 馬鞍山市無線傳感網(wǎng)與智能感知工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243031）

1 引言

隨著智能樓宇相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能樓宇的規(guī)模越來越龐大，智能化、自動化程度也日趨提升，智能樓宇的能耗問題成為備受關(guān)注的一個問題。為適應(yīng)新形勢下智能樓宇的能耗管理，開發(fā)一套電源遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)是很必要的。2015 年，袁智等研發(fā)出對視頻圖像的采集與現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控遠(yuǎn)程電源控制系統(tǒng)[1]。2017 年，徐濤等提出“遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)電源管理系統(tǒng)平臺”方案，主要由前端電源管理單元、后臺服務(wù)平臺和客戶端構(gòu)成[2]。2018年任宏等提出了基于TCP/IP 協(xié)議的遠(yuǎn)程電源網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[3]。遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)能充分利用任何PC 或手機等終端遠(yuǎn)程控制異地電源[4]。

2 總體設(shè)計

本文設(shè)計的智能樓宇遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分包括MSP430G2211 控制系統(tǒng)模塊、控制信號隔離模塊MSP430G2553、以太網(wǎng)控制器等[5]。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

作為大功率電源開關(guān)的核心器件，大功率繼電器的選型對整個系統(tǒng)的可靠性和性能都起著至關(guān)重要的作用[6]。選用廈門宏發(fā)電聲生產(chǎn)的HF115-1ZS1 型大功率繼電器。

3 方案與實現(xiàn)

為了保證系統(tǒng)安全，在繼電器控制模塊中增加電流峰值吸收電路和保險管。另外，控制信號全部經(jīng)過一片TLP521-4 芯片進(jìn)行電器隔離，將強電弱電完全分離[7]，確?？刂瓢踩?。

3.1 硬件總體設(shè)計方案

單片機最主要的功能就是能夠進(jìn)行智能控制?？紤]到MSP430G2型號的MCU內(nèi)部沒有集成以太網(wǎng)控制器，在進(jìn)行充分的需求分析后，結(jié)合本設(shè)計實際情況，采用外接嵌入式以太網(wǎng)控制器ENC28J60 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入，二者通過SPI 通信協(xié)議通信。以太網(wǎng)接口如圖2 所示。

圖2 MCU 與ENC28J60 組成以太網(wǎng)接口

選取0.96 寸OLED 屏幕用于顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和電源工作狀態(tài)。雖然編程方面較LED 數(shù)碼管繁瑣，但可提供更加友好的界面，也便于維護[8]。

3.2 繼電器控制模塊

圖3 使用一種最常用的繼電器控制電路，同時為了保證系統(tǒng)安全，增加電流峰值吸收電路和保險管。

圖3 繼電器控制模塊電路

以ULN2003 為核心的繼電器驅(qū)動電路可以省略掉續(xù)流二極管，如圖4 所示。為了降低模塊之間的干擾，將經(jīng)過光耦隔離出來的單片機控制信號進(jìn)行功率放大和電平轉(zhuǎn)換[9]。在繼電器驅(qū)動中，R13 和C1 用于吸收在繼電器切換瞬間的電流尖峰，以降低尖峰電流對單片機系統(tǒng)造成的干擾[10]。

圖4 繼電器驅(qū)動電路

為提高單片機及其外圍電路的抗干擾能力，避免控制模塊對單片機信號造成影響，在控制模塊和單片機之間添加TLP251-4 光電耦合器進(jìn)行隔離，如圖5 所示。

圖5 控制信號隔離模塊

圖6 系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖

3.3 系統(tǒng)的程序及流程圖

主函數(shù)模塊主要完成全局變量定義，對I/O 模塊、串口、OLED 屏幕、內(nèi)部SPI 模塊、ENC28J 60 等功能模塊的初始化等工作。具體的主程序框圖如6 所示。

4 仿真與實現(xiàn)

TCP 應(yīng)用的服務(wù)器流程如圖7。

MSP430G2553 作為網(wǎng)頁服務(wù)器的程序可根據(jù)該流程編寫。

圖7 建立TCP 應(yīng)用流程

系統(tǒng)上電后，電源默認(rèn)狀態(tài)為斷開，各模塊初始化，屏幕顯示“Welcome”時表示初始化完成。屏幕顯示“Network Ok”時則表示局域網(wǎng)連接正常，等待用戶登陸網(wǎng)頁服務(wù)器發(fā)送命令，控制電源通斷狀態(tài)。若屏幕顯示“Network Error”則需要檢查網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)服務(wù)器開始監(jiān)聽連接時，可以通過手機APP 軟件、PC 機客戶端軟件或瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送連接請求，并等待服務(wù)器作出響應(yīng)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)電源控制測試實驗。

具體得到的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 基于MSP430 的網(wǎng)絡(luò)電源控制系統(tǒng)控制效果

5 結(jié)論

采用MSP430G2553 作為主控制器，結(jié)合以太網(wǎng)控制器ENC28J60 進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)交換。在繼電器控制模塊中增加了電流峰值吸收電路和保險管，保障了整個遠(yuǎn)程電源控制系統(tǒng)的安全。多次網(wǎng)絡(luò)電源通信與控制測試實驗驗證了該系統(tǒng)對設(shè)備電源進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的能力，取得較好控制效果。