基于電力線載波技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃宇森, 施章蕾, 張?jiān)诶?/p>

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院甘肅蘭州,730000)

目前, 我國(guó)進(jìn)入了飛速發(fā)展的新階段, 無(wú)論是文化事業(yè)還是工業(yè)體系, 都踏上了一個(gè)全新的高度。電力行業(yè)是國(guó)家發(fā)展的命脈所在, 衡量一個(gè)國(guó)家的電力消耗水平, 很大程度上就可以從側(cè)面反映出一個(gè)國(guó)家的發(fā)展水平如何, 因此電力行業(yè)的建設(shè)發(fā)展不容小覷。在工業(yè)上, 我國(guó)已經(jīng)有了較為完備的一套電能測(cè)量體系, 但是在智能電網(wǎng)和萬(wàn)物互聯(lián)不斷普及和應(yīng)用的今天, 在個(gè)人家庭的電能銜接上還缺少一種安全設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的困境在智能電網(wǎng)的普及下得到了根本的解決, 但是, 個(gè)人家庭中使用越來(lái)越頻繁的智能家居卻缺少一種特殊的、用來(lái)測(cè)量電能參數(shù)并控制家用電器的儀器[1]。因此, 本文展開(kāi)了對(duì)基于電力線載波技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 智能開(kāi)關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

1.1 智能開(kāi)關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀

從現(xiàn)在市場(chǎng)和消費(fèi)者需求來(lái)看, 智能開(kāi)關(guān)市場(chǎng)還在初級(jí)發(fā)展階段, 畢竟要隨著其他智能產(chǎn)品的普及和應(yīng)用智能開(kāi)關(guān)才有更多的需求, 比如人們用了智能照明, 就必須要有智能照明開(kāi)關(guān)[2], 所以在未來(lái),智能開(kāi)關(guān)市場(chǎng)還有更多發(fā)展和想象的空間。但是, 智能開(kāi)關(guān)的安裝以及兼容問(wèn)題是現(xiàn)在所面臨的最大難題[3], 同時(shí)用戶對(duì)自己家庭電能的情況了解甚少, 一旦空氣開(kāi)關(guān)發(fā)生跳閘, 如果不了解跳閘原因隨便就重新合上開(kāi)關(guān), 很有可能會(huì)造成諸多后果。因此, 本文主要針對(duì)閘刀開(kāi)關(guān)(空氣開(kāi)關(guān))和電能表存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析, 提出了改進(jìn)措施。

1.2 智能開(kāi)關(guān)問(wèn)題分析

安裝困難: 主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)開(kāi)關(guān)的布線問(wèn)題, 家庭電路一般由兩根電源線、電能表、閘刀開(kāi)關(guān)(空氣開(kāi)關(guān))、漏電保護(hù)器、保險(xiǎn)設(shè)備、用電器、插座、導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)等組成, 考慮到消費(fèi)者已經(jīng)習(xí)慣采用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的使用及經(jīng)濟(jì)效益, 不可能因?yàn)榘惭b智能開(kāi)關(guān)就要對(duì)家庭電路進(jìn)行大的改動(dòng)[4]。而采用電力電子開(kāi)關(guān)就可以解決這個(gè)問(wèn)題, 因?yàn)殡娏﹄娮娱_(kāi)關(guān)采用最簡(jiǎn)單的單回路供電便可以工作。因此, 對(duì)于家庭電路, 直接將電力電子開(kāi)關(guān)接入電源線中便能正常工作。

兼容問(wèn)題: 一個(gè)開(kāi)關(guān)就要對(duì)應(yīng)一個(gè)控制, 不是說(shuō)智能開(kāi)關(guān)安裝后想控制什么就能控制什么。而本文要實(shí)現(xiàn)的控制就是在完成空氣開(kāi)關(guān)基本任務(wù)的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作, 因此, 智能開(kāi)關(guān)與空氣開(kāi)關(guān)的組成部分要兼容, 也就是必須在220 V、50 HZ 的正弦交流電壓下進(jìn)行[4]。采用電力電子開(kāi)關(guān)也能很好地解決這個(gè)問(wèn)題, 電力電子器件組成的電路無(wú)非就是實(shí)現(xiàn)整流、逆變、變流、斬波, 對(duì)于220 V 這個(gè)電壓等級(jí), 要實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換并不困難[5]。

1.3 電能表問(wèn)題分析

對(duì)于家庭電路, 電能表主要的功能就是統(tǒng)計(jì)所消耗的電能, 并發(fā)送到當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng), 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)收費(fèi)等。這個(gè)過(guò)程缺點(diǎn)就是并沒(méi)經(jīng)過(guò)消費(fèi)者, 消費(fèi)者并不能直接知道自己家庭中實(shí)時(shí)的電能消耗情況, 而采用電力線載波技術(shù)的計(jì)量裝置, 配合WIFI 模塊可以更方便地實(shí)現(xiàn)將家庭中電能的使用情況并實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)端[6]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能需求

功能需求如圖1 所示, 計(jì)能裝置在獲取數(shù)據(jù)后, 將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端, 手機(jī)聯(lián)網(wǎng)后便能從云端獲取數(shù)據(jù), 達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)家庭電能情況的了解。同時(shí), 計(jì)能裝置會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 如果家庭中電器出現(xiàn)使用不當(dāng)或者其它情況, 導(dǎo)致家庭電路出現(xiàn)了過(guò)載或短路的情況, 從而使電壓或電流超過(guò)規(guī)定值時(shí), 智能開(kāi)關(guān)會(huì)立馬斷開(kāi)。最后, 通過(guò)手機(jī)或其它控制設(shè)備發(fā)送閉合開(kāi)關(guān)的命令, 并通過(guò)WIFI 模塊將命令發(fā)送給智能開(kāi)關(guān)[7]。

圖1 系統(tǒng)功能流程圖

此外, 該設(shè)計(jì)不會(huì)舍棄手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)的功能, 因?yàn)槭謾C(jī)或者其他設(shè)備并不會(huì)時(shí)時(shí)刻刻處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài), 在必要時(shí), 仍然需要通過(guò)手動(dòng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)閉合。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)包括3 個(gè)部分: 基于單片機(jī)的電力線載波單相電能計(jì)能裝置設(shè)計(jì)、智能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)、WIFI模塊設(shè)計(jì)。

計(jì)能裝置完成的工作: 完成數(shù)據(jù)的檢測(cè)并把數(shù)據(jù)上傳到云端。

智能開(kāi)關(guān)的工作: 完成家庭電路的保護(hù)。

WIFI 模塊的工作: 將從手機(jī)端發(fā)送到云端的命令傳送給智能開(kāi)關(guān)。

3 基于單片機(jī)的電力線載波單相電能計(jì)量裝置系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 基于單片機(jī)的電力線載波單相電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)要求

關(guān)于“基于單片機(jī)的電力線載波單相電能計(jì)量裝置”設(shè)計(jì)的要求:(1) 電能的電流信號(hào)和電壓信號(hào)可以同時(shí)進(jìn)行測(cè)量, 達(dá)到對(duì)應(yīng);(2) 電能計(jì)量模塊可以實(shí)時(shí)進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的精確計(jì)算;(3) 電力線載波模塊可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖見(jiàn)圖2。

圖2 總體設(shè)計(jì)方案框圖

3.2 單片機(jī)主控模塊的方案選擇

選擇使用芯科科技的EFM8BB3 單片機(jī), 該單片機(jī)是8 位微控制器的單芯片系統(tǒng)。該芯片具有8 位內(nèi)核, 且體積小, 在有限的空間內(nèi)可提供最強(qiáng)大的功能服務(wù)。該芯片在程序的調(diào)試中, 對(duì)程序還可以進(jìn)行斷點(diǎn)設(shè)計(jì), 對(duì)所輸入端程序進(jìn)行逐步調(diào)試, 大大方便了程序的修改升級(jí)。

在綜合考慮了兩種單片機(jī)后,EFM8BB3相較于51單片機(jī)首先封裝體積較小, 便于成品設(shè)計(jì)和使用,內(nèi)核部分EFM8BB3 仍然使用的是51 的核心, 且相較于51 來(lái)講具有更強(qiáng)的保護(hù)能力, 芯片不易燒壞,大大降低了使用難度和后期維護(hù)成本。設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖3。

3.3 單相電能計(jì)量裝置模塊的選擇

使用CS5463 芯片, 該芯片常用于計(jì)算功率。在其芯片內(nèi)部可以通過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換,且雙轉(zhuǎn)換器的硬件設(shè)計(jì)使該芯片計(jì)算速率大大提高, 相較于同類(lèi)型的計(jì)算芯片數(shù)據(jù)處理能力提高很多。非常適合用于單相、二線、三線電表的開(kāi)發(fā)。

在綜合考慮兩種方案所提出的計(jì)量芯片后, 選擇使用CS5463。不僅是因?yàn)镃S5463 芯片價(jià)格更加低廉, 使用中功能損耗更低, 在本設(shè)計(jì)中CS5463 與其他元件適配性更高。最重要的是該設(shè)計(jì)中計(jì)量部分屬于單相電能計(jì)算, 但SA9904B 多用于三相功率電能表的設(shè)計(jì)。

3.4 電力線載波模塊的選用

HLPLC047 模塊輸出結(jié)果的波形更精確, 對(duì)信號(hào)響應(yīng)速度更快, 能夠在不同電壓環(huán)境下使用, 其運(yùn)行電壓范圍在5～15 V 之間, 最高發(fā)送工作電流為400 mA(額定電壓為12 V), 接收電流一般為10 mA(額定電壓為12 V), 相對(duì)于同類(lèi)型元件來(lái)說(shuō)通訊過(guò)程更為順暢。耦合電容材料運(yùn)用的是耐高壓電容,最高可承受300 V 高壓, 線圈耐壓可達(dá)4 000 V 電壓, 使得元器件更為安全可靠。

本實(shí)驗(yàn)主要采用HLPLC047 模塊作為通信設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸中心, 以實(shí)現(xiàn)低壓電力線載波, 該模塊運(yùn)用范圍廣, 其參數(shù)符合我國(guó)國(guó)家電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn), 能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行集成管理, 對(duì)消費(fèi)者隱私能夠得到有效保障。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)研究,HLPLC047 模塊中的嵌入式電力線通信協(xié)議能夠適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前環(huán)境的要求, 提供安全可靠的服務(wù)。

3.5 顯示模塊的選用

本系統(tǒng)主要功能是為實(shí)現(xiàn)對(duì)家用小電器用電參數(shù)的測(cè)量。為了防止系統(tǒng)的體積過(guò)大, 在顯示器方面選擇體積較小但是擁有480×320 的分辨率的淘晶馳TJC4832K035 的TFT 液晶屏, 其不僅擁有很清晰的觀感, 還能夠直接觸碰喚醒,PC 及上位軟件直接模擬調(diào)試的功能。并且淘晶馳公司還擁有USART HMI軟件可對(duì)顯示界面直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。TFT 液晶屏與單片機(jī)的串口為USART 接口, 可以直接對(duì)設(shè)備的內(nèi)部界面進(jìn)行顯示。

4 基于WIFI 的智能開(kāi)關(guān)控制

4.1 電路設(shè)計(jì)

圖4 為智能開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)圖, 其由兩部分組成: 整流電路和逆變電路。門(mén)極有觸發(fā)信號(hào)并且通入正向電壓是晶閘管的導(dǎo)通條件, 因此,智能開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷主要由晶閘管的觸發(fā)器完成。當(dāng)觸發(fā)角為360°觸發(fā)時(shí), 晶閘管的作用和二極管幾乎相同, 但二極管是不可控器件, 所以選用了晶閘管, 但要實(shí)現(xiàn)360°觸發(fā)難度很高, 而又為了使電壓維持波形, 就使用了整流和逆變電路來(lái)進(jìn)行過(guò)渡, 整流電路采用單相全波整流電路, 逆變電路采用單相全橋電壓型逆變電路。同時(shí), 為了使最終輸出電壓穩(wěn)定, 且更接近輸入時(shí)的電壓波形, 在整流和逆變電路中采用了復(fù)合濾波的方式[8]。

圖4 開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)圖

觸發(fā)器控制開(kāi)關(guān)開(kāi)斷的過(guò)程主要是通過(guò)接收WIFI 模塊傳來(lái)的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)器的供電電源一般為±15 V, 因此, 觸發(fā)器的電能供應(yīng)由單片來(lái)完成, 當(dāng)計(jì)能表查出數(shù)據(jù)異常時(shí), 通過(guò)單片機(jī)對(duì)該異常信號(hào)的接收會(huì)斷開(kāi)觸發(fā)器的供電電源, 從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)。當(dāng)需要重新合上開(kāi)關(guān)時(shí), 通過(guò)手機(jī)端或其它設(shè)備發(fā)送閉合命令到云端, 同時(shí)WIFI 模塊將這種命令發(fā)送給觸發(fā)器中的單片機(jī), 單片機(jī)接收命令后便開(kāi)始給觸發(fā)電路進(jìn)行供電,從而實(shí)現(xiàn)閉合[9]。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中采用STM32 系列芯片的驅(qū)動(dòng),WIFI 模塊采用ESP8266 模塊。

圖5為ESP8266的程序控制流程圖[10], 采用ESP8266實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制基本流程:(1) 對(duì)其進(jìn)行初始化。(2) 手機(jī)連上其WIFI 后發(fā)送指令。(3)ESP8266 接收指令后發(fā)給MCU, 根據(jù)命令完成對(duì)應(yīng)工作。(4) 同時(shí)MCU 會(huì)采集相應(yīng)數(shù)據(jù), 并轉(zhuǎn)發(fā)給ESP8266。(5) 最后通過(guò)ESP8266 將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP上[11]。

圖5 ESP8266 控制流程圖

下面通過(guò)AP 模式, 讓ESP8266 WIFI 模塊作為熱點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。

打開(kāi)手機(jī)或其它設(shè)備的TCP助手去連接模塊建立的AP 熱點(diǎn)[12], 打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手, 輸入連接模塊的IP 和設(shè)置的端口。

在實(shí)現(xiàn)STM32 和ESP8266 之間的通信后,STM32 接收來(lái)自ESP8266 的閉合開(kāi)關(guān)命令, 并開(kāi)始產(chǎn)生正弦波, 通過(guò)采樣法, 在一個(gè)波形圖上選取多個(gè)點(diǎn), 然后把相應(yīng)數(shù)值存起來(lái)等待DMA 調(diào)用, 通過(guò)DAC對(duì)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 最后得到近似波形。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ESP8266 WIFI 芯片的智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng), 以及基于單片機(jī)的電力線載波單相電能計(jì)量裝置, 從軟件、硬件以及選材方面論述了該方案的可行性。在后期的研究改進(jìn)中, 可以著重圍繞提高互感器精度, 在最前端做到高精度的數(shù)據(jù)收集; 提高核心計(jì)算能力, 使計(jì)算的誤差降到最低; 改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì), 達(dá)到對(duì)兩個(gè)或多個(gè)電器的同時(shí)檢測(cè)與控制。