WiFi控制的功率調節系統設計與實現

(成都理工大學信息科學與技術學院1，四川 成都 610059；成都大學電信學院2，四川 成都 610106)

0 引言

在電力控制系統中，大多數情況下對開關的控制所采用的方式為手動、近距離接觸式控制。這種方式存在的問題是一旦開關漏電、打火，就可能發生安全事故，造成人員傷亡[1]。近年來，手機得到了迅速的普及。據市場研究機構ABI的數據顯示，2013年WiFi手機的銷量預計將達到5億部，2014年預計將有90%的智能手機擁有WiFi技術。同時，華為、三星等國內外手機廠商也不斷開發WiFi手機[2]。如果用手機上的WiFi實現工業控制中的無線遙控，必將給傳統開關控制方式帶來巨大影響。利用手機WiFi不僅可實現對電源開關的非接觸式通斷控制，還可通過對手機界面的操作實現功率大小的調節。為實現上述設想，本文對此進行了控制硬件電路和軟件程序的設計。

1 系統工作相關理論概述

1.1 WiFi傳輸協議

網絡技術的發展，導致聯網方式的轉變，由過去的網線連接計算機上網變為現在的通過無線傳輸聯網，這得益于WiFi技術的發展和應用。自1997年IEEE發布WiFi標準802.11的第一個版本以來，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等標準。其中，802.11ac被稱為第五代(5G)WiFi。基于該標準，采用工作頻率為5 GHz的芯片，能同時覆蓋5 GHz和2.4 GHz兩大頻段，其傳輸速度可達1 Gbit/s。

WiFi突出優勢表現如下。

其一，無線電波的覆蓋范圍廣，在開放性區域，通信距離可達305 m;在封閉性區域，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能夠把WiFi無線網絡的通信距離擴大到約6.5 km。

其二，普通設備傳輸速度可以達到54 Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。

其三，進入該領域的門檻比較低，只要在機場、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設置“熱點”，并通過高速線路將因特網接入上述場所。用戶只要將支持WLAN的筆記本電腦或智能手機拿到該區域內，即可高速接入因特網。

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

其五，發射功率低，IEEE 802.11規定的發射功率不可超過100 mW，實際發射功率約60～70 mW。手機的發射功率約為200 mW～1 W，手持式對講機高達5 W，且無線網絡使用方式并非像手機直接接觸人體，相對來講更為安全[3]。

現如今,國內外許多WiFi網絡已成為被人們廣泛使用的免費的網絡資源，為用戶提供無線寬帶互聯網訪問，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系統的問世使得智能手機和平板電腦正在改變人們的生活方式。現在，手機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

Android是一種基于Linux的自由、開放源代碼的操作系統，主要用于諸如智能手機和平板電腦之類的移動設備。Android操作系統最初由Andy Rubin開發，主要支持手機，2005年8月由Google收購注資，2007年11月Google與84家硬件制造商、軟件開發商及電信營運商組建開放手機聯盟，共同研發改良Android系統。隨后Google以Apache開源許可證的授權方式，發布了Android的源代碼[4]。自2008年10月第一部Android智能手機發布以來，Android逐漸擴展到平板電腦及其他領域，如電視、數碼相機、游戲機等,其市場占有率不斷提高。

1.3 供電回路負載功率控制原理

當在基于Android操作系統的手機界面上設計出控制電源開關通斷的圖標后，用手指點擊一下該圖標就可通過WiFi無線信道將該控制信號傳遞給WiFi接收電路，并將該信號傳遞給MCU；由MCU輸出控制信號控制光耦管的導通，進而控制雙向可控硅的導通，使負載回路接通。如果在手機界面上設計一個滑動圖標，用手指拖動該圖標滑動，并將該圖標左右移動的位置數據傳輸到WiFi接收電路和MCU；由MCU根據該數據輸出PWM信號，PWM信號控制光耦管，產生雙向可控硅的觸發信號，并以此控制雙向可控硅的導通角，就可達到控制供電回路負載平均功率的目的。

圖1 負載兩端電壓與雙向可控硅兩端波形圖

在PWM的一個周期T(T≤π)內，設接通時刻為t1，關斷時刻為t2，負載獲取的平均電壓值等于uL從時間t1到t2的積分。

(1)

負載的平均功率為：

(2)

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

2 系統硬件設計

系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

來自于安卓手機WiFi的控制信號，經空間傳播由接收端WiFi模塊電路檢測到后，將手機控制信號發送到MCU模塊進行處理。MCU先要對手機發送來的數據進行判斷，如果只是控制負載通斷的信號，則向控制模塊發送通斷控制信號；如果是控制負載功率的控制信號，則要將該信號轉換為對應的PWM信號，然后將該信號輸出到控制模塊,完成對交流負載的控制。

2.1 觸發控制信號的產生

在本系統所設計的交流工作電路中，由MCU輸出的PWM信號被用作控制光耦管的導通，產生雙向可控硅控制極的觸發脈沖信號，以便控制雙向可控硅的通斷時間，進而控制負載的工作情況。由式(1)可知，在一個周期內，不同占空比的PWM信號控制可控光耦的導通時間不一致，使雙向可控硅的導通時刻t1發生改變，負載獲得的平均電壓就會改變。

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， MCU采用51單片機的定時器0作為PWM波的頻率設定，在11.059 2 MHz的晶振下，設置定時器的初值為TH0=0xFC，TL0= 0x80，即每1 ms產生一次中斷，每次中斷執行計數變量Count加1。將Count與從串口接收到的控制命令R_count進行比較，若Count≤R_count，單片機的引腳P2.1輸出低電平;反之為高電平。

MCU輸出相應占空比的PWM波，控制電路中雙向可控硅的工作狀態，使單位時間通過負載的電流發生改變，最終改變負載的輸出功率。

2.2 硬件控制電路設計

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

在進行負載回路通斷控制時，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導通，經R3、C3、R7、C2、Q2，使Q1導通，負載與220 V交流接通。

當進行負載功率控制時，則利用U2、R2、C1、R5、R6、C2為Q2支路提供偏置電路。此時由P2.1提供PWM控制信號。在PWM的一個周期中， U2由關斷到下一次接通時，C2快速放電，使得Q2截止，Q1控制極無觸發信號，因而關斷，并導致負載電路處于關斷狀態，交流負載回路輸出瞬時功率為0。當U2接通后，通過R5、R6給C2充電，Q2工作，負載回路導通。當U1、U2都接通時，負載輸出功率最大。調節PWM的占空比就能控制U2的接通時間長短，進而改變負載輸出功率[9]。

3 系統軟件設計

3.1 Android開發與應用

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

本系統的智能手機作為客戶端連接到WiFi網絡，實現數據的發送，控制負載輸出功率需要安裝相應的APP應用軟件。接收端的WiFi采用的是HLK的RMO4模塊，內核Linux-11.10版本。客戶端APP軟件流程圖如圖5所示。其工作過程是：手機作為客戶端，首先創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器發起TCP連接，與指定服務器建立通信信道。接收端WiFi模塊作為服務器創建套接字，并將其綁定到指定的手機地址和端口進行監聽，然后等待客戶端發送連接請求。當接收端服務器讀取到發送來的數據后，將接收到的有效TCP數據格式轉換成串口數據格式，然后通過串口傳遞給MCU。當服務器和客戶端完成通信后，關閉套接字。

圖5 應用軟件流程圖

3.2 手機應用軟件開發

手機應用軟件操作界面分為3個功能區，區域1有一個網絡連接按鈕，區域2有一個開關和滑動條，區域3為網絡信息顯示區。手機軟件編程采用Java語言來完成。

4 系統測試

4.1 WiFi信道連接

當點擊手機界面中區域1中的連接按鈕，手機客服端就開始連接到指定的服務器。如果連接成功，在信息顯示區3中顯示“Client:已經連接serve.”；如果失敗，該區域顯示連接異常。

4.2 負載通斷與功率控制

為了對系統工作情況進行檢測，這里選用電燈作為負載，以電燈的發光情況為例直觀地反映系統的工作情況。

① 交流回路通斷控制。當點擊區域2中的開關圖標時，電燈被點亮，再次點擊則燈滅，說明通斷功能完成。

② 負載功率控制。區域2有一個功率調節滑動條，從左到右滑動時，負載輸出平均功率逐漸減小。測試時，當滑動手機界面區域2上的滑動條時，等價于手機發送不同PWM占空比的指令，使MCU輸出不同占空比的PWM波。當PWM波的占空比由100%變化為0時，經反相處理，電燈由最亮變成熄滅，說明負載功率控制得到實現。

5 結束語

通過硬件電路設計和軟件編程，本系統實現了智能手機對負載輸出功率的控制。當負載為電燈時，可以實現電燈亮度的調節；當負載為電機時，可實現電機轉速的控制；當負載為供暖器時，可遙控室內溫度。此外，本系統還可用于高壓開關的非接觸式控制，以保障工作人員的安全。由此可見，本系統具有較強的實用性，可以應用于控制家用電器、工業機械、辦公樓宇、物業管理和公共場所設備的供電系統。如果將這些設備與互聯網相連，還可實現對這些設備的遠程控制。

[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手機銷量5億無線技術助移動互聯網爆發[EB/OL].[2013-05-15].http://www.5lian.cn/html/2012/chanye_0105/3723.html.

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

[4] 屈維謙.交流調速的功率控制[J].電氣工程應用，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絡能耗平衡策略[J].蘭州交通大學學報：自然科學版，2011(3): 103-106.

[6] 黎寧，徐艷，謝勝利.一種802.11功率控制協議的仿真[J].華南理工大學學報：自然科學版，2004(6):5-9.

[7] 奚大順，余小平.電子系統設計—基礎篇[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[8] 張慶雙.晶閘管及其應用電路精選[M].北京：機械工業出版社，2010.

[9] 李興華.Android開發實戰經典[M].北京：清華大學出版社，2012.