WiFi聯網型電源智能控制器

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作為聯網方案，使用ADC錳銅采樣電阻分析電壓、電流、有功功率等參數。通過手機APP、云端網頁等方式智能控制，可實現遠程控制和定時控制用電器通斷。控制器自帶USB充電插口、提供實時時鐘、定時預約等功能。當出現過壓、過載等危險情況時，系統自動識別控制斷開電源。

關鍵詞：物聯網；電源控制器；遠程控制；CC3200

中圖分類號： 文獻標識碼：A

0 引言

隨著物聯網應用的高速發展，基于IoT（Internet of Things，IoT）的應用應運而生。家具業、家電業、消費電子、汽車電子和農業等，將實現滿足現代化需求的聯網方式，迎來物聯網發展的大潮。

1 系統硬件整體設計

整個系統硬件設計分為：主控制器、電源、WiFi、電能計量、參數顯示、繼電器控制、終端以及外圍接口部分，設計模塊框圖如圖1所示。

1.1 主控制器部分

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

1.2 CC3200 Wi-Fi部分

無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、射頻收發芯片、以及功率放大器；使用德州儀器的CC3200方案，芯片內部自帶一個Cortex-M4內核，運行高達頻率80MHz；內部自帶低能耗管理，能有效降低WiFi模塊的能耗；可以實現WiFi協議和TCP/IP協議，只需輕松設置，便能將串口設備的接入互聯網。模塊的主要功能描述如下：

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

2）具有Socket 通信連接，支持TCP/UDP 透傳、HTTP、WEB Socket和SSL Client 通信。TCP/UDP透傳模式下可以指定為 TCP Server、TCP Client、UDP Server、UDP Client模式。

3）模塊支持 UART 透傳，可以使用AT 命令任意切換傳輸模式。

1.3 電能計量部分

這里采用的方案是由ADC數據采集、緩沖和從MCU數據分析部分等構成。可以直接輸出有效電壓、電流、有功功率、功率因數、交流頻率和用電量等。

模塊運行時，電壓和電流通過分壓電阻和錳銅電阻單獨取樣后，接入后面的放大電路緩沖電路，經過模數轉換成數字信號，再送到從單片機進行數據分析。其工作原理框圖如圖2所示。

1.4 OLED顯示部分

為了彌補傳統電源控制器必須連接手機等終端設備才能查看設備運行狀態的缺陷，該設計加載了一塊0.96寸OLED雙色顯示屏，OLED的最大特點就是不需要背光源，因此很節能，可以做到超低功耗運行，僅需23mA的動態運行電流，可以實時顯示電量相關數據和設備控制狀態。

1.5 繼電器控制部分

繼電器是為控制用電器通斷的，是強電與弱點的連接口，這里重點介紹繼電器的驅動與反沖保護。

由于MCU的驅動端口輸出電流不足，無法直接驅動繼電器運行，所以必須添加驅動電路。常見的開關驅動主要采用三極管的飽和或截至狀態進行控制。

另外，由于繼電器是感性器件，其線圈有很大的電感，所以當繼電器關閉時，會產生很大的反沖電壓，容易對其他電路產生不良影響，這里采用二極管防反沖電路來消除反向過壓信號。具體電路設計如圖3所示。

2 系統軟件設計

系統軟件主要分為五個部分：參數顯示、電能監測、WIFI通信和手機端APP控制臺。

軟件系統最大的特點在于區分了主從關系，如果系統監測到過載電流，即判定為非危險操作，繼電器始終處于關閉狀態，不響應手機端的控制信號，以避免危險情況的發生。只有當功率保護正常時，整個系統的其他部分才能正常工作。當與手機建立通信時，手機端能同時控制總繼電器和各個分繼電器，以達到最安全的控制。軟件流程圖如下圖4所示。

2 手機終端APP設計

軟件主要用于對各個終端進行控制。APP界面顯示內容有：控制器端WIFI模塊IP地址，端口號。端口號后面顯示連接狀態。ON、OFF分別表示繼電器的控制狀態，即每個插孔的工作狀態。如圖5所示：

3 系統測試與分析

該項測試是在常見電磁干擾情況下進行測試。手機測試是指其它手機的射頻信號干擾，2.4GHz信號干擾是指利用路由器信號產生干擾信號，電磁波干擾是在433MHz～5GHz頻段內產生干擾信號。測試數據結果如表1所示。

通過以上測試，可以看出設備在一般條件下工作穩定，在干擾可控性測試中，設備暴露在常見的手機干擾和電腦主機干擾中都不會發生失控，只有在強電磁場偶然發生。同時在穩定性測試中，設備暴露在各種干擾下都不會產生誤動作，得益于在程序內部完善的校驗機制，在指令校驗出錯的時候系統不會動作，所以在強干擾源中表現良好。

結 論

本文創新性地以極具性價比的STM32F1芯片作為MCU，設計出智能電源的各個功能，利用高精度ADC通過錳銅電阻采集電量數據，通過WIFI模塊進行數據交換和遠程控制，利用OLED屏幕實現人機交互，通過RTC備份時鐘，為用戶提供遠程預約功能。

最后利用手機APP，實現了智能電源的遠程訪問。

該電源控制器功能齊全、強大、系統穩定、實時且硬件成本低廉。在物聯網技術蓬勃發展的今天，該電源控制器將具有廣闊的市場價值。

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作者簡介：

黃威（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：物聯網、模式識別。

趙媛（1993-），女，碩士研究生，主要研究方向：物聯網、智能家具。