基于單片機的智能樓宇遠程電源管理系統設計

劉 娟，胡徐勝，夏興國，吳靜妹

（1. 馬鞍山職業技術學院 電氣工程系，安徽 馬鞍山 243030；2. 皖江工學院 馬鞍山市無線傳感網與智能感知工程技術研究中心，安徽 馬鞍山 243031）

1 引言

隨著智能樓宇相關技術的飛速發展，智能樓宇的規模越來越龐大，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注的一個問題。為適應新形勢下智能樓宇的能耗管理，開發一套電源遠程管理系統是很必要的。2015 年，袁智等研發出對視頻圖像的采集與現場狀態監控遠程電源控制系統[1]。2017 年，徐濤等提出“遠程網絡電源管理系統平臺”方案，主要由前端電源管理單元、后臺服務平臺和客戶端構成[2]。2018年任宏等提出了基于TCP/IP 協議的遠程電源網絡監控系統[3]。遠程電源管理系統能充分利用任何PC 或手機等終端遠程控制異地電源[4]。

2 總體設計

本文設計的智能樓宇遠程電源管理系統的主要構成部分包括MSP430G2211 控制系統模塊、控制信號隔離模塊MSP430G2553、以太網控制器等[5]。系統總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框圖

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

3 方案與實現

為了保證系統安全，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，控制信號全部經過一片TLP521-4 芯片進行電器隔離，將強電弱電完全分離[7]，確?？刂瓢踩?/p>

3.1 硬件總體設計方案

單片機最主要的功能就是能夠進行智能控制。考慮到MSP430G2型號的MCU內部沒有集成以太網控制器，在進行充分的需求分析后，結合本設計實際情況，采用外接嵌入式以太網控制器ENC28J60 實現網絡的接入，二者通過SPI 通信協議通信。以太網接口如圖2 所示。

圖2 MCU 與ENC28J60 組成以太網接口

選取0.96 寸OLED 屏幕用于顯示當前網絡狀態和電源工作狀態。雖然編程方面較LED 數碼管繁瑣，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 為核心的繼電器驅動電路可以省略掉續流二極管，如圖4 所示。為了降低模塊之間的干擾，將經過光耦隔離出來的單片機控制信號進行功率放大和電平轉換[9]。在繼電器驅動中，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造成的干擾[10]。

圖4 繼電器驅動電路

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 光電耦合器進行隔離，如圖5 所示。

圖5 控制信號隔離模塊

圖6 系統主程序設計流程圖

3.3 系統的程序及流程圖

主函數模塊主要完成全局變量定義，對I/O 模塊、串口、OLED 屏幕、內部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

TCP 應用的服務器流程如圖7。

MSP430G2553 作為網頁服務器的程序可根據該流程編寫。

圖7 建立TCP 應用流程

系統上電后，電源默認狀態為斷開，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”時則表示局域網連接正常，等待用戶登陸網頁服務器發送命令，控制電源通斷狀態。若屏幕顯示“Network Error”則需要檢查網絡連接。當服務器開始監聽連接時，可以通過手機APP 軟件、PC 機客戶端軟件或瀏覽器向服務器發送連接請求，并等待服務器作出響應。進行網絡電源控制測試實驗。

具體得到的數據如表1 所示。

表1 基于MSP430 的網絡電源控制系統控制效果

5 結論

采用MSP430G2553 作為主控制器，結合以太網控制器ENC28J60 進行各種網絡環境下的網絡連接與數據交換。在繼電器控制模塊中增加了電流峰值吸收電路和保險管，保障了整個遠程電源控制系統的安全。多次網絡電源通信與控制測試實驗驗證了該系統對設備電源進行遠程控制的能力，取得較好控制效果。