220 V 斷路器遠程控制模塊設計及應用研究★

李世彬，桂將來

（1.瀘州職業技術學院，四川 瀘州 646000；2.費德自動化技術（重慶）有限公司，重慶 401333）

引言

近年來,基于Internet 的遠程控制系統成為研究的熱點，這使得Internet 技術、計算機技術、通信技術和微電子技術在工業控制領域得到了迅猛的發展[1]。隨著經濟社會的不斷發展和進步，大量生產生活電器的出現為經濟發展和生活品質的提升提供了可靠的支撐，但是，由于使用和維護不當導致的電氣火災時有發生，造成了人身和財產的損失，特別是隨著人口老齡化程度的不斷加劇，老年人在使用家用電器時經常會在離開時忘記關電源，或者在使用過程中發生了故障時不能及時關斷電源，導致火災發生，造成生命、財產安全的巨大損失。隨著通信技術的不斷發展，手機在生產和生活中的應用越來越普遍和便利。通過手機微信小程序對斷路器進行遠程監控，可以在發生電器故障時及時關閉斷路器，減小和避免處置不及時導致的生命財產損失。通過手機APP 對遠程的配電設備進行監控，極大地提升了對遠程設備進行實時監控和管理的便捷性。隨著大數據技術和移動通信技術的不斷發展，未來的設備控制和管理將變得更加快捷、高效和實時，用戶可以通過APP 對用電設備的狀態進行監控，及時關閉閑置設備，實現節能減排。基于網絡化對設備進行集中管理，利用大數據技術可以對用電數據進行分析，準確把握能源需求，為能源生產部門和能源供給部門提供真實的消費市場數據，減少能源浪費，改善生態環境和居住環境。

1 斷路器遠程模塊設計

1.1 設計思路

國內低壓電器網絡化研究起步較晚，目前還沒有比較成型的解決方案和成熟的技術成果[2]。在智能斷路器研發與應用方面，由于整體水平較低，需要不斷研發新的技術，并借鑒國外的相關技術，對已有的技術進行不斷改進和提高[3]。

斷路器遠程控制模塊是基于220 V 低壓斷路器設計開發的獨立模塊，與目前現有市場上的主流低壓斷路器的外觀尺寸保持一致，具有很好的兼容性，安裝和拆卸都非常方便。該裝置內置無線通信模塊、舵機和DC 5 V 電源。無線通信模塊用于實現與手機和Web 網絡的通信，舵機用于執行斷路器的開關，DC 5 V電源用于為舵機和無線通信模塊提供電源。該裝置在AC 220 V 的控制系統中可以通過遠程監控功能提高設備的網絡化遠程管理效率，通過通信模塊可以與其他現場設備進行互聯，組成網絡化管理系統，降低使用和管理成本。

1.2 結構設計

斷路器遠程控制模塊的設計結構如圖1 和下頁圖2 所示，三個客戶端分別是APP、ESP01、HTML 通過連接同一服務器進行信息通訊，每個設備都能發布和訂閱消息，通過消息代理進行查找，并且推送消息到已經訂閱主題的客戶端實現控制。

2 遠程通信方案

我國低壓斷路器在網絡化性能上與國際同類產品相比，差距較大。國內對低壓電器的研究主要集中在設備的在線檢測、新的信號采集處理方法和機理研究、電器裝置的研究、智能電器設備的可靠性研究、通信的實現方法等方面[4-5]。遠程控制在工業環境中的應用，開發的設備需要具有成本低、體積小、性能高、安全性好、功能齊全和處理效率高等優點[6]。

本設計方案將基本電子產品與互聯網相連接，通過MQTT 協議實現產品的遠程控制，并向Web、APP發送實時記錄，通過手機、網頁就可以實時觀測到數據，并實現控制、定時和語音觸發。模塊主要由舵機（MG995R）、遠程WiFi 模塊（ESP01）和上位機（網站、安卓軟件）三部分組成。通信采用ESP01 遠程WiFi 模塊實現遠距離數據傳輸，該模塊可使用Arduino 進行程序設計，上位機APP 采用易語言的框架編寫程序，所使用軟件為E4A，Web 采用H5 進行頁面設計，所使用軟件為HBuilderX，開發的程序具有良好的應用性、拓展性和可移植性，系統后臺處理方案，可以應用于很多不同場合。

2.1 軟件設計思路

通過HTML、E4a 進行控制Arduino 動作，同時返回控制的狀態，包括設備關斷成功或者設備關斷失敗等信息。為實現手機端微信小程序和Web 對斷路器進行遠程控制，采用Arduino 軟件對ESP01 通信模塊進行開發，以實現對手機微信小程序和Web 網頁的遠程通信。網頁設計軟件和APP 設計軟件分別實現對網頁通信界面和APP 通信界面的設計，并完成控制程序的開發。

實現與APP 和Web 網頁的通信時需要接收來自APP 和Web 端發出的控制信號，在信號接收后根據程序指令信息對設備進行控制，并反饋設備狀態，如果信號接收失敗，將反饋信號給APP 和Web 網頁端，以提示信號發送狀態。

2.2 通信端口程序配置

2.2.1 APP 與ESP01 通信程序配置如下

3 調試

3.1 Web 端通信調試

1）連接服務器。連接MQTT 服務器，點擊連接服務器按鈕發送連接請求，連接完成之后控制臺顯示“服務器連接成功”，此時說明Web 界面已經連接上MQTT 服務器。

2）連接設備。當連接上服務器之后點擊設備連接按鈕，Web 向Arduino 發送連接請求并等待Arduino返回連接成功信號。當連接成功后，連接設備按鈕背景顏色變為紅色，字體顯示為“設備已連接”字樣，設備上線數量顯示為1，“未連接”字樣變為“已連接”。斷開設備以及關閉設備后，按鈕背景顏色為綠色，操作狀態變為“可操作”。

3）關閉設備。按下關閉設備按鈕，Web 給Arduino發送關閉設備請求，當Arduino 關閉設備完成時，返回給web 設備關閉完成信號。

4）關閉設備失敗。當按下關閉設備按鈕5 s 后還沒接收到Arduino 返回的設備關閉完成信號，這時Web 端將會進行關閉設備錯誤提示。

5）關閉所有設備。按下關閉所有設備按鈕將會關閉所有在線的設備。

3.2 APP 端通信調試

1）連接服務器。首先連接MQTT 服務器，點擊連接服務器按鈕發送連接請求，連接完成之后在APP下方提示“連接成功”說明APP 已經連接上了MQTT服務器。

2）關閉設備。按下設備關斷按鈕，APP 給Arduino發送關閉設備請求，并在APP 下方提示“關閉設備中”，當Arduino 關閉設備完成時，返回給APP 設備關閉完成信號，這時設備關閉完成。

3）語音控制關閉設備。按下語音控制按鈕，將會有一個小話筒出現在屏幕中央，語音控制口令為“關閉設備”，其他口令都視為無效口令。

4）定時控制關閉設備。設定設備的運行時間，運行時間達到設定時間時，設備自動關斷。

4 結語

經過測試，本文設計的斷路器遠程控制模塊能與斷路器進行良好的配合，安裝在35 mm 導軌上，配合家用220 V 斷路器正常使用。手機通過APP 小程序可以發送控制指令，實現斷路器的遠程控制，斷路器關斷響應快且可靠，舵機在關斷過程中未出現任何故障。利用Web 網頁端發出控制信號控制斷路器遠程開關時，斷路器能正常關斷，且能實時反饋斷路器的狀態，信息顯示及反饋響應正常。