基于手機WiFi的教學樓照明遠程節能控制器

楊明杰，陳鍵森，肖振豪

（閩南理工學院電子與電氣工程學院，福建石獅 362700）

目前，教學樓和實驗樓的照明用電，基本從配電箱埋設電源導線加機械開關面板的方式，對各個照明燈具進行控制，開關位置則固定在各個教室，需要到現場手動操作開關才能開啟或切斷照明用電，難以實現照明用電的節能管理。為此，多數采用各層設置總開關的方式，進行分層供電控制，由管理員在上下班時段到各層配電箱統一操作總開關，上班期間還需要到各個教室現場關閉照明，才能避免電力浪費。

近年來，網絡通信、傳感器和微控制器等技術得到發展和應用。現有的方案存在各種不足，有的需要借助協調器作為中轉站[1]，有的需要單獨布線組建通信網絡[2]，有的需要專用的通信設備[3]，有的需要有專門的上位機或服務器來管理和控制，實施起來，成本高，系統復雜，不易普及[4-9]。因此有必要轉變思路，采用更加簡便的方案，在實現遠程控制的前提下，盡可能減少設備投入。

設計一種基于手機wifi 的教學樓照明遠程節能控制器，通過手機就能隨時隨地查看和遠程控制教學樓各教室照明燈具的工作狀態。遠程節能控制器控制每個教室的照明供電并連接到公共wifi 網絡，管理員使用手機上的教室用電管理App 通過公共wifi，實現遠程查看和控制，無需增加通信設備和上位機。這種遠程節能控制器，對一定功率照明燈具的工作電流有足夠的分斷能力，能夠實時檢測電流大小；具有wifi 通信功能，能夠接收來自客戶端手機的教室用電管理App 傳來的照明燈具通斷指令，并將電流數據信息實時發送到客戶端手機App；客戶端手機教室用電管理App，能夠接收遠程節能控制器發來的電流數據，以此判斷并顯示當前遠程控制器所接照明燈具的工作狀態，管理員在顯示界面上點按虛擬開關，能夠通過wifi 網絡發出用照明燈具通斷指令到遠程節能控制器。

1 遠程節能控制器的結構

遠程節能控制器的結構如圖1。STM32 單片機通過UART 串行接口，與WiFi 通信模塊交互數據，實現WiFi 網絡的接入，從而能夠訪問巴法云平臺，進而查詢并獲得來自巴法云平臺的控制指令，并且通過I/O 端口所接的過零觸發電路驅動雙向可控硅，控制照明燈具與市電通斷；此外，照明燈具的工作電流通過電流檢測電路的霍爾傳感器感應電流轉為電壓信號，再經初步濾波和調理轉換成0～3 V的電壓信號后，由STM32 單片機的12 位ADC 端口進行讀取和數字濾波處理，從而獲得照明燈具工作電流的有效值，并由此判斷照明燈具的當前工作狀態，并將該狀態通過WiFi 網絡發送至巴法云端。其中，STM32 單片機采用型號為STM32F103C8T6的32 位高速微處理器，工作頻率為72 MHz，內置1MB 的flash 存儲器。WiFi 通信模塊型號為ESP-01S，是安信可（Ai-Thinker）科技有限公司開發的一系列基于樂鑫ESP8266EX 的低功耗UART-WiFi 芯片ESP8266 系列模組，可以方便地進行二次開發，接入云端服務，實現手機3/4G 的全球隨時隨地控制。

圖1 遠程節能控制器的結構圖

2 巴法云物聯網平臺的數據交互原理

巴法云物聯網平臺作為物聯網服務器，將前后端分離，能夠實現高性能的異步并發，從而確保低功耗下數據的完整性。該平臺支持多種模式的數據交互，采用規范協議，兼容各種平臺的服務。同時，為了保證物聯網設備數據在低帶寬、不可靠的網絡中傳輸有效的數據，該平臺采用精簡的、輕量級的TCP 創客云HTTP 協議和交互語言，將云服務器與手機APP 客戶端結合，實現遠程節能控制器—云服務器—手機終端APP，三位一體的物聯網實時監控系統，有效解決了教學樓分散的照明燈具的工作狀態，能夠由管理員隨時隨地查看和集中控制的問題。巴法云物聯網平臺的數據交互原理框如圖2。

圖2 巴法云物聯網平臺的數據交互原理框圖

為實現手機終端能夠向遠程節能控制器發送控制命令，首先，在巴法云控制臺創建主題1 的名稱topic1；其次，在單片機例程中的設置好WiFi 名稱，WiFi 密碼，用戶私鑰UID，TCP 創客云端口號，主題1的名稱topic1等信息，編譯代碼下載到單片機即可實現單片機訂閱主題1；最后，使用手機app、控制臺、小程序等往主題1 發布消息1，由于節能控制器的STM單片機訂閱了主題1，就可以收到手機終端發布的控制命令消息1，從而執行相應的動作，如驅動可控硅使照明燈具通電。

為實現手機隨時隨地遠程查看照明燈具的工作狀態，首先，在巴法云物聯網平臺創建主題2；其次，在單片機例程中設置好WiFi 名稱，WiFi 密碼，用戶私鑰UID，TCP 創客云端口號，主題2 的名稱topic2 等信息，編譯代碼下載到單片機運行，單片機根據采集的電流檢測數據，從而判別照明燈具的工作狀態，并將狀態數據通過WiFi 網絡，發送到云平臺，即可實現發布消息2；最后，用戶使用手機app、控制臺、小程序等訂閱主題2，即可實現照明燈具工作狀態的數據采集和遠程顯示。其中，用戶私鑰UID 和TCP 創客云端口號，是通過在巴法云物聯網平臺用郵箱注冊開發者賬號后分配得到的。

3 電流隔離檢測電路

電流檢測電路如圖3，流經照明燈具的一次側交流電流IP，由基于霍爾效應的電流傳感器集成電路ACS712 通過隔離檢測轉換后，得到模擬輸出電壓信號Vout，且Vout與被測IP呈線性關系，再經過由RF和Cout組成的隔直通交濾波電路，AMP、R1、R2和R3組成的同相比例放大電路，以及由VD1和C1組成的峰值檢測電路，輸出與IP的峰值成線性關系的電壓信號uIP，送至STM32 單片機進行AD 采樣、識別和換算。

圖3 電流檢測電路

被測電流經一次側IP+到IP-的低阻值、低噪聲銅導電檢測通路（從引腳1 和2 流入，引腳3 和4 流出，該銅導體的截面能夠承受高達5 倍的過電流），與ACS712 內部的霍爾測量電路之間，即導電通路的端口與信號引腳（引腳5～8）之間具有2.1 kV有效值的高壓電氣隔離。因此可以直接用于需要電隔離的場合，而不需要光耦隔離器或其他隔離措施。器件的輸出為正斜率（＞VIOUT（Q）），理想情況下，對階躍輸入電流，具有5 μs 的輸出響應時間，80 kHz 的帶寬。在25 ℃環境溫度下，總輸出誤差為1.5%，內在輸入電阻典型阻值為1.2 mΩ，功率損耗小。由5 V單電源供電，具有66～185 mV/A 的輸出靈敏度。

ACS712 內部由一個精確的低偏置線性霍爾電路組成，被測電流經過內部銅導體產生的電磁場，由低偏置、斬波自穩零的BiCMOS 霍爾集成電路轉換為成比例的電壓，且通過對霍爾傳感器做了近場電磁信號精度的優化，芯片封裝后經過編程調整以確保精度，具有極穩定的輸出偏置電壓，幾乎沒有磁滯效應。因此，輸出電壓與輸入交直流電成良好的線性關系。

CF為噪聲濾波電容，根據干擾和有效信號的頻率分布，確定參數CF。

4 過零觸發驅動控制電路

過零觸發驅動控制電路如圖4，由STM32單片機輸出的控制邏輯信號uc，經限流電阻Rlim后，通過MOC3061 集成電路，驅動雙向可控硅BT139-600 控制照明燈具lamp 的通斷。該過零觸發驅動控制電路，不受電網電壓波動和波形畸變的影響，電磁兼容性好，無高頻噪聲，可靠耐用。

圖4 驅動控制電路

其中，VD2 為輸入端防反接保護二極管，RT為MOC3061 的輸出端限流電阻，由負載交流電壓的峰值VP≈310 V和MOC3061 輸出端允許的通態浪涌電流ITSM=1 A的比值確定，取RT=330 Ω，如式（1）：

此外，為了防止MOC3061 輸出端關斷時尖峰漏電流IDRM=330 nA 對BT139-600 門極的誤觸發，需要在門控端并聯RG=300 Ω 加以泄放，從而提高抗干擾能力。電阻Rab=39 Ω 和電容Cab=0.01 μF 構成雙向可控硅BT139的浪涌電壓吸收電路。

MOC3061是一種過零觸發三端雙向可控硅的集成驅動電路，通過光電耦合實現隔離控制，隔離電壓高達有效值5.3 kV，峰值阻斷電壓600 V，輸出端由具有過零檢測功能的光控雙向可控硅組成，常用于交流電子開關。其輸入端的額定驅動電流IF=20 mA，額定正向導通壓降VF=1.2 V，因此限流電阻Rlim的計算表達式為：

BT139-600 是四象限觸發的三端雙向可控硅，雙向瞬態和阻斷的電壓高達600 V，通態電流有效值為16 A，通態壓降為1.2 V@20 A。在阻斷電壓為12～400 V，觸發電流為0.1 A 時，門極觸發電壓為0.25～1.5 V。可用于電機控制、工業和家庭照明、加熱和靜態開關。

為了對IP和Vout的實驗數據進行線性擬合，獲得電流檢測電路的非線性誤差，采用最小二乘法求解一元線性回歸方程，設擬合的直線方程為式（3），根據最小方差原理，使樣本數據與直線之間的距離最小，可得直線方程的參數a、b的計算表達式分別為式（4）、式（5）：

其中：

式中：xi、yi（i=1,…,11）分別為Vout和IP的11 組樣本測試值分別為xi和yi的平均值。

非線性誤差指的是，輸出電壓正比于一次電流在滿量程時的偏差程度。由于ACS712 輸出的非線性主要由輸入電流在滿量程時的磁通飽所致。因此，基于一元線性回歸方程，和實驗數據，計算電流測量的非線性誤差elin的計算表達式為：

式中：Vout_full為滿量程時的輸出；yfull為擬合直線滿量程時的理論值。

5 控制程序和手機APP的設計

STM32 單片機采用keil Uvision5 MDK 軟件調試程序，程序設計流程圖如圖5。

圖5 STM32單片機程序設計流程圖

首先上電初始化電流采樣定時器及其中斷，設置電流采樣周期為Ts，并通過引腳驅動過零觸發電路關閉照明燈具回路，接著STM32 單片機通過內置ADC 采樣電流檢測電路的輸出電壓信號uIP，并換算為與之呈線性關系的一次側峰值電流IP=a·uIP+b，進而判別照明燈具的工作狀態，以及IP是否超過允許的最大電流IPMax。若過電流則立即關斷燈具的電流回路，否則將IP電流值數據，通過WiFi 通信模塊以發布消息2 的方式實時上傳至巴法云物聯網平臺的主題2，供用戶通過手機終端訂閱查看。

另外，以訂閱巴法云物聯網平臺的主題1的方式實時接收來自用戶手機終端發布消息1的控制指令，進而通過引腳對應控制過零觸發驅動電路，改變照明燈具的通斷狀態。

手機終端APP 的制作工具采用Google App Inventor。首先，設計客戶端的界面，以拖放圖形代碼塊的形式添加所需要的組件，為組件添加屬性，再進行邏輯設計，包含：連接巴法云的接口、屏幕初始化、為開關添加邏輯功能等。最后，只要將手機與電腦連接，就可以安裝手機終端APP。

6 實驗驗證

首先，為了確定霍爾集成電路輸出電壓信號Vout與檢測電流IP之間的線性關系，在供電電壓VCC=5V，環境溫度25 ℃，CF=1 nF 時，用數字直流電源和可調功率電阻串聯構成電流回路，以此提供被檢測直流電流IP，且IP從-5 A 逐漸調整到5 A，每隔1 A 用數字萬用表測量一次霍爾集成電路的輸出電壓信號Vout，測量數據見表1，11 個測試點采用式（3）～（5）最小二乘法擬合為一條直線如圖6，并依據非線性誤差表達式（6）計算得到非線性度約為0.57%。

表1 Vout與IP的實驗測試數據

圖6 輸出電壓與檢測電流的線性關系

其次，為了獲得電流檢測電路的帶寬，需要測量階躍響應輸出的上升時間，進而計算帶寬。上升時間tr是指傳感器的階躍響應波形從穩定值的10%上升到90%所經歷的時間間隔，tr主要受到器件的接地渦流損耗所致。據此，在一次側電流IP從0 A 階躍到5 A 時，測量得到ACS712 的階躍響應輸出Vout從2.51V階躍到3.46 V，上升時間為6 μs，如圖7。則該電流檢測電路的帶寬f(-3 dB)=0.35/tr≈58.3 kHz。由于照明燈具的供電為交流50 Hz，因此可以滿足照明燈具10次以下諧波電流的準確測量。

圖7 ACS712的階躍響應波形

7 結語

首先，介紹了STM32 單片機結合WiFi 通信模塊訪問巴法云物聯網平臺，實現控制指令和電流數據的實時傳輸，以及對照明燈具回路的電流檢測與過零觸發驅動控制的設計方案；詳細闡述了巴法云物聯網平臺的數據交互原理。其次，為準確測量照明燈具的工作電流設計了電流隔離檢測電路；為實現無高頻噪聲可靠控制照明燈具的通斷，設計了過零觸發驅動控制電路；介紹了單片機的控制程序設計流程圖，以及采用Google App Inventor 設計的手機終端APP 界面、物聯網接口和控制邏輯。最后，通過實驗測量了電流檢測電路的輸入輸出數據，采用最小二乘法擬合直線的方法，獲得了測量電流的非線性誤差約為0.57%；同時，測量了階躍響應輸出的上升時間，獲得電流檢測電路的帶寬約為58.3 kHz；由此驗證了遠程節能控制器能夠滿足對10 次以下諧波電流的準確測量。