楊明杰，陳鍵森，肖振豪

（閩南理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，福建石獅 362700）

目前，教學(xué)樓和實(shí)驗(yàn)樓的照明用電，基本從配電箱埋設(shè)電源導(dǎo)線加機(jī)械開(kāi)關(guān)面板的方式，對(duì)各個(gè)照明燈具進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)位置則固定在各個(gè)教室，需要到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)才能開(kāi)啟或切斷照明用電，難以實(shí)現(xiàn)照明用電的節(jié)能管理。為此，多數(shù)采用各層設(shè)置總開(kāi)關(guān)的方式，進(jìn)行分層供電控制，由管理員在上下班時(shí)段到各層配電箱統(tǒng)一操作總開(kāi)關(guān)，上班期間還需要到各個(gè)教室現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉照明，才能避免電力浪費(fèi)。

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器和微控制器等技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用?，F(xiàn)有的方案存在各種不足，有的需要借助協(xié)調(diào)器作為中轉(zhuǎn)站[1]，有的需要單獨(dú)布線組建通信網(wǎng)絡(luò)[2]，有的需要專用的通信設(shè)備[3]，有的需要有專門的上位機(jī)或服務(wù)器來(lái)管理和控制，實(shí)施起來(lái)，成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不易普及[4-9]。因此有必要轉(zhuǎn)變思路，采用更加簡(jiǎn)便的方案，在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的前提下，盡可能減少設(shè)備投入。

設(shè)計(jì)一種基于手機(jī)wifi 的教學(xué)樓照明遠(yuǎn)程節(jié)能控制器，通過(guò)手機(jī)就能隨時(shí)隨地查看和遠(yuǎn)程控制教學(xué)樓各教室照明燈具的工作狀態(tài)。遠(yuǎn)程節(jié)能控制器控制每個(gè)教室的照明供電并連接到公共wifi 網(wǎng)絡(luò)，管理員使用手機(jī)上的教室用電管理App 通過(guò)公共wifi，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看和控制，無(wú)需增加通信設(shè)備和上位機(jī)。這種遠(yuǎn)程節(jié)能控制器，對(duì)一定功率照明燈具的工作電流有足夠的分?jǐn)嗄芰?，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電流大小；具有wifi 通信功能，能夠接收來(lái)自客戶端手機(jī)的教室用電管理App 傳來(lái)的照明燈具通斷指令，并將電流數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶端手機(jī)App；客戶端手機(jī)教室用電管理App，能夠接收遠(yuǎn)程節(jié)能控制器發(fā)來(lái)的電流數(shù)據(jù)，以此判斷并顯示當(dāng)前遠(yuǎn)程控制器所接照明燈具的工作狀態(tài)，管理員在顯示界面上點(diǎn)按虛擬開(kāi)關(guān)，能夠通過(guò)wifi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)出用照明燈具通斷指令到遠(yuǎn)程節(jié)能控制器。

1 遠(yuǎn)程節(jié)能控制器的結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程節(jié)能控制器的結(jié)構(gòu)如圖1。STM32 單片機(jī)通過(guò)UART 串行接口，與WiFi 通信模塊交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)WiFi 網(wǎng)絡(luò)的接入，從而能夠訪問(wèn)巴法云平臺(tái)，進(jìn)而查詢并獲得來(lái)自巴法云平臺(tái)的控制指令，并且通過(guò)I/O 端口所接的過(guò)零觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)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(guò)電流檢測(cè)電路的霍爾傳感器感應(yīng)電流轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，再經(jīng)初步濾波和調(diào)理轉(zhuǎn)換成0～3 V的電壓信號(hào)后，由STM32 單片機(jī)的12 位ADC 端口進(jìn)行讀取和數(shù)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(dāng)前工作狀態(tài)，并將該狀態(tài)通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至巴法云端。其中，STM32 單片機(jī)采用型號(hào)為STM32F103C8T6的32 位高速微處理器，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置1MB 的flash 存儲(chǔ)器。WiFi 通信模塊型號(hào)為ESP-01S，是安信可（Ai-Thinker）科技有限公司開(kāi)發(fā)的一系列基于樂(lè)鑫ESP8266EX 的低功耗UART-WiFi 芯片ESP8266 系列模組，可以方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，接入云端服務(wù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)3/4G 的全球隨時(shí)隨地控制。

圖1 遠(yuǎn)程節(jié)能控制器的結(jié)構(gòu)圖

2 巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互原理

巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，將前后端分離，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的異步并發(fā)，從而確保低功耗下數(shù)據(jù)的完整性。該平臺(tái)支持多種模式的數(shù)據(jù)交互，采用規(guī)范協(xié)議，兼容各種平臺(tái)的服務(wù)。同時(shí)，為了保證物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)中傳輸有效的數(shù)據(jù)，該平臺(tái)采用精簡(jiǎn)的、輕量級(jí)的TCP 創(chuàng)客云HTTP 協(xié)議和交互語(yǔ)言，將云服務(wù)器與手機(jī)APP 客戶端結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程節(jié)能控制器—云服務(wù)器—手機(jī)終端APP，三位一體的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決了教學(xué)樓分散的照明燈具的工作狀態(tài)，能夠由管理員隨時(shí)隨地查看和集中控制的問(wèn)題。巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互原理框如圖2。

圖2 巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互原理框圖

為實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端能夠向遠(yuǎn)程節(jié)能控制器發(fā)送控制命令，首先，在巴法云控制臺(tái)創(chuàng)建主題1 的名稱topic1；其次，在單片機(jī)例程中的設(shè)置好WiFi 名稱，WiFi 密碼，用戶私鑰UID，TCP 創(chuàng)客云端口號(hào)，主題1的名稱topic1等信息，編譯代碼下載到單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)訂閱主題1；最后，使用手機(jī)app、控制臺(tái)、小程序等往主題1 發(fā)布消息1，由于節(jié)能控制器的STM單片機(jī)訂閱了主題1，就可以收到手機(jī)終端發(fā)布的控制命令消息1，從而執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如驅(qū)動(dòng)可控硅使照明燈具通電。

為實(shí)現(xiàn)手機(jī)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看照明燈具的工作狀態(tài)，首先，在巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建主題2；其次，在單片機(jī)例程中設(shè)置好WiFi 名稱，WiFi 密碼，用戶私鑰UID，TCP 創(chuàng)客云端口號(hào)，主題2 的名稱topic2 等信息，編譯代碼下載到單片機(jī)運(yùn)行，單片機(jī)根據(jù)采集的電流檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而判別照明燈具的工作狀態(tài)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到云平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)布消息2；最后，用戶使用手機(jī)app、控制臺(tái)、小程序等訂閱主題2，即可實(shí)現(xiàn)照明燈具工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程顯示。其中，用戶私鑰UID 和TCP 創(chuàng)客云端口號(hào)，是通過(guò)在巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)用郵箱注冊(cè)開(kāi)發(fā)者賬號(hào)后分配得到的。

3 電流隔離檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路如圖3，流經(jīng)照明燈具的一次側(cè)交流電流IP，由基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器集成電路ACS712 通過(guò)隔離檢測(cè)轉(zhuǎn)換后，得到模擬輸出電壓信號(hào)Vout，且Vout與被測(cè)IP呈線性關(guān)系，再經(jīng)過(guò)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(cè)電路，輸出與IP的峰值成線性關(guān)系的電壓信號(hào)uIP，送至STM32 單片機(jī)進(jìn)行AD 采樣、識(shí)別和換算。

圖3 電流檢測(cè)電路

被測(cè)電流經(jīng)一次側(cè)IP+到IP-的低阻值、低噪聲銅導(dǎo)電檢測(cè)通路（從引腳1 和2 流入，引腳3 和4 流出，該銅導(dǎo)體的截面能夠承受高達(dá)5 倍的過(guò)電流），與ACS712 內(nèi)部的霍爾測(cè)量電路之間，即導(dǎo)電通路的端口與信號(hào)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(chǎng)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(duì)階躍輸入電流，具有5 μs 的輸出響應(yīng)時(shí)間，80 kHz 的帶寬。在25 ℃環(huán)境溫度下，總輸出誤差為1.5%，內(nèi)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(nèi)部由一個(gè)精確的低偏置線性霍爾電路組成，被測(cè)電流經(jīng)過(guò)內(nèi)部銅導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，由低偏置、斬波自穩(wěn)零的BiCMOS 霍爾集成電路轉(zhuǎn)換為成比例的電壓，且通過(guò)對(duì)霍爾傳感器做了近場(chǎng)電磁信號(hào)精度的優(yōu)化，芯片封裝后經(jīng)過(guò)編程調(diào)整以確保精度，具有極穩(wěn)定的輸出偏置電壓，幾乎沒(méi)有磁滯效應(yīng)。因此，輸出電壓與輸入交直流電成良好的線性關(guān)系。

CF為噪聲濾波電容，根據(jù)干擾和有效信號(hào)的頻率分布，確定參數(shù)CF。

4 過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路

過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖4，由STM32單片機(jī)輸出的控制邏輯信號(hào)uc，經(jīng)限流電阻Rlim后，通過(guò)MOC3061 集成電路，驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BT139-600 控制照明燈具lamp 的通斷。該過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路，不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和波形畸變的影響，電磁兼容性好，無(wú)高頻噪聲，可靠耐用。

圖4 驅(qū)動(dòng)控制電路

其中，VD2 為輸入端防反接保護(hù)二極管，RT為MOC3061 的輸出端限流電阻，由負(fù)載交流電壓的峰值VP≈310 V和MOC3061 輸出端允許的通態(tài)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(guān)斷時(shí)尖峰漏電流IDRM=330 nA 對(duì)BT139-600 門極的誤觸發(fā)，需要在門控端并聯(lián)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(gòu)成雙向可控硅BT139的浪涌電壓吸收電路。

MOC3061是一種過(guò)零觸發(fā)三端雙向可控硅的集成驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)光電耦合實(shí)現(xiàn)隔離控制，隔離電壓高達(dá)有效值5.3 kV，峰值阻斷電壓600 V，輸出端由具有過(guò)零檢測(cè)功能的光控雙向可控硅組成，常用于交流電子開(kāi)關(guān)。其輸入端的額定驅(qū)動(dòng)電流IF=20 mA，額定正向?qū)▔航礦F=1.2 V，因此限流電阻Rlim的計(jì)算表達(dá)式為：

BT139-600 是四象限觸發(fā)的三端雙向可控硅，雙向瞬態(tài)和阻斷的電壓高達(dá)600 V，通態(tài)電流有效值為16 A，通態(tài)壓降為1.2 V@20 A。在阻斷電壓為12～400 V，觸發(fā)電流為0.1 A 時(shí)，門極觸發(fā)電壓為0.25～1.5 V?？捎糜陔姍C(jī)控制、工業(yè)和家庭照明、加熱和靜態(tài)開(kāi)關(guān)。

為了對(duì)IP和Vout的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，獲得電流檢測(cè)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(shè)擬合的直線方程為式（3），根據(jù)最小方差原理，使樣本數(shù)據(jù)與直線之間的距離最小，可得直線方程的參數(shù)a、b的計(jì)算表達(dá)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(cè)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(shí)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(shí)的磁通飽所致。因此，基于一元線性回歸方程，和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算電流測(cè)量的非線性誤差elin的計(jì)算表達(dá)式為：

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

5 控制程序和手機(jī)APP的設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)采用keil Uvision5 MDK 軟件調(diào)試程序，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5。

圖5 STM32單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

首先上電初始化電流采樣定時(shí)器及其中斷，設(shè)置電流采樣周期為Ts，并通過(guò)引腳驅(qū)動(dòng)過(guò)零觸發(fā)電路關(guān)閉照明燈具回路，接著STM32 單片機(jī)通過(guò)內(nèi)置ADC 采樣電流檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)uIP，并換算為與之呈線性關(guān)系的一次側(cè)峰值電流IP=a·uIP+b，進(jìn)而判別照明燈具的工作狀態(tài)，以及IP是否超過(guò)允許的最大電流IPMax。若過(guò)電流則立即關(guān)斷燈具的電流回路，否則將IP電流值數(shù)據(jù)，通過(guò)WiFi 通信模塊以發(fā)布消息2 的方式實(shí)時(shí)上傳至巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的主題2，供用戶通過(guò)手機(jī)終端訂閱查看。

另外，以訂閱巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的主題1的方式實(shí)時(shí)接收來(lái)自用戶手機(jī)終端發(fā)布消息1的控制指令，進(jìn)而通過(guò)引腳對(duì)應(yīng)控制過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路，改變照明燈具的通斷狀態(tài)。

手機(jī)終端APP 的制作工具采用Google App Inventor。首先，設(shè)計(jì)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(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，包含：連接巴法云的接口、屏幕初始化、為開(kāi)關(guān)添加邏輯功能等。最后，只要將手機(jī)與電腦連接，就可以安裝手機(jī)終端APP。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先，為了確定霍爾集成電路輸出電壓信號(hào)Vout與檢測(cè)電流IP之間的線性關(guān)系，在供電電壓VCC=5V，環(huán)境溫度25 ℃，CF=1 nF 時(shí)，用數(shù)字直流電源和可調(diào)功率電阻串聯(lián)構(gòu)成電流回路，以此提供被檢測(cè)直流電流IP，且IP從-5 A 逐漸調(diào)整到5 A，每隔1 A 用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量一次霍爾集成電路的輸出電壓信號(hào)Vout，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，11 個(gè)測(cè)試點(diǎn)采用式（3）～（5）最小二乘法擬合為一條直線如圖6，并依據(jù)非線性誤差表達(dá)式（6）計(jì)算得到非線性度約為0.57%。

表1 Vout與IP的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 輸出電壓與檢測(cè)電流的線性關(guān)系

其次，為了獲得電流檢測(cè)電路的帶寬，需要測(cè)量階躍響應(yīng)輸出的上升時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算帶寬。上升時(shí)間tr是指?jìng)鞲衅鞯碾A躍響應(yīng)波形從穩(wěn)定值的10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間間隔，tr主要受到器件的接地渦流損耗所致。據(jù)此，在一次側(cè)電流IP從0 A 階躍到5 A 時(shí)，測(cè)量得到ACS712 的階躍響應(yīng)輸出Vout從2.51V階躍到3.46 V，上升時(shí)間為6 μs，如圖7。則該電流檢測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量。

圖7 ACS712的階躍響應(yīng)波形

7 結(jié)語(yǔ)

首先，介紹了STM32 單片機(jī)結(jié)合WiFi 通信模塊訪問(wèn)巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)控制指令和電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，以及對(duì)照明燈具回路的電流檢測(cè)與過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方案；詳細(xì)闡述了巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互原理。其次，為準(zhǔn)確測(cè)量照明燈具的工作電流設(shè)計(jì)了電流隔離檢測(cè)電路；為實(shí)現(xiàn)無(wú)高頻噪聲可靠控制照明燈具的通斷，設(shè)計(jì)了過(guò)零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路；介紹了單片機(jī)的控制程序設(shè)計(jì)流程圖，以及采用Google App Inventor 設(shè)計(jì)的手機(jī)終端APP 界面、物聯(lián)網(wǎng)接口和控制邏輯。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了電流檢測(cè)電路的輸入輸出數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合直線的方法，獲得了測(cè)量電流的非線性誤差約為0.57%；同時(shí)，測(cè)量了階躍響應(yīng)輸出的上升時(shí)間，獲得電流檢測(cè)電路的帶寬約為58.3 kHz；由此驗(yàn)證了遠(yuǎn)程節(jié)能控制器能夠滿足對(duì)10 次以下諧波電流的準(zhǔn)確測(cè)量。