WiFi控制的功率调节系统设计与实现

(成都理工大学信息科学与技术学院1，四川 成都 610059；成都大学电信学院2，四川 成都 610106)

0 引言

在电力控制系统中，大多数情况下对开关的控制所采用的方式为手动、近距离接触式控制。这种方式存在的问题是一旦开关漏电、打火，就可能发生安全事故，造成人员伤亡[1]。近年来，手机得到了迅速的普及。据市场研究机构ABI的数据显示，2013年WiFi手机的销量预计将达到5亿部，2014年预计将有90%的智能手机拥有WiFi技术。同时，华为、三星等国内外手机厂商也不断开发WiFi手机[2]。如果用手机上的WiFi实现工业控制中的无线遥控，必将给传统开关控制方式带来巨大影响。利用手机WiFi不仅可实现对电源开关的非接触式通断控制，还可通过对手机界面的操作实现功率大小的调节。为实现上述设想，本文对此进行了控制硬件电路和软件程序的设计。

1 系统工作相关理论概述

1.1 WiFi传输协议

网络技术的发展，导致联网方式的转变，由过去的网线连接计算机上网变为现在的通过无线传输联网，这得益于WiFi技术的发展和应用。自1997年IEEE发布WiFi标准802.11的第一个版本以来，目前已有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n、802.11e、802.11f、802.11h、802.11i、802.11j、802.11ac、802.11ad等标准。其中，802.11ac被称为第五代(5G)WiFi。基于该标准，采用工作频率为5 GHz的芯片，能同时覆盖5 GHz和2.4 GHz两大频段，其传输速度可达1 Gbit/s。

WiFi突出优势表现如下。

其一，无线电波的覆盖范围广，在开放性区域，通信距离可达305 m;在封闭性区域，通信距离为76～122 m，整栋大楼均可覆盖。由Vivato公司推出的一款新型交换机能够把WiFi无线网络的通信距离扩大到约6.5 km。

其二，普通设备传输速度可以达到54 Mbit/s，符合个人和社会信息化的需求。

其三，进入该领域的门槛比较低，只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。用户只要将支持WLAN的笔记本电脑或智能手机拿到该区域内，即可高速接入因特网。

其四，不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此适合移动办公用户的需要，具有广阔的市场前景。

其五，发射功率低，IEEE 802.11规定的发射功率不可超过100 mW，实际发射功率约60～70 mW。手机的发射功率约为200 mW～1 W，手持式对讲机高达5 W，且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，相对来讲更为安全[3]。

现如今,国内外许多WiFi网络已成为被人们广泛使用的免费的网络资源，为用户提供无线宽带互联网访问，帮助用户在家里、办公室或旅途中访问电子邮件、Web和流式媒体。新一代Android系统的问世使得智能手机和平板电脑正在改变人们的生活方式。现在，手机已不只是通话的工具，它也可以成为方便的遥控器。

1.2 Android操作系统

Android是一种基于Linux的自由、开放源代码的操作系统，主要用于诸如智能手机和平板电脑之类的移动设备。Android操作系统最初由Andy Rubin开发，主要支持手机，2005年8月由Google收购注资，2007年11月Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商组建开放手机联盟，共同研发改良Android系统。随后Google以Apache开源许可证的授权方式，发布了Android的源代码[4]。自2008年10月第一部Android智能手机发布以来，Android逐渐扩展到平板电脑及其他领域，如电视、数码相机、游戏机等,其市场占有率不断提高。

1.3 供电回路负载功率控制原理

当在基于Android操作系统的手机界面上设计出控制电源开关通断的图标后，用手指点击一下该图标就可通过WiFi无线信道将该控制信号传递给WiFi接收电路，并将该信号传递给MCU；由MCU输出控制信号控制光耦管的导通，进而控制双向可控硅的导通，使负载回路接通。如果在手机界面上设计一个滑动图标，用手指拖动该图标滑动，并将该图标左右移动的位置数据传输到WiFi接收电路和MCU；由MCU根据该数据输出PWM信号，PWM信号控制光耦管，产生双向可控硅的触发信号，并以此控制双向可控硅的导通角，就可达到控制供电回路负载平均功率的目的。

图1 负载两端电压与双向可控硅两端波形图

在PWM的一个周期T(T≤π)内，设接通时刻为t1，关断时刻为t2，负载获取的平均电压值等于uL从时间t1到t2的积分。

(1)

负载的平均功率为：

(2)

根据双向可控硅的工作性质，在双向可控硅控制的回路中，由式(1)可知，若t2=π，则改变触发脉冲加入时刻t1就可以控制双向可控硅的导通角，从而改变负载上所获得电压的平均值，进而改变负载的平均功率[5-8]。

2 系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

来自于安卓手机WiFi的控制信号，经空间传播由接收端WiFi模块电路检测到后，将手机控制信号发送到MCU模块进行处理。MCU先要对手机发送来的数据进行判断，如果只是控制负载通断的信号，则向控制模块发送通断控制信号；如果是控制负载功率的控制信号，则要将该信号转换为对应的PWM信号，然后将该信号输出到控制模块,完成对交流负载的控制。

2.1 触发控制信号的产生

在本系统所设计的交流工作电路中，由MCU输出的PWM信号被用作控制光耦管的导通，产生双向可控硅控制极的触发脉冲信号，以便控制双向可控硅的通断时间，进而控制负载的工作情况。由式(1)可知，在一个周期内，不同占空比的PWM信号控制可控光耦的导通时间不一致，使双向可控硅的导通时刻t1发生改变，负载获得的平均电压就会改变。

100 Hz的PWM波形如图3所示。

图3 100 Hz的PWM波形图

为获得图3中的PWM信号， MCU采用51单片机的定时器0作为PWM波的频率设定，在11.059 2 MHz的晶振下，设置定时器的初值为TH0=0xFC，TL0= 0x80，即每1 ms产生一次中断，每次中断执行计数变量Count加1。将Count与从串口接收到的控制命令R_count进行比较，若Count≤R_count，单片机的引脚P2.1输出低电平;反之为高电平。

MCU输出相应占空比的PWM波，控制电路中双向可控硅的工作状态，使单位时间通过负载的电流发生改变，最终改变负载的输出功率。

2.2 硬件控制电路设计

控制模块电路如图4所示。图4中，U1、U2为受控光耦管，在电路中完成对5 V低电压与负载回路中220 V高电压的隔离作用。

图4 控制电路原理图

在进行负载回路通断控制时，利用U1、R3、C3、C2、R7为Q2支路提供偏置电路。一旦MCU输出低电平给P2.0，光耦管U1导通，经R3、C3、R7、C2、Q2，使Q1导通，负载与220 V交流接通。

当进行负载功率控制时，则利用U2、R2、C1、R5、R6、C2为Q2支路提供偏置电路。此时由P2.1提供PWM控制信号。在PWM的一个周期中， U2由关断到下一次接通时，C2快速放电，使得Q2截止，Q1控制极无触发信号，因而关断，并导致负载电路处于关断状态，交流负载回路输出瞬时功率为0。当U2接通后，通过R5、R6给C2充电，Q2工作，负载回路导通。当U1、U2都接通时，负载输出功率最大。调节PWM的占空比就能控制U2的接通时间长短，进而改变负载输出功率[9]。

3 系统软件设计

3.1 Android开发与应用

向用户开放的Android软件包括操作系统、用户界面和应用程序，以及移动电话工作所需的全部软件。这些软件被广泛应用于智能手机和平板电脑中。Android采用软件堆层的架构，主要分为以下3个部分。底层以Linux内核工作为基础，由C语言开发，只提供基本功能；中间层包括函数库Library和虚拟机Virtual Machine，由C++开发。最上层是各种应用软件，包括通话程序、短信程序等，应用软件则由各公司自行开发，以Java作为编写程序的一部分。

本系统的智能手机作为客户端连接到WiFi网络，实现数据的发送，控制负载输出功率需要安装相应的APP应用软件。接收端的WiFi采用的是HLK的RMO4模块，内核Linux-11.10版本。客户端APP软件流程图如图5所示。其工作过程是：手机作为客户端，首先创建用于连接的套接字，之后连接并向指定的接收端地址和端口服务器发起TCP连接，与指定服务器建立通信信道。接收端WiFi模块作为服务器创建套接字，并将其绑定到指定的手机地址和端口进行监听，然后等待客户端发送连接请求。当接收端服务器读取到发送来的数据后，将接收到的有效TCP数据格式转换成串口数据格式，然后通过串口传递给MCU。当服务器和客户端完成通信后，关闭套接字。

图5 应用软件流程图

3.2 手机应用软件开发

手机应用软件操作界面分为3个功能区，区域1有一个网络连接按钮，区域2有一个开关和滑动条，区域3为网络信息显示区。手机软件编程采用Java语言来完成。

4 系统测试

4.1 WiFi信道连接

当点击手机界面中区域1中的连接按钮，手机客服端就开始连接到指定的服务器。如果连接成功，在信息显示区3中显示“Client:已经连接serve.”；如果失败，该区域显示连接异常。

4.2 负载通断与功率控制

为了对系统工作情况进行检测，这里选用电灯作为负载，以电灯的发光情况为例直观地反映系统的工作情况。

① 交流回路通断控制。当点击区域2中的开关图标时，电灯被点亮，再次点击则灯灭，说明通断功能完成。

② 负载功率控制。区域2有一个功率调节滑动条，从左到右滑动时，负载输出平均功率逐渐减小。测试时，当滑动手机界面区域2上的滑动条时，等价于手机发送不同PWM占空比的指令，使MCU输出不同占空比的PWM波。当PWM波的占空比由100%变化为0时，经反相处理，电灯由最亮变成熄灭，说明负载功率控制得到实现。

5 结束语

通过硬件电路设计和软件编程，本系统实现了智能手机对负载输出功率的控制。当负载为电灯时，可以实现电灯亮度的调节；当负载为电机时，可实现电机转速的控制；当负载为供暖器时，可遥控室内温度。此外，本系统还可用于高压开关的非接触式控制，以保障工作人员的安全。由此可见，本系统具有较强的实用性，可以应用于控制家用电器、工业机械、办公楼宇、物业管理和公共场所设备的供电系统。如果将这些设备与互联网相连，还可实现对这些设备的远程控制。

[1] 朱成章.电力安全是最重要的能源安全[J].中外能源，2008，10(5):1-7.

[2] 李世杰.WiFi手机销量5亿无线技术助移动互联网爆发[EB/OL].[2013-05-15].http://www.5lian.cn/html/2012/chanye_0105/3723.html.

[3] 范润生.交流调速的功率控制原理[J].山西电子技术，2007(2): 54-56，59.

[4] 屈维谦.交流调速的功率控制[J].电气工程应用，2005(1): 39-43.

[5] 郭佑民，宏林，胡广鹏.基于功率控制的无线传感器网络能耗平衡策略[J].兰州交通大学学报：自然科学版，2011(3): 103-106.

[6] 黎宁，徐艳，谢胜利.一种802.11功率控制协议的仿真[J].华南理工大学学报：自然科学版，2004(6):5-9.

[7] 奚大顺，余小平.电子系统设计—基础篇[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[8] 张庆双.晶闸管及其应用电路精选[M].北京：机械工业出版社，2010.

[9] 李兴华.Android开发实战经典[M].北京：清华大学出版社，2012.