物联网终端中开关型节点反馈控制电路架构设计与实现

綦志勇 常排排

摘要：在物联网中简单开关型节点的控制大部分均为开环控制方式，若控制失效则无法区分是信号未达还是物理故障。该文提出一种简单电路设计架构，解决控制失效的初级分类问题;并实例化设计了一个带简单反馈控制的继电器开关模块，来验证其可行性。

关键词：节点控制;闭环控制;控制失效;继电器开关

中图分类号：G642.0        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）34-0233-03

1绪论

在很多物联网多节点控制的开关型节点控制场景中，控制方法大部分均为开环控制（OLC）方式。典型的应用场景就是：蜂巢快递柜这类应用当中的快递柜开锁控制装置。当主控制器的开启控制指令发出后，如果存在控制失效的情况发生，则会很明显地发现、使用开环的开关控制方式存在两个典型缺陷：第一，主控制器发出的控制指令、是否能够启动控制开关，这对主控制器而言是无法获取的;第二，无法通过控制失效这种物理现象，区分控制失效的原因是控制信号未到达问题，还是锁或门卡住等物理问题导致。另外，这种开环控制在开关节点控制场景中，不利于物联网环境下节点之间在物理空间的信息交互;同时，也不利于当出现控制失效时，必须由人工处置的时候、需要进行的分级排查故障、以及准确对故障原因进行定位。因此，在系统设计过程当中，找到一种带有简单反馈的控制方法，在控制成本前提下、对于快速控制反馈、故障分级都起到了必要作用[1-3]。

2物联网终端控制节点开关反馈控制电路架构

本文的研究提出了一种带反馈的简单控制电路设计方法，对物联网终端开关型控制节点进行反馈控制电路设计。电路设计包含：主控制部分、独立控制驱动电路部分和受控目标三部分。这里的反馈控制设计，重点考虑配置在独立控制驱动电路部分，在简单应用场景下，独立控制驱动电路部分、一般包含控制端驱动电路，受控端反馈电路，与电子开关三个单元。控制端驱动电路的功能是：能够驱动受控目标工作，如果是继电器电路，则为继电器的控制;受控端反馈电路为：将控制效果反馈到主控部分，为了保证反馈稳定性，此处一般性考虑更多采用的隔离设计方式;电子开关部分通常为继电器电路。整个独立控制驱动电路框架图，以及与主控和受控目标的信号流向交互图、如下图所示：

在图1中反馈过程发生在独立控制驱动电路部分，而非受控目标的反馈。在独立控制驱动电路中，对电子开关的接近端，取一条可以反映其工作状况的电路，反馈其开关状态，则可以相对比较直接地获得其工作情况。但是问题也是很显著的，这种在电子开关接近端获得开关信息数据的方法，无法获取受控目标的情况，因此，这种反馈是对电子开光的工作状态进行反馈。故该反馈电路架构的优点为：主控制器可以在最短时间内确认控制信号已经传递到控制开关，并能够获取控制开关的工作状态;整体设计模块结构化清晰，便于模块化独立设计;在模块化设计过程中，便于进行模块的替换，方便硬件系统的故障处置与维护。该设计架构的缺点是：由于反馈端在独立控制驱动电路中，无法获知受控目标的具体物理环境，反馈情况仅限于独立控制驱动电路中的开关工作状态部分。如果问题出自受控目标，则反馈部分无法向主控制器提供更精确的信息。

需要看到的是，这种带反馈的独立控制驱动电路设计架构，在快递柜的柜门开关这种无须高度智能化的测控场景下，确可以得到很好的应用。一方面，独立控制驱动电路基本架构能够让主控制器直接确认指令是否已经达到被控开关前端;另一方面，独立控制驱动电路基本架构能够确认、是否为独立控制电路本身的失效而导致受控的失效;第三，系统维护工程师在对设备进行现场故障排查中，这种带反馈的独立控制驱动电路、可以让系统维护工程师立即判断是否为控制电路的故障，还是被控目标自身的问题，这在实际上是让通过带反馈的独立控制驱动电路让故障分级显性。

3以继电器节点为例设计物联网终端控制节点开关反馈控制电路

依据上一节中，独立控制驱动电路基本架构的设计思想，选取继电器节点、作为物联网终端控制节点开关反馈控制电路架构的一个实际案例，进行独立控制驱动电路架构的案例设计验证。首先，通过对开环继电器控制电路、进行半闭环设计改造，将继电器的独立控制电路设计如下：

图2中有三个部分：控制端、被控制端、控制反馈电路。其中，控制端是图中的标号Pmcu部分，控制端连接到主控制器，通常为单片机。被控制端的标号是Crl，主要连接被控目标，这里通过继电器控制一个线路的通断，起到类似于开关的效果。控制反馈电路分为控制部分和耦合反馈部分，这里的控制部分通过一个三极管Q1来进行控制;耦合反馈部分则通过ODio1光电二极管和OTri1光电三极管来进行耦合工作。通常，ODio1光电二极管和OTri1光电三极管采用光耦器件完成。这个继电器独立控制驱动电路例子的基本工作原理、通过控制信号流与反馈信号流来进行解释。控制信号流：控制信号流由控制端Pmcu端子连接的主控制部分发出，通常是由Mcu或是Mpu对Pmcu端子的2号Ctrl引脚发出“1”信号，通过3号引脚传递到电阻R1进行限流，并控制三极管Q1开启;此时电源VCC通过继电器线圈、通过ODio1发光二极管、通过三极管Q1并与地线形成回路。控制三极管开启后应当工作于开关模式，此时继电器闭合Mid引脚（被控制端的2号引脚）与被控制端Crl的1号引脚相连，实现了外控制回路的闭合状态。当控制信号流由控制端Pmcu端子连接的主控制部分对Pmcu端子的2号Ctrl引脚发出“0”信号时，通过3号引脚传递到电阻R1，并控制三极管Q1关闭;此时电源VCC电流不能通过继电器线圈和ODio1发光二极管，此时的三极管Q1无法与地线形成回路，其处于截止状态。控制三极管截止关闭后，继电器返回初始状态，Mid引脚（被控制端的2号引脚）返回与被控制端Crl的3号引脚相连，实现了外控制回路的断开状态。反馈信号流：当控制信号流发出的“1”控制信号、传递到控制三极管Q1并使得Q1开启时，电源VCC通过继电器线圈、通过ODio1发光二极管、通过三极管Q1并与地线形成回路。注意到，由于ODio1发光二极管的通过光耦合作用、开启了光电三极管OTri1，此时VCC通过光电三极管OTri1，光电三极管处于饱和导通状态;并且，VCC、OTtri1、电阻R3形成回路;注意到，此时的电阻R3上端的FeedBack线为“1”状态。控制端处理器通過获取这个“1”信号，得知控制信号已经安全交付到控制端，且实现了控制环路的闭合。反之，当控制信号流发出“0”控制信号后、传递到控制三极管Q1并使得Q1截止时，电源VCC的电流无法通过继电器线圈、则ODio1发光二极管处于截止状态、三极管Q1也处于截止状态，无法与地线形成回路。同样，由于ODio1发光二极管截止，则光耦合作用失效、导致了光电三极管OTri1截止，此时VCC不能通过光电三极管OTri1，则光电三极管处于截止状态;则电流未能通过OTtri1和电阻R3;显然，此时的电阻R3上端的FeedBack线为“0”状态。控制端处理器通过获取“0”信号，得知结束控制信号已经在控制端已经起作用，实现了控制环路的断开。因此，主控制器通过Ctrl引脚发出信号“0”，然后接收并判断FeedBack引脚信号是否为“0”来确认关闭控制的实施;反之，主控制器通过Ctrl引脚发出信号“1”，然后接收并判断FeedBack引脚信号是否为“1”来确认开启控制的实施。至此，一个完整的封闭控制环路得以形成。被控制端端子Crl的2号引脚可以组合1号引脚为常闭线路;Crl的2号引脚也可以组合3号引脚形成常开线路。