基于手机WiFi的教学楼照明远程节能控制器

杨明杰，陈键森，肖振豪

（闽南理工学院电子与电气工程学院，福建石狮 362700）

目前，教学楼和实验楼的照明用电，基本从配电箱埋设电源导线加机械开关面板的方式，对各个照明灯具进行控制，开关位置则固定在各个教室，需要到现场手动操作开关才能开启或切断照明用电，难以实现照明用电的节能管理。为此，多数采用各层设置总开关的方式，进行分层供电控制，由管理员在上下班时段到各层配电箱统一操作总开关，上班期间还需要到各个教室现场关闭照明，才能避免电力浪费。

近年来，网络通信、传感器和微控制器等技术得到发展和应用。现有的方案存在各种不足，有的需要借助协调器作为中转站[1]，有的需要单独布线组建通信网络[2]，有的需要专用的通信设备[3]，有的需要有专门的上位机或服务器来管理和控制，实施起来，成本高，系统复杂，不易普及[4-9]。因此有必要转变思路，采用更加简便的方案，在实现远程控制的前提下，尽可能减少设备投入。

设计一种基于手机wifi 的教学楼照明远程节能控制器，通过手机就能随时随地查看和远程控制教学楼各教室照明灯具的工作状态。远程节能控制器控制每个教室的照明供电并连接到公共wifi 网络，管理员使用手机上的教室用电管理App 通过公共wifi，实现远程查看和控制，无需增加通信设备和上位机。这种远程节能控制器，对一定功率照明灯具的工作电流有足够的分断能力，能够实时检测电流大小；具有wifi 通信功能，能够接收来自客户端手机的教室用电管理App 传来的照明灯具通断指令，并将电流数据信息实时发送到客户端手机App；客户端手机教室用电管理App，能够接收远程节能控制器发来的电流数据，以此判断并显示当前远程控制器所接照明灯具的工作状态，管理员在显示界面上点按虚拟开关，能够通过wifi 网络发出用照明灯具通断指令到远程节能控制器。

1 远程节能控制器的结构

远程节能控制器的结构如图1。STM32 单片机通过UART 串行接口，与WiFi 通信模块交互数据，实现WiFi 网络的接入，从而能够访问巴法云平台，进而查询并获得来自巴法云平台的控制指令，并且通过I/O 端口所接的过零触发电路驱动双向可控硅，控制照明灯具与市电通断；此外，照明灯具的工作电流通过电流检测电路的霍尔传感器感应电流转为电压信号，再经初步滤波和调理转换成0～3 V的电压信号后，由STM32 单片机的12 位ADC 端口进行读取和数字滤波处理，从而获得照明灯具工作电流的有效值，并由此判断照明灯具的当前工作状态，并将该状态通过WiFi 网络发送至巴法云端。其中，STM32 单片机采用型号为STM32F103C8T6的32 位高速微处理器，工作频率为72 MHz，内置1MB 的flash 存储器。WiFi 通信模块型号为ESP-01S，是安信可（Ai-Thinker）科技有限公司开发的一系列基于乐鑫ESP8266EX 的低功耗UART-WiFi 芯片ESP8266 系列模组，可以方便地进行二次开发，接入云端服务，实现手机3/4G 的全球随时随地控制。

图1 远程节能控制器的结构图

2 巴法云物联网平台的数据交互原理

巴法云物联网平台作为物联网服务器，将前后端分离，能够实现高性能的异步并发，从而确保低功耗下数据的完整性。该平台支持多种模式的数据交互，采用规范协议，兼容各种平台的服务。同时，为了保证物联网设备数据在低带宽、不可靠的网络中传输有效的数据，该平台采用精简的、轻量级的TCP 创客云HTTP 协议和交互语言，将云服务器与手机APP 客户端结合，实现远程节能控制器—云服务器—手机终端APP，三位一体的物联网实时监控系统，有效解决了教学楼分散的照明灯具的工作状态，能够由管理员随时随地查看和集中控制的问题。巴法云物联网平台的数据交互原理框如图2。

图2 巴法云物联网平台的数据交互原理框图

为实现手机终端能够向远程节能控制器发送控制命令，首先，在巴法云控制台创建主题1 的名称topic1；其次，在单片机例程中的设置好WiFi 名称，WiFi 密码，用户私钥UID，TCP 创客云端口号，主题1的名称topic1等信息，编译代码下载到单片机即可实现单片机订阅主题1；最后，使用手机app、控制台、小程序等往主题1 发布消息1，由于节能控制器的STM单片机订阅了主题1，就可以收到手机终端发布的控制命令消息1，从而执行相应的动作，如驱动可控硅使照明灯具通电。

为实现手机随时随地远程查看照明灯具的工作状态，首先，在巴法云物联网平台创建主题2；其次，在单片机例程中设置好WiFi 名称，WiFi 密码，用户私钥UID，TCP 创客云端口号，主题2 的名称topic2 等信息，编译代码下载到单片机运行，单片机根据采集的电流检测数据，从而判别照明灯具的工作状态，并将状态数据通过WiFi 网络，发送到云平台，即可实现发布消息2；最后，用户使用手机app、控制台、小程序等订阅主题2，即可实现照明灯具工作状态的数据采集和远程显示。其中，用户私钥UID 和TCP 创客云端口号，是通过在巴法云物联网平台用邮箱注册开发者账号后分配得到的。

3 电流隔离检测电路

电流检测电路如图3，流经照明灯具的一次侧交流电流IP，由基于霍尔效应的电流传感器集成电路ACS712 通过隔离检测转换后，得到模拟输出电压信号Vout，且Vout与被测IP呈线性关系，再经过由RF和Cout组成的隔直通交滤波电路，AMP、R1、R2和R3组成的同相比例放大电路，以及由VD1和C1组成的峰值检测电路，输出与IP的峰值成线性关系的电压信号uIP，送至STM32 单片机进行AD 采样、识别和换算。

图3 电流检测电路

被测电流经一次侧IP+到IP-的低阻值、低噪声铜导电检测通路（从引脚1 和2 流入，引脚3 和4 流出，该铜导体的截面能够承受高达5 倍的过电流），与ACS712 内部的霍尔测量电路之间，即导电通路的端口与信号引脚（引脚5～8）之间具有2.1 kV有效值的高压电气隔离。因此可以直接用于需要电隔离的场合，而不需要光耦隔离器或其他隔离措施。器件的输出为正斜率（＞VIOUT（Q）），理想情况下，对阶跃输入电流，具有5 μs 的输出响应时间，80 kHz 的带宽。在25 ℃环境温度下，总输出误差为1.5%，内在输入电阻典型阻值为1.2 mΩ，功率损耗小。由5 V单电源供电，具有66～185 mV/A 的输出灵敏度。

ACS712 内部由一个精确的低偏置线性霍尔电路组成，被测电流经过内部铜导体产生的电磁场，由低偏置、斩波自稳零的BiCMOS 霍尔集成电路转换为成比例的电压，且通过对霍尔传感器做了近场电磁信号精度的优化，芯片封装后经过编程调整以确保精度，具有极稳定的输出偏置电压，几乎没有磁滞效应。因此，输出电压与输入交直流电成良好的线性关系。

CF为噪声滤波电容，根据干扰和有效信号的频率分布，确定参数CF。

4 过零触发驱动控制电路

过零触发驱动控制电路如图4，由STM32单片机输出的控制逻辑信号uc，经限流电阻Rlim后，通过MOC3061 集成电路，驱动双向可控硅BT139-600 控制照明灯具lamp 的通断。该过零触发驱动控制电路，不受电网电压波动和波形畸变的影响，电磁兼容性好，无高频噪声，可靠耐用。

图4 驱动控制电路

其中，VD2 为输入端防反接保护二极管，RT为MOC3061 的输出端限流电阻，由负载交流电压的峰值VP≈310 V和MOC3061 输出端允许的通态浪涌电流ITSM=1 A的比值确定，取RT=330 Ω，如式（1）：

此外，为了防止MOC3061 输出端关断时尖峰漏电流IDRM=330 nA 对BT139-600 门极的误触发，需要在门控端并联RG=300 Ω 加以泄放，从而提高抗干扰能力。电阻Rab=39 Ω 和电容Cab=0.01 μF 构成双向可控硅BT139的浪涌电压吸收电路。

MOC3061是一种过零触发三端双向可控硅的集成驱动电路，通过光电耦合实现隔离控制，隔离电压高达有效值5.3 kV，峰值阻断电压600 V，输出端由具有过零检测功能的光控双向可控硅组成，常用于交流电子开关。其输入端的额定驱动电流IF=20 mA，额定正向导通压降VF=1.2 V，因此限流电阻Rlim的计算表达式为：

BT139-600 是四象限触发的三端双向可控硅，双向瞬态和阻断的电压高达600 V，通态电流有效值为16 A，通态压降为1.2 V@20 A。在阻断电压为12～400 V，触发电流为0.1 A 时，门极触发电压为0.25～1.5 V。可用于电机控制、工业和家庭照明、加热和静态开关。

为了对IP和Vout的实验数据进行线性拟合，获得电流检测电路的非线性误差，采用最小二乘法求解一元线性回归方程，设拟合的直线方程为式（3），根据最小方差原理，使样本数据与直线之间的距离最小，可得直线方程的参数a、b的计算表达式分别为式（4）、式（5）：

其中：

式中：xi、yi（i=1,…,11）分别为Vout和IP的11 组样本测试值分别为xi和yi的平均值。

非线性误差指的是，输出电压正比于一次电流在满量程时的偏差程度。由于ACS712 输出的非线性主要由输入电流在满量程时的磁通饱所致。因此，基于一元线性回归方程，和实验数据，计算电流测量的非线性误差elin的计算表达式为：

式中：Vout_full为满量程时的输出；yfull为拟合直线满量程时的理论值。

5 控制程序和手机APP的设计

STM32 单片机采用keil Uvision5 MDK 软件调试程序，程序设计流程图如图5。

图5 STM32单片机程序设计流程图

首先上电初始化电流采样定时器及其中断，设置电流采样周期为Ts，并通过引脚驱动过零触发电路关闭照明灯具回路，接着STM32 单片机通过内置ADC 采样电流检测电路的输出电压信号uIP，并换算为与之呈线性关系的一次侧峰值电流IP=a·uIP+b，进而判别照明灯具的工作状态，以及IP是否超过允许的最大电流IPMax。若过电流则立即关断灯具的电流回路，否则将IP电流值数据，通过WiFi 通信模块以发布消息2 的方式实时上传至巴法云物联网平台的主题2，供用户通过手机终端订阅查看。

另外，以订阅巴法云物联网平台的主题1的方式实时接收来自用户手机终端发布消息1的控制指令，进而通过引脚对应控制过零触发驱动电路，改变照明灯具的通断状态。

手机终端APP 的制作工具采用Google App Inventor。首先，设计客户端的界面，以拖放图形代码块的形式添加所需要的组件，为组件添加属性，再进行逻辑设计，包含：连接巴法云的接口、屏幕初始化、为开关添加逻辑功能等。最后，只要将手机与电脑连接，就可以安装手机终端APP。

6 实验验证

首先，为了确定霍尔集成电路输出电压信号Vout与检测电流IP之间的线性关系，在供电电压VCC=5V，环境温度25 ℃，CF=1 nF 时，用数字直流电源和可调功率电阻串联构成电流回路，以此提供被检测直流电流IP，且IP从-5 A 逐渐调整到5 A，每隔1 A 用数字万用表测量一次霍尔集成电路的输出电压信号Vout，测量数据见表1，11 个测试点采用式（3）～（5）最小二乘法拟合为一条直线如图6，并依据非线性误差表达式（6）计算得到非线性度约为0.57%。

表1 Vout与IP的实验测试数据

图6 输出电压与检测电流的线性关系

其次，为了获得电流检测电路的带宽，需要测量阶跃响应输出的上升时间，进而计算带宽。上升时间tr是指传感器的阶跃响应波形从稳定值的10%上升到90%所经历的时间间隔，tr主要受到器件的接地涡流损耗所致。据此，在一次侧电流IP从0 A 阶跃到5 A 时，测量得到ACS712 的阶跃响应输出Vout从2.51V阶跃到3.46 V，上升时间为6 μs，如图7。则该电流检测电路的带宽f(-3 dB)=0.35/tr≈58.3 kHz。由于照明灯具的供电为交流50 Hz，因此可以满足照明灯具10次以下谐波电流的准确测量。

图7 ACS712的阶跃响应波形

7 结语

首先，介绍了STM32 单片机结合WiFi 通信模块访问巴法云物联网平台，实现控制指令和电流数据的实时传输，以及对照明灯具回路的电流检测与过零触发驱动控制的设计方案；详细阐述了巴法云物联网平台的数据交互原理。其次，为准确测量照明灯具的工作电流设计了电流隔离检测电路；为实现无高频噪声可靠控制照明灯具的通断，设计了过零触发驱动控制电路；介绍了单片机的控制程序设计流程图，以及采用Google App Inventor 设计的手机终端APP 界面、物联网接口和控制逻辑。最后，通过实验测量了电流检测电路的输入输出数据，采用最小二乘法拟合直线的方法，获得了测量电流的非线性误差约为0.57%；同时，测量了阶跃响应输出的上升时间，获得电流检测电路的带宽约为58.3 kHz；由此验证了远程节能控制器能够满足对10 次以下谐波电流的准确测量。