基于单片机的智能楼宇远程电源管理系统设计

2020-04-16胡徐胜夏兴国吴静妹

唐山师范学院学报 2020年6期

刘娟，胡徐胜，夏兴国，吴静妹

（1. 马鞍山职业技术学院电气工程系，安徽马鞍山 243030；2. 皖江工学院马鞍山市无线传感网与智能感知工程技术研究中心，安徽马鞍山 243031）

1 引言

随着智能楼宇相关技术的飞速发展，智能楼宇的规模越来越庞大，智能化、自动化程度也日趋提升，智能楼宇的能耗问题成为备受关注的一个问题。为适应新形势下智能楼宇的能耗管理，开发一套电源远程管理系统是很必要的。2015 年，袁智等研发出对视频图像的采集与现场状态监控远程电源控制系统[1]。2017 年，徐涛等提出“远程网络电源管理系统平台”方案，主要由前端电源管理单元、后台服务平台和客户端构成[2]。2018年任宏等提出了基于TCP/IP 协议的远程电源网络监控系统[3]。远程电源管理系统能充分利用任何PC 或手机等终端远程控制异地电源[4]。

2 总体设计

本文设计的智能楼宇远程电源管理系统的主要构成部分包括MSP430G2211 控制系统模块、控制信号隔离模块MSP430G2553、以太网控制器等[5]。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 系统总体设计框图

作为大功率电源开关的核心器件，大功率继电器的选型对整个系统的可靠性和性能都起着至关重要的作用[6]。选用厦门宏发电声生产的HF115-1ZS1 型大功率继电器。

3 方案与实现

为了保证系统安全，在继电器控制模块中增加电流峰值吸收电路和保险管。另外，控制信号全部经过一片TLP521-4 芯片进行电器隔离，将强电弱电完全分离[7]，确保控制安全。

3.1 硬件总体设计方案

单片机最主要的功能就是能够进行智能控制。考虑到MSP430G2型号的MCU内部没有集成以太网控制器，在进行充分的需求分析后，结合本设计实际情况，采用外接嵌入式以太网控制器ENC28J60 实现网络的接入，二者通过SPI 通信协议通信。以太网接口如图2 所示。

图2 MCU 与ENC28J60 组成以太网接口

选取0.96 寸OLED 屏幕用于显示当前网络状态和电源工作状态。虽然编程方面较LED 数码管繁琐，但可提供更加友好的界面，也便于维护[8]。

3.2 继电器控制模块

图3 使用一种最常用的继电器控制电路，同时为了保证系统安全，增加电流峰值吸收电路和保险管。

图3 继电器控制模块电路

以ULN2003 为核心的继电器驱动电路可以省略掉续流二极管，如图4 所示。为了降低模块之间的干扰，将经过光耦隔离出来的单片机控制信号进行功率放大和电平转换[9]。在继电器驱动中，R13 和C1 用于吸收在继电器切换瞬间的电流尖峰，以降低尖峰电流对单片机系统造成的干扰[10]。

图4 继电器驱动电路

为提高单片机及其外围电路的抗干扰能力，避免控制模块对单片机信号造成影响，在控制模块和单片机之间添加TLP251-4 光电耦合器进行隔离，如图5 所示。

图5 控制信号隔离模块

图6 系统主程序设计流程图

3.3 系统的程序及流程图

主函数模块主要完成全局变量定义，对I/O 模块、串口、OLED 屏幕、内部SPI 模块、ENC28J 60 等功能模块的初始化等工作。具体的主程序框图如6 所示。

4 仿真与实现

TCP 应用的服务器流程如图7。

MSP430G2553 作为网页服务器的程序可根据该流程编写。

图7 建立TCP 应用流程

系统上电后，电源默认状态为断开，各模块初始化，屏幕显示“Welcome”时表示初始化完成。屏幕显示“Network Ok”时则表示局域网连接正常，等待用户登陆网页服务器发送命令，控制电源通断状态。若屏幕显示“Network Error”则需要检查网络连接。当服务器开始监听连接时，可以通过手机APP 软件、PC 机客户端软件或浏览器向服务器发送连接请求，并等待服务器作出响应。进行网络电源控制测试实验。

具体得到的数据如表1 所示。