基于共享公寓的智能電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　樊習(xí)習(xí) ¹ ，王 堯 ² ，陳銘軒 ¹ ，葛年明 ¹（1.三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京，210012；2.南京富島信息工程有限公司，江蘇南京，210000）

　　摘?要：提出一種遠(yuǎn)程監(jiān)控共享公寓智能電源的方案，采用專用單相電電量計(jì)量芯片對公寓內(nèi)各個電器進(jìn)行電量分析和計(jì)量，實(shí)時采集數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器，同時對采集到的各個電器的用電參數(shù)進(jìn)行智能化分析，判斷用電器的類型。如此，用戶不僅能從其手機(jī)APP上隨時查看公寓內(nèi)各個電器的用電信息，還能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提高了用戶的生活舒適度。

　　關(guān)鍵詞：電量監(jiān)測，無線通信，遠(yuǎn)程控制，智能照明。

　　0 引言

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的越漸發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)的研究已成為研究熱點(diǎn)。本文以當(dāng)下流行的共享公寓為研究背景，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能電源管理系統(tǒng)。與傳統(tǒng)電源管理系統(tǒng)相比，為匹配本文所設(shè)計(jì)的智能電源管理系統(tǒng)，我們設(shè)計(jì)了手機(jī)端App，用戶能通過App進(jìn)行預(yù)定房或退房服務(wù)，還能通過App遠(yuǎn)程控制房間內(nèi)電器的開關(guān)，大大提高了生活的舒適度。經(jīng)測試，本設(shè)計(jì)基本可以滿足當(dāng)下共享公寓的電源管理系統(tǒng)的需求。

　　1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的共享公寓的智能電源管理系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片，由電量檢測模塊，電源轉(zhuǎn)化模塊，WIFI通信模塊，RFID射頻識別模塊，繼電器模塊，LED調(diào)光模塊組成。系統(tǒng)方框圖如圖1所示，系統(tǒng)外接電量檢測模塊、由3.3 V穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的電能，通過RFID射頻識別模塊進(jìn)行身份識別，繼電器模塊控制220 V電源的通斷，LED調(diào)光模塊控制照明的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)。同時，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個電源管理系統(tǒng)的手機(jī)app，通過WIFI通信模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與客戶端的數(shù)據(jù)通信和指令控制。

　　2 硬件介紹

　　2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

　　本次設(shè)計(jì)的控制芯片選擇的是具有32位RISC內(nèi)核嵌入式-微控制器的STM32F103RCT6，因?yàn)槠湮⒖刂破靼S富的外圍資源，便于控制應(yīng)用，充分滿足了本系統(tǒng)的控制要求。由STM32F103RCT6構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示，包括電源管理電路，復(fù)位電路，去耦電容，晶體振蕩器電路等。

　　STM32F103RCT6最小系統(tǒng)作為核心模塊，對各個模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將處理后的數(shù)據(jù)通過WIFI模塊發(fā)送到客戶端，使用戶能實(shí)時查看?？蛻舭l(fā)送的控制指令通過WIFI模塊接收后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)識別控制指令完成相應(yīng)的模塊控制。

　　2.2 電量計(jì)量檢測模塊

　　本文設(shè)計(jì)的電量計(jì)量檢測電路采用低功耗的RN8209系列單相電能計(jì)量芯片，其內(nèi)部的電源監(jiān)視電路可確保電源接通和電源斷開期間芯片的可靠運(yùn)行。圖3給出了基于RN8209的電量計(jì)量與檢測電路，其中大互感的作用是將測量電源與工作電源給隔離開來。

　　2.3 WIFI模塊

　　WIFI通訊模塊采用ATK-ESP8266，如圖4所示，模塊內(nèi)置了TCP / IP協(xié)議，并且通過串口與微控制單元（MCU）進(jìn)行通信，用于WIFI與串口之間數(shù)據(jù)信息傳輸交流。ATK-ESP8266模塊還支持LVTTL串口，方便設(shè)備使用Internet進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。

　　在本次設(shè)計(jì)中，WIFI處于AP模式：Access Point，提供無線接入服務(wù)。通俗來說把該模塊當(dāng)作一個數(shù)據(jù)交換中心，它只是提供了無線接入服務(wù)，即我們APP與電量計(jì)量檢測電路、與RFID射頻識別模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及對LED調(diào)光模塊進(jìn)行控制。

　　2.4 RFID射頻識別模塊與 LED調(diào)光

　　共享公寓的門禁系統(tǒng)和取電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的RFID識別技術(shù)，客戶到達(dá)指定的公寓刷卡開門，插卡取電，離開后取卡斷電。本設(shè)計(jì)的LED光源采用并聯(lián)，由20個5mm高亮度低功率白光LED燈珠組成。

　　我們通過調(diào)節(jié)其的PWM波的脈沖寬度來調(diào)節(jié)LED的亮度。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)使用MDK5編譯軟件對主控芯片STM32F103RCT6微控制器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編譯調(diào)試。

　　3.1 程序流程框圖

　　程序流程圖如圖5所示，上電后，程序初始化后先檢測ESP8266 WIFI模塊連接狀態(tài)，然后等待客戶端連接，客戶端接入成功等待刷卡取電信號，獲得取電信號接通公寓電源并且開啟電量計(jì)量模塊測量電量，然后等待客戶端的開關(guān)燈和LED調(diào)光信號進(jìn)行智能燈光控制。

　　本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)使用模塊化思想進(jìn)行編寫，程序條理清晰方便調(diào)試與測試。

　　3.2 主要函數(shù)說明

　　3.2.1 設(shè)置WIFI模塊的AP的IP

　　函數(shù)中定義指針參數(shù)pApIp為AP的IP，先格式 pApIp再打印到cCmd，然后再調(diào)用里ESP8266_Cmd（）對WIFI模塊發(fā)送AT指令函數(shù)，如期待答復(fù)為”ok”則設(shè)置AP的IP成功，否側(cè)設(shè)置失敗。

程序1：

uint8_t ESP8266_CIPAP ( char * pApIp )

{

char cCmd [ 30 ];

sprintf ( cCmd, “AT+CIPAP=”%s””,

pApIp );

if ( ESP8266_Cmd ( cCmd, “OK”, 0 , TIME3 ) )

return 1;

else

return 0;

}

　　4 客戶端測試

　　上電后，打開客戶端手機(jī)APP，如圖6所示。在APP上，我們可以對公寓進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對用電器的常用數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、對LED進(jìn)行燈光控制。

　　5 結(jié)論

　　本次設(shè)計(jì)利用WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了照明電路的遠(yuǎn)程控制及亮度調(diào)節(jié)，利用計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)所有插座電量計(jì)量、電器識別以及定時開關(guān)等功能，同時完成了刷卡取電，身份識別功能。我們可以通過智能電源管理系統(tǒng)對共享公寓數(shù)據(jù)進(jìn)行更加詳細(xì)與嚴(yán)密的數(shù)據(jù)監(jiān)測，從而保障用戶的安全及舒適度。

　　該設(shè)計(jì)還存在不足，如在電量測量中，若能進(jìn)一步的校準(zhǔn)，就能更精確的識別出各種用電電器。我們也討論可以對硬件搜集收集的信息進(jìn)行匯總形成數(shù)據(jù)庫，并且通過流行的AI算法進(jìn)行對數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步提高用戶的舒適安全性。

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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第65頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。