WIFI智能插座電路設計與原理解析 —電路圖天天讀(232)

2020-12-06 電子發燒友

WIFI智能插座電路設計與原理解析 —電路圖天天讀（232）

Ida 發表於 2015-08-26 10:30:36

　　WiFi技術在智能家居中的應用的主要優點有：WiFi智能節點可以直接連接無線路由器，從而接入Internet網;不需要家庭網關，節點可以任意擴充;不會破壞現有裝修;智慧型手機可以進行區域網控制和遠程控制。

　　當然，WiFi技術相比ZigBee和433 MHz射頻通信技術也有其缺點：功耗偏大、價格偏高。但隨著節能技術的引進和晶片工藝的改進，功耗問題和價格問題已逐步得到解決。鑑於WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智慧型手機的標準配置，基於WiFi技術的智能家居會逐步得到推廣和應用，市場前景廣闊。

　　下面重點圍繞串口WiFi模塊闡述WiFi在智能家居中的應用。

　　 串口WiFi概述

　　電腦上使用的WiFi模塊或是WiFi網卡，是需要運行在作業系統的基礎上，對主機的硬體資源要求很高，像一般的工業設備和家庭電器設備是不能直接驅動這樣的WiFi網卡的。

　　串口WiFi模塊，又稱為嵌入式WiFi模塊，是內嵌TCP/IP協議的WiFi模塊。其硬體構成主要是由內嵌的一個單片機和WiFi模塊構成，單片機要實現裸機驅動程序和TCP/IP協議，WiFi模塊則必須完成數據的無線收發。嵌入式WiFi模塊對外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通過串口或者SPI接口和單片機連接，讓設備輕鬆接入Internet網絡。

　　圖1是靈芯微電子科技（蘇州）有限公司利用公司自主智慧財產權的 WiFi晶片開發的SWM9001EU串口WiFi模塊，該模塊內部集成了TCP/IP協議棧和WiFi模塊，用戶可以輕鬆實現串口設備的無線網絡功能，節省開發時間，使產品更快地投入市場，增強競爭力。該模塊可以廣泛應用於油田、礦山、工業、智能家居以及物聯網等領域。模塊的機械尺寸為33 mm×20 mm×4.5 mm。

　　

　　圖1 SWM9001EU串口WiFi模塊

　　WiFi插座的控制原理

　　WiFi插座由串口WiFi模塊、繼電器控制電路、繼電器和輸出觸點構成，如圖2所示。


圖2：WiFi插座的構成

　　串口WiFi模塊根據接收到的控制指令控制繼電器的通斷，控制電路如圖3所示。


圖3：WiFi插座的繼電器控制電路

　　模塊收到合上指令，PC8埠輸出高電平，Q1導通，繼電器的線圈有電流流過，繼電器的觸點L_IN和觸點L_OUT吸合，插座供電給負載;

　　模塊收到斷開指令，PC8埠輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒有電流，繼電器的觸點L_IN和觸點L_OUT斷開，插座斷電。

　　主晶片HLW8012

　　HLW8012 為插座廠家和智能家居廠家提供了一個高度精確且成本低廉的電能測量解決方案。該集成晶片專為住宅用單相電能表或智能插座設計，可精確測量電流有效值IRMS 和電壓有效值VRMS、有功功率和電量。

　　HLW8012 的內部結構如圖所示。它由2 個可編程增益放大器、2 個Δ-Σ調製器、配套的高速濾波器、功率計算、功率監測、串行接口及相應功能寄存器等組成。兩個可編程放大器採集電壓和電流數據，Δ-Σ調製器對模擬量採 樣處理，濾取可用電壓、電流數位訊號，並將計算的功率值、電壓有效值和電流有效值通過脈衝指示方式對外輸出。

　　HLW8012 工作原理

　　HLW8012 的V1P 和V1N 引腳輸入電流信號波，電流通道集成一個固定增益放大器，允許的最大差分輸入信號為±43.75mV;電壓通道允許的最大輸入信號是±700mV. HLW8012 可以使用低成本的錳銅採樣電阻或電流互感器來測量電流，並使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓，其晶片的脈衝輸出頻率與有功能量成正比。

        智能插座電源功能管理

　　電源電路有兩路，一路是將交流220V 經 AC-DC 轉換成12V 電源，採用 SY50103 晶片，可以提供1A 的電流，紋波控制在100mV 以內。開關電源的優勢在於功率小、轉換效益高，同時體積也小，適合放入較小體積的插座內。

        開關電源電路圖如下圖所示：繼電器選用12V 10A 繼電器，12V 繼電器相比5V 繼電器的成本要低一些。由於主控制器和電能計量 IC 需提供5V 電源，而無線 WIFI 模塊採用是3.3V 電源供電，所以12V 電源出來之後，又分為兩路，一路使用穩壓晶片78L05，將電源降到5V，給 MCU 和 HLW8012 提供電源；另一路採用 DC-DC 晶片，將12V 轉為3.3V 給無線模塊提供電源。


智能插座電源電路

        編輯點評：本文介紹了WiFi技術在智能家居中的應用，利用 WiFi智能插座，不需要家庭網關，不需要破壞現有裝飾，就可以輕鬆實現對家用電器的智能化控制。晶片HLW8012 工作原理的解析讓讀者更能了解到智能插座的內在原理，便於自己動手實現基於WiFi技術的智能家居的構建，體驗科技帶來的便利。
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