WIFI智能插座電路設(shè)計(jì)與原理解析 —電路圖天天讀（232）

　　WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)有：WiFi智能節(jié)點(diǎn)可以直接連接無(wú)線路由器，從而接入Internet網(wǎng);不需要家庭網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)可以任意擴(kuò)充;不會(huì)破壞現(xiàn)有裝修;智能手機(jī)可以進(jìn)行局域網(wǎng)控制和遠(yuǎn)程控制。

　　當(dāng)然，WiFi技術(shù)相比ZigBee和433 MHz射頻通信技術(shù)也有其缺點(diǎn)：功耗偏大、價(jià)格偏高。但隨著節(jié)能技術(shù)的引進(jìn)和芯片工藝的改進(jìn)，功耗問(wèn)題和價(jià)格問(wèn)題已逐步得到解決。鑒于WiFi模塊是筆記本、平板電腦和智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，基于WiFi技術(shù)的智能家居會(huì)逐步得到推廣和應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。

　　下面重點(diǎn)圍繞串口WiFi模塊闡述WiFi在智能家居中的應(yīng)用。

　　 串口WiFi概述

　　電腦上使用的WiFi模塊或是WiFi網(wǎng)卡，是需要運(yùn)行在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)主機(jī)的硬件資源要求很高，像一般的工業(yè)設(shè)備和家庭電器設(shè)備是不能直接驅(qū)動(dòng)這樣的WiFi網(wǎng)卡的。

　　串口WiFi模塊，又稱為嵌入式WiFi模塊，是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的WiFi模塊。其硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的一個(gè)單片機(jī)和WiFi模塊構(gòu)成，單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi模塊則必須完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。嵌入式WiFi模塊對(duì)外提供UART串口或者SPI接口，因而可以通過(guò)串口或者SPI接口和單片機(jī)連接，讓設(shè)備輕松接入Internet網(wǎng)絡(luò)。

　　圖1是靈芯微電子科技（蘇州）有限公司利用公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 WiFi芯片開(kāi)發(fā)的SWM9001EU串口WiFi模塊，該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧和WiFi模塊，用戶可以輕松實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，使產(chǎn)品更快地投入市場(chǎng)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。該模塊可以廣泛應(yīng)用于油田、礦山、工業(yè)、智能家居以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。模塊的機(jī)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(diǎn)構(gòu)成，如圖2所示。

圖2：WiFi插座的構(gòu)成

　　串口WiFi模塊根據(jù)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端口輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流流過(guò)，繼電器的觸點(diǎn)L_IN和觸點(diǎn)L_OUT吸合，插座供電給負(fù)載;

　　模塊收到斷開(kāi)指令，PC8端口輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒(méi)有電流，繼電器的觸點(diǎn)L_IN和觸點(diǎn)L_OUT斷開(kāi)，插座斷電。

　　主芯片HLW8012

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

　　HLW8012 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。它由2 個(gè)可編程增益放大器、2 個(gè)Δ-Σ調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計(jì)算、功率監(jiān)測(cè)、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組成。兩個(gè)可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，Δ-Σ調(diào)制器對(duì)模擬量采 樣處理，濾取可用電壓、電流數(shù)字信號(hào)，并將計(jì)算的功率值、電壓有效值和電流有效值通過(guò)脈沖指示方式對(duì)外輸出。

　　HLW8012 工作原理

　　HLW8012 的V1P 和V1N 引腳輸入電流信號(hào)波，電流通道集成一個(gè)固定增益放大器，允許的最大差分輸入信號(hào)為±43.75mV;電壓通道允許的最大輸入信號(hào)是±700mV. HLW8012 可以使用低成本的錳銅采樣電阻或電流互感器來(lái)測(cè)量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來(lái)測(cè)量電壓，其芯片的脈沖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(jīng) AC-DC 轉(zhuǎn)換成12V 電源，采用 SY50103 芯片，可以提供1A 的電流，紋波控制在100mV 以內(nèi)。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在于功率小、轉(zhuǎn)換效益高，同時(shí)體積也小，適合放入較小體積的插座內(nèi)。

開(kāi)關(guān)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。由于主控制器和電能計(jì)量 IC 需提供5V 電源，而無(wú)線 WIFI 模塊采用是3.3V 電源供電，所以12V 電源出來(lái)之后，又分為兩路，一路使用穩(wěn)壓芯片78L05，將電源降到5V，給 MCU 和 HLW8012 提供電源；另一路采用 DC-DC 芯片，將12V 轉(zhuǎn)為3.3V 給無(wú)線模塊提供電源。

智能插座電源電路

編輯點(diǎn)評(píng)：本文介紹了WiFi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，利用 WiFi智能插座，不需要家庭網(wǎng)關(guān)，不需要破壞現(xiàn)有裝飾，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的智能化控制。芯片HLW8012 工作原理的解析讓讀者更能了解到智能插座的內(nèi)在原理，便于自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)基于WiFi技術(shù)的智能家居的構(gòu)建，體驗(yàn)科技帶來(lái)的便利。
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