李世彬，桂將來

（1.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000；2.費(fèi)德自動化技術(shù)（重慶）有限公司，重慶 401333）

引言

近年來,基于Internet 的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)，這使得Internet 技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展和進(jìn)步，大量生產(chǎn)生活電器的出現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活品質(zhì)的提升提供了可靠的支撐，但是，由于使用和維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的電氣火災(zāi)時有發(fā)生，造成了人身和財產(chǎn)的損失，特別是隨著人口老齡化程度的不斷加劇，老年人在使用家用電器時經(jīng)常會在離開時忘記關(guān)電源，或者在使用過程中發(fā)生了故障時不能及時關(guān)斷電源，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，造成生命、財產(chǎn)安全的巨大損失。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越普遍和便利。通過手機(jī)微信小程序?qū)嗦菲鬟M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以在發(fā)生電器故障時及時關(guān)閉斷路器，減小和避免處置不及時導(dǎo)致的生命財產(chǎn)損失。通過手機(jī)APP 對遠(yuǎn)程的配電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，極大地提升了對遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理的便捷性。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)和移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的設(shè)備控制和管理將變得更加快捷、高效和實(shí)時，用戶可以通過APP 對用電設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時關(guān)閉閑置設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排?；诰W(wǎng)絡(luò)化對設(shè)備進(jìn)行集中管理，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確把握能源需求，為能源生產(chǎn)部門和能源供給部門提供真實(shí)的消費(fèi)市場數(shù)據(jù)，減少能源浪費(fèi)，改善生態(tài)環(huán)境和居住環(huán)境。

1 斷路器遠(yuǎn)程模塊設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

國內(nèi)低壓電器網(wǎng)絡(luò)化研究起步較晚，目前還沒有比較成型的解決方案和成熟的技術(shù)成果[2]。在智能斷路器研發(fā)與應(yīng)用方面，由于整體水平較低，需要不斷研發(fā)新的技術(shù)，并借鑒國外的相關(guān)技術(shù)，對已有的技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)和提高[3]。

斷路器遠(yuǎn)程控制模塊是基于220 V 低壓斷路器設(shè)計開發(fā)的獨(dú)立模塊，與目前現(xiàn)有市場上的主流低壓斷路器的外觀尺寸保持一致，具有很好的兼容性，安裝和拆卸都非常方便。該裝置內(nèi)置無線通信模塊、舵機(jī)和DC 5 V 電源。無線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)與手機(jī)和Web 網(wǎng)絡(luò)的通信，舵機(jī)用于執(zhí)行斷路器的開關(guān)，DC 5 V電源用于為舵機(jī)和無線通信模塊提供電源。該裝置在AC 220 V 的控制系統(tǒng)中可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控功能提高設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理效率，通過通信模塊可以與其他現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，組成網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)，降低使用和管理成本。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

斷路器遠(yuǎn)程控制模塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1 和下頁圖2 所示，三個客戶端分別是APP、ESP01、HTML 通過連接同一服務(wù)器進(jìn)行信息通訊，每個設(shè)備都能發(fā)布和訂閱消息，通過消息代理進(jìn)行查找，并且推送消息到已經(jīng)訂閱主題的客戶端實(shí)現(xiàn)控制。

2 遠(yuǎn)程通信方案

我國低壓斷路器在網(wǎng)絡(luò)化性能上與國際同類產(chǎn)品相比，差距較大。國內(nèi)對低壓電器的研究主要集中在設(shè)備的在線檢測、新的信號采集處理方法和機(jī)理研究、電器裝置的研究、智能電器設(shè)備的可靠性研究、通信的實(shí)現(xiàn)方法等方面[4-5]。遠(yuǎn)程控制在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用，開發(fā)的設(shè)備需要具有成本低、體積小、性能高、安全性好、功能齊全和處理效率高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

本設(shè)計方案將基本電子產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，通過MQTT 協(xié)議實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制，并向Web、APP發(fā)送實(shí)時記錄，通過手機(jī)、網(wǎng)頁就可以實(shí)時觀測到數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)控制、定時和語音觸發(fā)。模塊主要由舵機(jī)（MG995R）、遠(yuǎn)程WiFi 模塊（ESP01）和上位機(jī)（網(wǎng)站、安卓軟件）三部分組成。通信采用ESP01 遠(yuǎn)程WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，該模塊可使用Arduino 進(jìn)行程序設(shè)計，上位機(jī)APP 采用易語言的框架編寫程序，所使用軟件為E4A，Web 采用H5 進(jìn)行頁面設(shè)計，所使用軟件為HBuilderX，開發(fā)的程序具有良好的應(yīng)用性、拓展性和可移植性，系統(tǒng)后臺處理方案，可以應(yīng)用于很多不同場合。

2.1 軟件設(shè)計思路

通過HTML、E4a 進(jìn)行控制Arduino 動作，同時返回控制的狀態(tài)，包括設(shè)備關(guān)斷成功或者設(shè)備關(guān)斷失敗等信息。為實(shí)現(xiàn)手機(jī)端微信小程序和Web 對斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，采用Arduino 軟件對ESP01 通信模塊進(jìn)行開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對手機(jī)微信小程序和Web 網(wǎng)頁的遠(yuǎn)程通信。網(wǎng)頁設(shè)計軟件和APP 設(shè)計軟件分別實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)頁通信界面和APP 通信界面的設(shè)計，并完成控制程序的開發(fā)。

實(shí)現(xiàn)與APP 和Web 網(wǎng)頁的通信時需要接收來自APP 和Web 端發(fā)出的控制信號，在信號接收后根據(jù)程序指令信息對設(shè)備進(jìn)行控制，并反饋設(shè)備狀態(tài)，如果信號接收失敗，將反饋信號給APP 和Web 網(wǎng)頁端，以提示信號發(fā)送狀態(tài)。

2.2 通信端口程序配置

2.2.1 APP 與ESP01 通信程序配置如下

3 調(diào)試

3.1 Web 端通信調(diào)試

1）連接服務(wù)器。連接MQTT 服務(wù)器，點(diǎn)擊連接服務(wù)器按鈕發(fā)送連接請求，連接完成之后控制臺顯示“服務(wù)器連接成功”，此時說明Web 界面已經(jīng)連接上MQTT 服務(wù)器。

2）連接設(shè)備。當(dāng)連接上服務(wù)器之后點(diǎn)擊設(shè)備連接按鈕，Web 向Arduino 發(fā)送連接請求并等待Arduino返回連接成功信號。當(dāng)連接成功后，連接設(shè)備按鈕背景顏色變?yōu)榧t色，字體顯示為“設(shè)備已連接”字樣，設(shè)備上線數(shù)量顯示為1，“未連接”字樣變?yōu)椤耙堰B接”。斷開設(shè)備以及關(guān)閉設(shè)備后，按鈕背景顏色為綠色，操作狀態(tài)變?yōu)椤翱刹僮鳌薄?/p>

3）關(guān)閉設(shè)備。按下關(guān)閉設(shè)備按鈕，Web 給Arduino發(fā)送關(guān)閉設(shè)備請求，當(dāng)Arduino 關(guān)閉設(shè)備完成時，返回給web 設(shè)備關(guān)閉完成信號。

4）關(guān)閉設(shè)備失敗。當(dāng)按下關(guān)閉設(shè)備按鈕5 s 后還沒接收到Arduino 返回的設(shè)備關(guān)閉完成信號，這時Web 端將會進(jìn)行關(guān)閉設(shè)備錯誤提示。

5）關(guān)閉所有設(shè)備。按下關(guān)閉所有設(shè)備按鈕將會關(guān)閉所有在線的設(shè)備。

3.2 APP 端通信調(diào)試

1）連接服務(wù)器。首先連接MQTT 服務(wù)器，點(diǎn)擊連接服務(wù)器按鈕發(fā)送連接請求，連接完成之后在APP下方提示“連接成功”說明APP 已經(jīng)連接上了MQTT服務(wù)器。

2）關(guān)閉設(shè)備。按下設(shè)備關(guān)斷按鈕，APP 給Arduino發(fā)送關(guān)閉設(shè)備請求，并在APP 下方提示“關(guān)閉設(shè)備中”，當(dāng)Arduino 關(guān)閉設(shè)備完成時，返回給APP 設(shè)備關(guān)閉完成信號，這時設(shè)備關(guān)閉完成。

3）語音控制關(guān)閉設(shè)備。按下語音控制按鈕，將會有一個小話筒出現(xiàn)在屏幕中央，語音控制口令為“關(guān)閉設(shè)備”，其他口令都視為無效口令。

4）定時控制關(guān)閉設(shè)備。設(shè)定設(shè)備的運(yùn)行時間，運(yùn)行時間達(dá)到設(shè)定時間時，設(shè)備自動關(guān)斷。

4 結(jié)語

經(jīng)過測試，本文設(shè)計的斷路器遠(yuǎn)程控制模塊能與斷路器進(jìn)行良好的配合，安裝在35 mm 導(dǎo)軌上，配合家用220 V 斷路器正常使用。手機(jī)通過APP 小程序可以發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程控制，斷路器關(guān)斷響應(yīng)快且可靠，舵機(jī)在關(guān)斷過程中未出現(xiàn)任何故障。利用Web 網(wǎng)頁端發(fā)出控制信號控制斷路器遠(yuǎn)程開關(guān)時，斷路器能正常關(guān)斷，且能實(shí)時反饋斷路器的狀態(tài)，信息顯示及反饋響應(yīng)正常。