基于峰谷電價(jià)的智能充電器設(shè)計(jì)

舒景東，劉 龍

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

基于峰谷電價(jià)的智能充電器設(shè)計(jì)

舒景東，劉 龍

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

目前眾多充電器智能化程度不高，在手機(jī)充滿電后，靠手機(jī)內(nèi)部電路停止充電，充電器一直連接在市電上，有一定的安全隱患。本文介紹的智能充電器通過(guò)MSP430單片機(jī)控制，充電完畢斷開(kāi)充電器與市電的連接，同時(shí)考慮到谷電時(shí)段電價(jià)較低，單片機(jī)控制充電器在谷電時(shí)段接入市電對(duì)充電設(shè)備充電。為方便用戶設(shè)置智能充電器，開(kāi)發(fā)了手機(jī)APP作為客戶端，通過(guò)Wi-Fi連接智能充電器。

峰谷電價(jià)；充電器；MSP430；Wi-Fi

用電負(fù)荷主要集中在白天和晚上10點(diǎn)之前，在晚上10點(diǎn)到第二天早上8點(diǎn)這樣的時(shí)間段內(nèi)用電負(fù)荷小，為了鼓勵(lì)用戶合理轉(zhuǎn)移用電負(fù)荷，起到對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的作用，緩解用電量大時(shí)的供電壓力，提高用戶用電量低時(shí)發(fā)電設(shè)備利用率，電網(wǎng)公司采用峰谷電價(jià)政策。谷電時(shí)段內(nèi)電價(jià)低于峰電時(shí)段的電價(jià)，所以在谷電時(shí)段內(nèi)用電，用戶可以有效節(jié)省電費(fèi)。對(duì)于目前的普通充電器，用戶在谷電時(shí)間用其給手機(jī)充電時(shí)，充滿后，充電器無(wú)法自動(dòng)斷開(kāi)與市電的連接，雖然手機(jī)內(nèi)部有充電保護(hù)，但是充電器一直連接在市電上，有一定的危險(xiǎn)性，本文提出的智能充電器設(shè)計(jì)方案，可設(shè)置谷電時(shí)段，充電器可在谷電時(shí)段自動(dòng)為所接負(fù)載充電，充電完畢或者負(fù)載被拔出時(shí)可自動(dòng)斷開(kāi)與市電的連接，既利用了谷電時(shí)段的低價(jià)的電量，又防止了充電設(shè)備一直接在電源所帶來(lái)的隱患。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，本文提出的基于峰谷電價(jià)的智能充電器包括客戶端和充電器。充電器包括控制器、通信模塊、繼電器模塊、控制供電模塊、輸出供電模塊、輸出電流檢測(cè)模塊、電池、電池電量檢測(cè)模塊。

控制器通過(guò)通信模塊連接到客戶端，通信模塊為Wi-Fi模塊，繼電器的控制器端連接控制器、電能輸入端連接市電、電能輸出端連接控制供電模塊和輸出供電模塊，通過(guò)客戶端設(shè)置峰谷電時(shí)段，控制器在谷電時(shí)段接通繼電器模塊和輸出供電模塊，開(kāi)始為負(fù)載充電。

圖1 系統(tǒng)框圖

控制供電模塊包括給所述繼電器模塊、控制器、通信模塊供電的供電電路和給電池充電的充電電路。電池可在充電器未連接到市電時(shí)給所述繼電器模塊、控制器、通信模塊提供電能。輸出供電模塊連接控制器和負(fù)載，控制器可控制輸出供電模塊是否給負(fù)載充電。

電池電量檢測(cè)模塊連接到電池和控制器，檢測(cè)電池剩余電量，所得信息傳輸給控制器。輸出電流檢測(cè)模塊連接到所述輸出供電模塊和控制器，檢測(cè)是否有負(fù)載接入和是否完成對(duì)負(fù)載的充電，并將所得信息傳輸給控制器，從而控制繼電器模塊是否斷開(kāi)與市電的連接。

2 客戶端設(shè)計(jì)

手機(jī)上客戶端可以選擇本地原生APP即Native APP和Web APP，Native APP可以支持復(fù)雜的交互操作，相比Web APP可以更加有效地利用手機(jī)的各種硬件特別是傳感器，Web APP需要通過(guò)瀏覽器與用戶交互，但是具有跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，而Native APP直接運(yùn)行在手機(jī)上，性能更好。對(duì)于Native APP，目前主流手機(jī)操作系統(tǒng)為iOS和Android，iOS系統(tǒng)下APP編程語(yǔ)言為Objective-C和Swift，Android系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，APP在Java虛擬機(jī)中運(yùn)行，編程語(yǔ)言為Java和Kotlin。而Web APP發(fā)展趨勢(shì)是使用HTML5的技術(shù)實(shí)現(xiàn)其功能。本文客戶端的功能使用Native APP實(shí)現(xiàn)，架構(gòu)分為用戶界面層，用戶功能層，中間層；中間層包括核心功能層，基礎(chǔ)功能層；基礎(chǔ)功能層實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通信等功能，本設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是基礎(chǔ)功能層通過(guò)調(diào)用手機(jī)Wi-Fi模塊連接充電器，實(shí)現(xiàn)信息傳遞[1]。

3 主要硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器

目前廣泛使用在智能硬件中的處理器包括Arduino、51單片機(jī)和MSP430單片機(jī)，Arduino許多函數(shù)經(jīng)過(guò)封裝，降低了開(kāi)發(fā)難度，但是不利于根據(jù)具體情況靈活調(diào)節(jié)，51單片機(jī)提供的I/O口數(shù)目有限，處理器性能也不夠，所以本設(shè)計(jì)使用MSP430G2001-Q1單片機(jī)[2]，它是一種16位RISC的超低功耗微控制器，具有5 種節(jié)能模式，可供選擇的四種時(shí)鐘源為：高達(dá) 16MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率，內(nèi)部超低功率低頻振蕩器，32 kHz晶振，外部數(shù)字時(shí)鐘源。單片機(jī)還具備2個(gè)16位的定時(shí)器和一個(gè)可在軟件故障時(shí)復(fù)位處理器的看門(mén)狗定時(shí)器。

3.2 通信模塊

目前智能電子設(shè)備和手機(jī)之間的通信可以采用藍(lán)牙和Wi-Fi。目前藍(lán)牙已經(jīng)發(fā)展到4.1版本，增加了對(duì)于可穿戴設(shè)備的支持，具有成本低，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，而搭載Wi-Fi模塊的設(shè)備可以接入互聯(lián)網(wǎng)，即使用戶不在家，也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到智能充電器[3]。所以本設(shè)計(jì)采用Wi-Fi模塊，型號(hào)為XLW-002X，支持802.11b/g和基于AP的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備也可以直接連接本模塊，工作在2.4GHz頻段。Wi-Fi模塊具有高達(dá)24個(gè)GPIO口，全功能TCP/IP協(xié)議棧，可以設(shè)置三種Wi-Fi節(jié)能模式，且都帶有定時(shí)自動(dòng)喚醒功能，分別為基本節(jié)電模式，快速節(jié)電模式，休眠模式。在IEEE 802.11b協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下可以達(dá)到 11 Mbps的傳輸帶寬，使用IEEE 802.11g協(xié)議可以達(dá)到 54 Mbps。Wi-Fi模塊可以通過(guò)UART接口與智能充電器中的控制器通信。

3.3 繼電器模塊

繼電器模塊為常開(kāi)繼電器[4]，繼電器模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括封裝殼體5、繼電器7、設(shè)置在繼電器上的第一金屬觸點(diǎn)8、設(shè)置在繼電器上方的杠桿3、設(shè)置在杠桿下部的第二金屬觸點(diǎn)2、設(shè)置在杠桿上部的按鈕4、設(shè)置在杠桿與殼體底部之間的彈簧6，彈簧6一端連接在杠桿下部、另一端連接在殼體5底部，杠桿3通過(guò)支點(diǎn)1固定在殼體5上，第一金屬觸點(diǎn)8與第二金屬觸點(diǎn)2正對(duì)，彈簧6處于原長(zhǎng)時(shí)第一金屬觸點(diǎn)8與第二金屬觸點(diǎn)2分開(kāi)。按下按鈕4使第一金屬觸點(diǎn)8與第二金屬觸點(diǎn)2接觸從而接通，控制器也可控制繼電器7使金屬觸點(diǎn)2和金屬觸點(diǎn)8接觸，金屬觸點(diǎn)2和金屬觸點(diǎn)8接觸后，市電連接到充電器。松開(kāi)按鈕4后，如果控制器給繼電器7接通信號(hào)，則繼電器7繼續(xù)接通，否則在彈簧6彈力的作用下第一金屬觸點(diǎn)8與第二金屬觸點(diǎn)2分離，繼電器7斷開(kāi)市電輸入。

圖2 繼電器模塊結(jié)構(gòu)示意圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在使用本文所提出的充電器時(shí)，將充電器插入插座，按下充電器上的按鈕，將市電接入充電器，控制器開(kāi)始工作，采集電池電量檢測(cè)模塊信息，如果電池電量低于設(shè)定值，則控制繼電器模塊接入市電開(kāi)始對(duì)電池進(jìn)行充電，如果電池電量未低于設(shè)定值，則暫不給繼電器發(fā)送控制信號(hào)。然后采集輸出電流檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)，判斷是否有需要充電的設(shè)備，如果有，則檢測(cè)當(dāng)前時(shí)間是否在谷電時(shí)段內(nèi)，如果在，則控制繼電器接入市電同時(shí)控制輸出供電模塊開(kāi)始工作；如果不在，則不給繼電器發(fā)送控制信號(hào)，控制器和通信模塊依靠充電器內(nèi)部的電池提供的電能繼續(xù)工作，等待時(shí)間到達(dá)谷電時(shí)段，控制繼電器模塊接入市電，同時(shí)控制輸出供電模塊輸出電能給負(fù)載充電。用戶可用手機(jī)通過(guò)Wi-Fi連接充電器，在手機(jī)的APP上設(shè)置充電器的峰谷電時(shí)段。由于充電器的通信模塊為Wi-Fi模塊，可以連接到用戶家中的路由器，用戶不在家時(shí)也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接充電器來(lái)設(shè)置充電器的峰谷電時(shí)段以及讀取充電器工作狀態(tài)。同時(shí)，手機(jī)APP中還可以設(shè)置忽略峰谷時(shí)段，直接讓智能充電器工作，給電子設(shè)備充電以實(shí)現(xiàn)緊急情況下充電。

5 結(jié)論

本文提出了一種以MSP430G2001-Q1為控制芯片的智能充電器，介紹了主要硬件模塊的設(shè)計(jì)，包括控制器，通信模塊，繼電器模塊，還通過(guò)Native APP和Web APP的比較確定出本設(shè)計(jì)中客戶端采用手機(jī)上的Native APP，說(shuō)明了APP設(shè)計(jì)的基本原理，最后介紹了本智能充電器和手機(jī)APP配合工作的軟件設(shè)計(jì)。本智能充電器實(shí)現(xiàn)了利用低價(jià)的谷電時(shí)段給電子設(shè)備充電的功能，不僅對(duì)于電網(wǎng)起到了削峰填谷的作用，而且對(duì)于用戶而言，降低了用電費(fèi)用。通過(guò)控制器對(duì)于繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)了用電設(shè)備充電完畢后斷開(kāi)智能充電器與市電的連接的功能，消除了充電器一直連接市電的安全隱患，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 李濤.基于Android的智能家居APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué),2014.

[2] 俞駿豪.基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)傳智能水表的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：華北電力大學(xué),2015.

[3] 張文，鄭文，田遠(yuǎn)波.基于ARM和WIFI的家電智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作,2016(9):45-46.

[4] 馮曉.基于ARM的智能繼電器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].上海：東華大學(xué), 2010.

Design of Intelligent Charger Based on Peak-valley Price

Shu Jingdong, Liu Long

(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,WuhanHubei430072,China)

The intelligent level of the most chargers is not high, when the mobile phone is fully charged and mobile phone stops charging by the internal circuit, the charger is still connected to the mains power, which brings potential risk. The intelligent charger introduced by this paper disconnects the charger and the power after charging by means of the control of MSP430 MCU. Taking into account the low valley electricity price time, MCU controls charger to charge the charging equipment in the valley period. To make it convenient for users to set the smart charger, the paper develops the APP of mobile phone as a client, which connects with intelligent charger by Wi-Fi.

peak-valley price; charger; MSP430; Wi-Fi

2017-07-21

舒景東(1996- )，男，湖南懷化人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

1674- 4578(2017)04- 0046- 03

TM925.02

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