项目分享| 无线智能大功率开关

工业 4.0被“念叨”了很长时间，那么工业4.0有没有标准？有，那就是关于智能设备之间的通信，设备将通过监测自身状态信息，并通过大数据和 AI 技术智能预测故障，使设备具有自我维护能力。例如本项目具有智能电流监控功能的无线开关，就可以很容易地集成到现有设备中，将设备中的电流信息使用大数据和人工智能高精度地监测故障。

超酷的无线智能开关（CoolSWITCH），专为工业 4.0 标准、智能家居等应用设计，可以进行无线控制，电流监测，PWM 调制，软启动等安全功能。

CoolSWITCH 工作图

CoolSWITCH 通过传感器监测负载的实时电流，然后通过 HTTP 协议发布到上位机。上位机在建立一个数据库，通过 Grafana 软件实现数据可视化。感兴趣的可以在“达尔闻说”微信回复：大功率开关，获取硬件原理图、软件代码等相关资料。

这个大功率开关可以实现：

电压范围：12-300 VDC，87-230 VAC

电流范围：0-50 A（DC / AC）

高效率-低导通电阻（可与机械继电器相比）

可靠性-无活动部件

（真正）无线操作-唯一连接是电源和负载

内置模块化电源-12V （模块化）用于栅极驱动，而 3.3V 用于逻辑

安全-自动故障检测（过电流），在连接/ HB 丢失的情况下自动关闭

速度/功率控制（PWM）

软硬件…

这个项目用到的硬件：

1. 英飞凌 CoolMOS C7 Gold SJ MOS 管
2. 英飞凌 TLI 4970 电流传感器 
3. 英飞凌 EiceDRIVER 1EDI 栅极驱动器 
4. 自制 PCB 板 
5. ESP8266 ESP-12E  
6. 电容 100 µF  电阻 1k 欧姆

在器件选型的时候，发现 Infineon 的 600 V CoolMOS™ C7 Gold MOSFET-s 的低 Rds，可以实现高效率，十分适合用于制造这种开关。

电源和主板上的其他模块

本项目具有一个 HTTP 接口，可通过 MQTT 协议进行传感器数据通信，达到智能无线开关的功能。

这个项目中使用的软件：

• Kicad、MQTT、Arduino IDE、手工工具、烙铁热熔枪

交直流开关电路设计…

若要做一个能够控制直流负载和交流负载的开关，电路中需要两个 mos 管。因为使用直流电源时，用一个 mos 管，mos 管的源极接 DC-，漏极接 DC+，则 当 Vgs>Vth 时，mos 管导通；Vgs=0,mos 管截止。但若加交流电在一个 mos 管 时，只有交流信号的正半轴可以控制 mos 管，在交流信号的负半轴时电流将通 过晶体管的体二极管，而与所加的栅极电压无关。为了解决这个问题，可以通过 Q1,Q2 的 源极相连接，如下图。

这样的话，只要当 Vgs>Vth 时，Q1 和 Q2 都将导通，当交流电在正半轴时 电流从上至下流，当交流电在负半轴时，电流从下至上流。

对于 DC 负载，Q2 是可选的。当存在 Q2 时，两个场效应晶体管可以并联 使用(通过连接场效应晶体管的漏极)。这将允许更大的负载，也可以防止过热。

门驱动电路设计…

驱动场效应晶体管，需要晶体管的栅源电压>阈值电压 Vth 的电压。CoolMOS 的 Vth 为 4V (m ax)。为了更高的效率，可以使栅极电压＞10V。

为了驱动场效应晶体管，可以使用专用的栅极驱动芯片。如英飞凌 EiceDRIVER 1EDI ，驱动电路如下设计：

输入端采用 3.1- 17V 电源和一对输入信号(输入+/-)。输出采用 10-35V 电源， 并产生输出+和输出-信号来驱动栅极。为了驱动场效应晶体管，可以使用以下设 置:在输入端使用 3.3V 逻辑信号。输入端与 GND 相连，而输入端+将控制开关的 状态:3.3V =开，0V =关。输出端采用 12V 电源。输出+和输出-通过 R3 和 R1 电阻 连接到场效应晶体管的栅极。R3 用于设置栅极充电电流，而 R1 用于设置栅极放 电电流。

数据通信电路…

本项目中使用的微控制器将是 ESP8266，无需多介绍了，项目中使用的是 ESP-12-E 模块: 

ESP-12-E 模块在电路中的连接如下:

还增加了一些引脚头，用于直接控制和编程: 

电流测量部分…

对于工业设备来说，可靠性非常重要，时刻监测传感器数据有助于提前检测故障。无线开关将包括一个电流传感器，来连续测量负载电流。提供此功能的传感器是英飞凌 TLI4970 电流传感器。

TLI4970 电流传感器通过 SPI 接口向 ESP8266 提供数据，当前数据将向中央数据库广播信息。那么 AI 就可以用来检测异常。电流过大时，设备可以自动关闭。传感器与负载连接在电路中，如下所示：

电源部分…

该项目需要两个电压：12V 用在电源侧用于驱动栅极驱动器，3.3V 用于逻辑 端。12V 将由模块化电源产生。因为该开关将能够在很宽的输入电压范围内 （15-300V DC，87-230 VAC）工作。每个模块将在特定的交流或/和直流电压范 围内工作。3.3V 电源将由 12V 使用 XP 电源 IE1203S 绝缘电源模块产生。

软件部分…

CoolSWITCH 使用 ESP-12E 作为主控，编译环境为：Arduino 代码部分分为：CoolSwitch，CoolSwitchCurrentSensor，CoolSwitchHTTP， CoolSwitchMQTT 部分。代码可在“达尔闻说”微信回复：大功率开关，获取。

CoolSwitch 是最重要的组成部分。它包含了状态机控制，可以通过传感器数 据和 HTTP 接口输入控制开关的两个 mos 管。状态机的状态有：0-OFF，1-ON， 2-SOFT_START，3-SOFT_STOP，4-OVER_CURRENT。

CoolSwitchConfig 包含从 ESP-12E 闪存中保存和加载属性(如 Wifi 设置)的代码。

CoolSwitchCurrentSensor 处理的电流传感器与主控之间的通信。底层使用的是英飞凌的 TLI4970 库。

CoolSwitchHTTP 中包含了 HTTP / REST 接口的实现：

/ -根端点，返回带有设备名称的问候消息 

/turnOn -打开开关 

/turnOff -关闭开关 

/state - 返 回 开 关 的 当 前 状 态 （ 0-OFF ， 1- ON ， 2-SOFT_START ， 3-SOFT_STOP，4-OVER_CURRENT） 

/current -返回 TLI4970 测量的电流

/reboot -重新启动 ESP-12E 

/factoryReset -清除保存在闪存中的设置并重启设备

CoolSwitchMQTT 负责通过 MQTT 协议发布数据。当前，发布了两个数据供稿：

CoolSWITCH-XXXXXXX/state -开关的当前状态

CoolSWITCH-XXXXXXX/current -TLI4970 测量的电流消耗

本项目还为 CoolSWITCH 编写了一个小的 Pyhton 客户端（HTTP）。具体细节看代码。

第一次启动：配置设备名称、WiFi 

每一个 CoolSWITCH 都有设备地址，也就是 ESP-12E 的 mac 地址。

当第一次程序烧录时，ESP-12Eflash 中没有相关配置，所以无法连接到 WiFi 网络。为了能够配置 CoolSWITCH，CoolSWITCH 创建自己的网络，设备名称就 是网络的 SSID。连接到该 Wifi 网络后，CoolSWITCH 的 HTTP 接口应该在 192.168.4.1 IP 地址下可用。使用/setValue 端点，可以将 CoolSWITCH 配置为连 接到我们首选的 Wifi 网络。要做到这一点，需要设置 wifiSSID 和 wifiPassword 属性。CoolSWITCH 再连接到已配置的 Wifi 网络。通常，它会从 DHCP 服务器接 收一个 IP 地址。HTTP 接口将在此 IP 地址下可用。

大数据和数据可视化…

CoolSWITCH 在 MQTT 协议或者 HTTP 接口上接收或发布的数据可以用作数 据处理，将这些数据保存成数据库，实现数据可视化，数据分析。下面是 Coolswitch 收集到的数据：

显示从 CoolSWITCH 设备收集的状态和当前数据

这些数据可以很简洁地，实时地通过仪表盘显示。Coolswitch(一个实例+4 个仿真)可在 Smashing 仪表板显示：

Coolswitch控制照明实例：

项目来源：hackster.io

制作者：Attila Tőkés

编译：风吹麦浪