Pagrindinis įterptųjų sieninių jungiklių ir lizdų grandinės valdymo principas

Įterptieji sieniniai jungikliai ir lizdai yra pagrindiniai išmaniųjų namų ir elektros valdymo komponentai. Mechaninė konstrukcija, elektroninio valdymo technologija ir saugos apsaugos technologija yra integruotos į grandinės dizainą. Šiame darbe pagrindiniai grandinės topologijos, valdymo logikos ir saugos mechanizmų principai analizuojami iš trijų dimensijų.

 

 

Įterptųjų sieninių jungiklių lizdai yra grandinės suprojektuoti pagal trijų{0}}pakopų maitinimo įvesties, valdymo modulio ir apkrovos išvesties struktūrą:

 

Maitinimo įvesties modulis

Modulis naudoja 220 V kintamosios srovės tinklo įvestį ir pirminę apsaugos grandinę, susidedančią iš saugiklio (pvz., . 0.1A) ir teigiamo temperatūros koeficiento termistoriaus (PTC). PTC gali užkirsti kelią perkaitimui ir gaisrui, kai srovė yra nenormali. Įvesties grandinę paprastai sudaro žemų dažnių filtras (sudarytas iš kondensatorių ir induktorių), kuris slopina aukšto

Valdymo modulis

Valdymo modulis yra grandinės šerdis, kuri yra padalinta į mechaninį valdymą ir elektroninį valdymą.

• Mechaninis valdymas: tradiciniai svirties jungikliai jungia ir atjungia grandines tiesiogiai per mechaninius kontaktus. Kai kontaktas uždarytas, srovė teka iš įtampingo laido (L) į apkrovą; kai kontaktas yra atidarytas, grandinė atjungiama. Šie jungikliai yra nebrangūs, tačiau jų tarnavimo laiką riboja kontaktų susidėvėjimas (dažniausiai 100 000 operacijų).
• Elektroninis valdymas: relių arba maitinimo MOSFET naudojimas kaip perjungimo elementas. Pavyzdžiui, „WiFi“ išmanieji lizdai valdymo komandas gauna per serijinius „WiFi“ modulius, kurie skatina relės ritę atidaryti ir užsidaryti. Kai modulis gauna komandą "uždaryti", PC8 prievadas išveda aukšto lygio, tranzistoriaus Q1 laidumą, įjungiama relės ritė, uždaromi kontaktai ir įjungiama apkrova; vietoj to nutrūksta elektra. Konstrukcija palaiko nuotolinį valdymą, tačiau norint valdyti reles, reikalingas išorinis maitinimo šaltinis, pvz., 12 V DC.

Įkelti išvesties modulį

išvesties gnybtas, tiesiogiai prijungtas prie elektros įrangos ir turi atitikti saugos taisykles. Pavyzdžiui, lizdai turi būti suprojektuoti taip, kad atitiktų privalomus nacionalinius standartus (pvz., GB 2099.1-2008), ir turi būti griežtai atskirtas įtampa (L), neutralus (N) ir įžeminimo laidas (PE). Įžeminimo laidas yra prijungtas prie metalinio korpuso geltonai žaliais laidais, kad korpusas nebūtų įkrautas nuotėkio atveju.

 

 

Valdymo logikos realizavimas tiesiogiai veikia jungiklio atsako greitį ir patikimumą. Įprasti sprendimai apima:
Tiesioginio valdymo logika
Mechaniniai jungikliai sujungia ir atjungia grandines tiesiogiai per fizinį kontaktą, nereikalaujant papildomos grandinės. Pavyzdžiui, vienpolis dvigubas-svirties jungiklis gali perjungti maitinimo įtampą (pvz., . 3.3V ir 5 V), kad pasirinktų įtampą, perkeldamas kontaktinį jungiklį tarp dviejų fiksuotų kontaktų. Dizainas yra paprastas, tačiau jis neleidžia nuotoliniu būdu valdyti ar grįžtamojo ryšio.
Elektroninė valdymo logika
Elektroninis valdymas užtikrina intelektualias funkcijas bendradarbiaujant jutikliams, mikrovaldikliams (MCU) ir pavaroms:

• Būsenos patikrinimas: MCU aptinka perjungimo būseną per GPIO prievadus. Pavyzdžiui, liečiamasis jungiklis- naudoja traukimo- rezistorių (10 omega), kad patrauktų skysčio lygį iki 3,3 V, kai jis nepaspaudžiamas, ir sumažina iki 0 V, kai paspaudžiamas. MCU atpažįsta mygtuko veiksmą nuskaitydamas GPIO lygį arba sukonfigūruodamas išorinį pertraukimą, pvz., mažėjančio krašto trigerį.
• Nuotolinis valdymas: WiFi moduliai (pvz., ESP8266) bendrauja su mobiliosiomis programomis per TCP/IP protokolą, gauna jungiklių komandas ir pavaros reles. Pavyzdžiui, išmaniojo lizdo MCU, gavęs komandą „start“, valdo Q1 paleidimą, relių prijungimą ir apkrovos maitinimą.
• Būsenos grįžtamasis ryšys: jungiklio būsena rodoma LED indikatoriumi arba garsiniu signalu. Pavyzdžiui, LED anodas yra prijungtas prie MCU išvesties kaiščio srovę ribojančiu rezistoriumi (220 omega), o katodas yra įžemintas. Kai MCU išveda aukštesnį lygį, užsidega LED lemputės, rodančios, kad jungiklis įjungtas.

Mišri valdymo logika
Sujungiami mechaninio ir elektroninio valdymo, pvz., mechaninio savaiminio{0}}užrakinimo jungiklio ir elektroninės aptikimo grandinės, pranašumai. Savaiminio-užrakinimo jungiklis išlaiko savo padėtį po to, kai jį paspaudžia, nereikalaujant nuolatinės išorinės jėgos. MCU aptinka GPIO lygio pasikeitimą, kad atpažintų jungiklio veiksmą ir įrašytų būseną į EEPROM, kad atkurtų pradinę jungiklio būseną po gedimo.

 

 

Saugumas yra pagrindinis sieninio jungiklio ir lizdo dizaino principas. Įprastos apsaugos priemonės apima:
Apsauga nuo viršsrovių
Saugikliai yra sujungti maitinimo įvestyje. Kai srovė viršija vardinę vertę (pvz., 10A), ji sprogsta, nutraukdama grandinę. Išmanieji lizdai taip pat gali stebėti srovę realiuoju laiku, naudodami srovės aptikimo lustą, pvz., HLW8012. Kai srovė viršija slenkstį, MCU kontroliuoja, kad relė nutrūktų, neleidžiant grandinei perkaisti.
Apsauga nuo viršįtampio / per mažos įtampos
Įtampos reguliatoriaus lustas, pvz., 78L05, yra naudojamas stabilizuoti įvesties įtampą ties 5 V, kad būtų galima valdyti MCU ir jutiklius. Kai įvesties įtampa viršija lusto leistiną nuokrypį (pvz., . 7-12V), įtampos reguliatoriaus lustas automatiškai apriboja įtampą, kad nesugadintų įrenginio. Be to, įtampos lygintuvas (pvz., LM393, gali aptikti įėjimo įtampą; kai įtampa nukrenta žemiau slenksčio, įjungia apsauginę grandinę.
Apsauga nuo nuotėkio srovės
Nulinės-sekos srovės transformatorius gali aptikti srovės skirtumą tarp įtampingo laido ir neutralaus laido. Kai nuotėkio srovė viršija 30 mA, transformatoriaus išvesties signalas suaktyvina SCR, kad tęstųsi, verčiant išjungimo įrenginį nutraukti grandinę. Ši konstrukcija atitinka nacionalinius nuotėkio srovės apsaugos standartus (pvz., GB16917.1-2014).
Netikėtas jutiklinis dizainas
Mechaniniai jungikliai turi nelaimingų atsitikimų{0}}prilietimo struktūrą; pavyzdžiui, mygtukai turi būti nuspausti iki tam tikro gylio (pvz., 2 mm), kad jie įsijungtų, kad būtų išvengta atsitiktinio jų veikimo. Elektroniniai jungikliai naudoja programinei įrangai atsparius{5}algoritmus (pvz., 10 milisekundžių delsą, kad būtų galima nustatyti lygio pokyčius), kad pašalintų mechaninius drebėjimo trikdžius ir užtikrintų tikslų būsenos atpažinimą.

 

 

Išmaniųjų namų scenarijai

„WiFi“ išmanieji lizdai leidžia nuotoliniu būdu valdyti buitinę techniką mobiliąja programėle, palaikydami tokias funkcijas kaip perjungimas pagal laiką ir energijos suvartojimo statistika. Jų grandinės konstrukcijoje turi būti integruotas „WiFi“ modulis, relės, srovės aptikimo lustai ir įtampos reguliatoriaus grandinės, laikantis miniatiūrizavimo reikalavimų (pvz., matmenys, mažesni arba lygūs 50 mm × 50 mm).

Pramonės kontrolės scenarijai

Pramoniniai -sieniniai jungikliai turi atlaikyti atšiaurią aplinką (pvz., aukštą temperatūrą, didelę drėgmę, vibraciją), naudojant metalinius korpusus ir sandarų dizainą. Valdymo grandinėje naudojamos perteklinės konstrukcijos, pvz., dvi lygiagrečios relės, užtikrinančios normalų perjungimą, net jei sugenda viena relė.

Viešųjų patalpų scenarijai

Sieniniai jungikliai viešose vietose turi atitikti aukštus{0}}dažnio naudojimo reikalavimus (pvz., daugiau nei 1000 operacijų per dieną), naudojant ilgaamžius mechaninius kontaktus (pvz., sidabro lydinio kontaktus, kurių eksploatavimo trukmė yra 1 mln. ciklų) arba bekontakčius elektroninius jungiklius (pvz., optroną{10}su neribotais MOSFET veikimo trukme).

 

 

Tobulėjant daiktų interneto (IoT) technologijai, įterptieji sieniniai jungikliai ir lizdai vystosi intelekto ir integracijos kryptimi:

• Belaidžio ryšio technologija: praplėskite nuo „Wi-Fi“ iki „Bluetooth“, „Zigbee“, „LoRa“ ir kt., kad palaikytumėte kelių{0}}įrenginių tarpusavio ryšį.
• Krašto skaičiavimo galimybės: Integruoti lengvi AI algoritmai, skirti atlikti tokias funkcijas kaip elektros energijos suvartojimo elgsenos analizė ir gedimų numatymas.
• Energijos valdymo funkcijos:{0}}elektros energijos ir naudojimo stebėjimas realiuoju laiku naudojant galios matavimo lustus, kad būtų galima optimizuoti piko ir slėnio kainodarą.
• Saugumo patobulinimai: nacionalinių kriptografinių algoritmų naudojimas ryšiui užšifruoti ir duomenų nutekėjimo prevencijai; biometrinių duomenų (pvz., pirštų atspaudų atpažinimo) integravimas, siekiant pagerinti prieigos kontrolę.
•  

Įterptųjų sieninių jungiklių ir lizdų grandinės dizainas yra visapusiškas mechaninių, elektroninių ir saugos technologijų įsikūnijimas. Nuo paprasto valdymo neprisijungus iki pažangaus valdymo, jo technologinė raida ne tik pagerina vartotojo patirtį, bet ir suteikia pagrindinį palaikymą naujoms sritims, tokioms kaip energetinis internetas ir išmanieji miestai. Ateityje, pasiekus proveržių medžiagų mokslo (pvz., plataus{2}}pralaidumo puslaidininkių) ir ryšių technologijų (pvz., 6 GHz WiFi) srityse, įterptieji jungikliai ir lizdai bus toliau miniatiūrizuoti, sumažinant energijos suvartojimą ir taps pagrindiniais išmaniosios ekosistemos mazgais.