Экономим энергию с STMicroelectronics: интеллектуальная розетка на основе BLUENRG-M2SP для умного дома

15 ноября

учёт ресурсовсветотехникаавтоматизацияинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниябеспроводные технологиипассивные ЭК и электромеханикаBLEBluetoothIoTViper

Софья Букреева (г. Протвино)

Компания STMicroelectronics представляет интеллектуальную розетку 220 В, которая способна существенно сократить расходы электроэнергии. Благодаря полному пакету технической документации и программному коду для модуля BLUENRG-M2SP создание умной розетки на базе платы STDES-BLUEPLUG2 становится быстрой и легкой задачей.

Одна из функций умного дома – экономия электроэнергии и интеллектуальное управление освещением. Умный дом подразумевает автоматизацию, при которой управление бытовыми приборами и системами можно осуществлять удаленно с помощью смартфона или другого сетевого устройства из любого места, где есть подключение к сети. Помимо создания комфорта и удобства управления техникой, системы «умный дом» служат для обеспечения безопасности жилья и позволяют сократить потребление электроэнергии. Экономия электричества достигается за счет возможности удаленного отключения неиспользуемых бытовых приборов, что исключает ситуации, когда прибор забыли выключить. Кроме этого, снизить расход можно, создавая расписание работы бытовой техники, например, включение стиральных или посудомоечных машин можно запрограммировать на то время, когда нет пиков потребления и стоимость электроэнергии наименьшая. Самым простым способом экономии является установка интеллектуального освещения, позволяющего регулировать яркость и включать свет только в определенное время, избегая пустых трат электроэнергии. Для автоматизации любых устройств в умном доме используют интеллектуальные розетки. Такие розетки можно подключить к беспроводной сети и управлять всеми устройствами через приложение на смартфоне, а также отслеживать параметры потребления. 

Интеллектуальная розетка STDES-BLUEPLUG2

Компания STMicroelectronics разработала интеллектуальную розетку STDES-BLUEPLUG2 для применения в системах «умный дом» и IoT. STDES-BLUEPLUG2 представляет собой плату счетчика потребления электроэнергии с возможностью беспроводного подключения за счет встроенного процессорного модуля BLUENRG-M2SP. Данный модуль соответствует спецификации Bluetooth Low Energy (BLE) версии 5.2, что обеспечивает безопасную передачу данных о нагрузке по радиоканалу и позволяет использовать розетку в качестве ведущего или ведомого устройства в сети Bluetooth. На плате также установлены:

  • измерительная микросхема STPM32 для точного измерения потребления с использованием датчиков тока;
  • симистор для коммутации тока и фазовой регулировки напряжения на нагрузке.

Питание микросхем подается с выхода неизолированного понижающего преобразователя на основе VIPER06XS. Такой тип питания идеально подходит для применений, где не требуется большой ток и важен малый форм-фактор. Потребление платы STDES-BLUEPLUG2 в сети переменного тока составляет 3…7 мА.

С помощью бесплатного приложения ST BLE PLUG, доступного в Google Play, плату можно подключить к любому Android-устройству и осуществлять мониторинг и управление нагрузкой. В приложении доступны функции включения и выключения нагрузки, измерения и регулировки ее параметров, а также возможность настройки работы по расписанию.

На рисунках 1 представлены компоненты платы STDES-BLUEPLUG2 :

Рис. 1. Плата STDES-BLUEPLUG2 и ее компоненты

Рис. 1. Плата STDES-BLUEPLUG2 и ее компоненты

  1. симистор BTA12-800BWRG на 12А;
  2. измерительная микросхема STPM32TR;
  3. Процессорный модуль BLUENRG-M2SP;
  4. преобразователь VIPER06XS (рабочая частота 30 кГц);
  5. Высоковольтный выпрямитель STTH110RL;
  6. LDO-стабилизатор L4931.

На рисунке 2 показана структурная схема STDES-BLUEPLUG2.

Технические параметры платы:

  • номинальное напряжение 240/120 В AC;
  • номинальный ток 12 А;
  • потребляемая мощность 0,7 Вт (макс.);
  • регулировка сигнала на нагрузке симистором до 12 А;
  • наличие интерфейса NFC для настройки платы и сохранения данных для журнала событий.

Предлагаемый дизайн интеллектуальной розетки предназначен для учета электроэнергии, управления освещением и отслеживания параметров подключенной к сети нагрузки удаленно по каналу BLE. Она идеально подходит для применения в системах «умный дом».

Рис. 2. Структурная схема STDES-BLUEPLUG2

Рис. 2. Структурная схема STDES-BLUEPLUG2

Основной функционал платы STDES-BLUEPLUG2 

Управление симистором

На плате STDES-BLUEPLUG2 собрана схема обнаружения перехода переменного напряжения через ноль. Точка перехода является опорной для срабатывания симистора. Схема включает в себя три резистора, подключенных к фазе сети и снижающих напряжение от сети, и один подтягивающий резистор на базе PNP-транзистора. Когда напряжение базы падает ниже рабочего, транзистор переключает выход на низкий уровень (рисунок 3).

Рис. 3. Схема обнаружения перехода напряжения фазы через ноль

Рис. 3. Схема обнаружения перехода напряжения фазы через ноль

Данная схема переводит симистор в проводящий режим при снижении напряжения на нагрузке до нулевого, то есть в начале и в середине каждого периода переменного напряжения. Таким образом, подстройкой фазы включения симистора можно изменять выходное напряжение, то есть регулировать сигнал, подаваемый на нагрузку розетки. На рисунке 4 показано срабатывание транзистора при обнаружении перехода напряжения через ноль, а на рисунке 5 изображен пример уменьшения выходного напряжения симистора вдвое.

Рис. 4. Обнаружение пересечения нуля с помощью осциллографа

Рис. 4. Обнаружение пересечения нуля с помощью осциллографа

Рис. 5. Уменьшение переменного напряжения на 50%

Рис. 5. Уменьшение переменного напряжения на 50%

Питание платы

В качестве источника питания используется неизолированный понижающий преобразователь на основе VIPER06XS с ШИМ на частоте 30 кГц. Потребляемая мощность платы в режиме ожидания составляет менее 30 мВт. Выходное напряжение источника установлено на уровень 4,3 В и подается на LDO-стабилизатор L4931, который снижает его до 3,3 В для питания всех аналоговых и цифровых компонентов схемы. Схема питания показана на рисунке 6.

Рис. 6. Неизолированный понижающий преобразователь

Рис. 6. Неизолированный понижающий преобразователь

Логика работы платы

На рисунке 7 представлена блок-схема алгоритма работы процессорного модуля BLUENRG-M2SP. При запуске происходит настройка системной частоты, выводов общего назначения, а также всей периферии: интерфейса USART для работы измерительной микросхемы STPM, таймера срабатывания симистора, интерфейса I2C для возможности подключения EEPROM. Далее инициализируется BLE и проверяется возможность подключения к управляющему устройству. При успешном подключении происходит обмен пакетами: плата получает команды от управляющего устройства по BLE, исполняет их и отправляет результат измерения параметров нагрузки. Данные измерений обновляются независимо по прерыванию каждую секунду.

Рис. 7. Алгоритм работы платы

Рис. 7. Алгоритм работы платы

Интерфейс управления на стороне смартфона

Для подключения к плате со смартфона необходимо загрузить и установить бесплатное приложение ST BLE PLUG 2.0. В приложении нужно просканировать все доступные для подключения устройства и выбрать STDES-BLUEPLUG2 (рисунок 8). При успешном подключении светодиод на плате мигает с частотой 2 Гц. 

Рис. 8. Окна запуска и подключения к плате в приложении ST BLE PLUG 2.0

Рис. 8. Окна запуска и подключения к плате в приложении ST BLE PLUG 2.0

На рисунке 9 изображен интерфейс управления освещением с помощью STDES-BLUEPLUG2. В приложении в качестве нагрузки выбран параметр Bulb (лампочка). Путем нажатия на изображение лампочки можно управлять включением и выключением освещения, а ползунком менять яркость, как показано на рисунке 9 б. Кроме этого, в приложении отображаются все параметры потребления.

Рис. 9. Панель выбора нагрузки (а) и управление освещением (б)

Рис. 9. Панель выбора нагрузки (а) и управление освещением (б)

Рассмотренная плата STDES-BLUEPLUG2 недоступна для продажи, однако на сайте компании STMicroelectronics представлена вся проектная документация, включая описание работы, электрические принципиальные схемы, гербер-файл проекта печатной платы, а также программа процессорного модуля BLUENRG-M2SP. Доступные материалы позволяют полностью повторить предложенный дизайн интеллектуальной розетки.

Литература

  1. User manual. How to use the STDES-BLUEPLUG2 reference design for home automation smart plugs
•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
VIPER06XSTR (ST)
VIPER06XS (ST)
BLUENRG-M0L (ST)
BlueNRG-M2SA (ST)
BLUENRG-MSQTR (ST)
BLUENRG-248 (ST)
BLUENRG-232 (ST)
BLUENRG-234N (ST)
BLUENRG-232N (ST)
BALF-NRG-02D3 (ST)