ZigBee与433 MHz遥控结合的智能家居灯控模块

2022-01-22梁顺可牙举辉徐奕森黄志明

机械工程师 2022年1期

梁顺可，牙举辉，徐奕森，黄志明

（华南理工大学广州学院a.机械工程学院；b.机器人工程学院，广州 510800）

0 引言

智能家居经过多年的快速发展，已经在人们的日常生活中越来越普遍。人们对智能家居最基本的需求是对家居灯具的控制，而基于ZigBee技术开发的灯控系统有很多，如智能路灯控制系统[1-2]、无线灯光调节器[3]、安全智能灯控系统[4-8]等。但是，目前大多数灯控模块存在明显的缺点，如不支持可同时实现远程和近程的控制，且大多采用继电器模块来实现对交流电的控制，从而降低灯控模块使用的便捷性和可靠性，且控制模块体积较大，占据较多空间。因此，本文提出一种更可靠的灯控系统，即结合ZigBee模块和433 MHz遥控以实现远程和近程控制家居灯具，交流电控制则采用双向可控硅，近程控制采用433 MHz遥控器而非普通的红外遥控模块，使得系统运行更加稳定。

1 总体方案设计

本文所设计的灯控模块结合远程和近程两种控制方式，提供稳定可靠的灯具控制方案，系统方案如图1所示。

图1 系统方案框图

远程控制方案：将ZigBee模块作为终端设备接入现有的智能家居ZigBee网络以实现双向通信，通过现有的网络模式远程控制灯控模块上的ZigBee模块，实现控制220 V交流电路的通断，从而控制灯具的开关。

近程控制方案：利用433 MHz遥控发射器进行编码发出控制指令，遥控接收器进行解码得到控制指令，输出对应的电平信号给ZigBee模块，ZigBee模块读取对应引脚的电平状态，然后通过控制信号控制220 V交流电路的通断，实现对灯具的控制。其中，ZigBee可以通过相应引脚的电平信号获取当前灯具状态，从而为灯具控制提供更高的可靠性与稳定性。

2 模块硬件电路设计

2.1 可控硅控制电路设计

由于继电器频繁通断会产生大量热量，为了减少不必要的发热及减小模块的整体体积，本设计采用双向可控硅代替常规电路中的继电器。经过实验测试，继电器灯控模块的发热量与双向可控硅灯控模块工作时产生的热量对比如图2所示，该实验结果显示，双向可控硅产生的热量比继电器要少。

图2 继电器灯控模块与双向可控硅灯控模块的发热量对比

本设计采用型号为MOC3061SR2M的光电可控硅控制驱动器，不仅能够隔离高压交流电和低压直流电，同时还能控制大功率双向可控硅状态。光电可控硅的输入采用光耦隔离，其绝缘电压可以达到7500 V，触发电流只需要15 mA，但是其负载能力低于200 mA。本设计中只用来控制后级电路的大功率可控硅Q1。由于ZigBee模块IO口输出能力只有4 mA，所以需要使用Q2的控制触发电路保证足够的电流触发光电可控硅。DR信号是ZigBee模块给定的控制信号电平，控制三极管Q2的导通和截止来控制后级电路状态，电阻R3使三极管的控制信号在DR不确定时保持低电平，防止误触发。双向可控硅维持导通的条件是两个主电极T1和T2大于最小维持电压和维持电流，对于交流电而言，电流方向为周期性变化，维持导通则必须在每次电流方向改变时重新给控制级足够的正向电流和电压，因此在软件设计中需要持续导通的情况下，需要保持触发信号。具体的电路设计如图3所示。

图3 可控硅控制电路

2.2 ZigBee模块电路设计

本设计中采用型号为E18-MSI-PCB的ZigBee模块，该模块采用CC2530射频芯片，芯片内部集成8051单片机及无线收发模块，工作频段在2405～2480 MHz，适用于ZigBee设计及2.4 GHz IEEE 802.15.4协议，并且该模块引出所有的单片机IO口，同时具有板载PCB天线，实测无线通信距离可以达到200 m。该模块的单片机IO口直接产生控制电平以控制可控硅电路的开关模式。控制可控硅电路的IO口是P0.5，具有3.3 V/4 mA的驱动能力，并具有上下拉及三态操作模式，完全满足对可控硅电路的驱动需求。而433 MHz遥控接收器引脚电平读取使用的IO口为P1.1，该引脚无上下拉输入模式，可以免去在软件上的设置，具有20 mA的驱动能力，输入电压为3.0～3.6 V，本设计选择使用推荐电压3.3 V，输入引脚加入电容滤波，同时外部电路使用按键实现硬件复位，电路图如图4所示。

图4 ZigBee模块控制电路

2.3 AC-DC降压电路设计

AC-DC降压电路采用常州能动的AC-DC电源模块ES03-S05，该模块的输入电压带宽为85～265 VAC,具有过温和输出短路保护等功能，输出电压为5 V，输出电流为600 mA，输出纹波+噪声（峰-峰值）为2%V0的输出能力。外围电路的设计需要使用1 A/250 V 慢断的保险丝来保证后级电路的使用安全，输出电路中需要加入电容滤波，从而获得更好的输出特性，因此加入电容C2、C1、C10并联以获得更大电容量，同时降低电容的ESD特性，并且加入TVS二极管D1，保护后级电路。该TVS二极管反向关断电压是7 V，击穿电压最小值为7.5 V。其电路设计如图5所示。

图5 AC-DC降压电路

整体电路在工作状态时，用示波器测得5 V的输出纹波为17.80 mV，输出纹波远小于ATX12V规范中的+5 V直流电源输出纹波的最大值120 mV，满足安全和稳定的使用要求。其中，示波器测量结果如图6所示。

图6 示波器测量结果

2.4 433 MHz遥控器电路设计

本设计采用凌承芯的433 MHz遥控器模块灵1系列，该遥控器模块具有成本低、自带解码、自动适应各种编码、自动学习射频遥控器等特点，具有匹配的发射和接收模块。接收模块可以通过按键进行学习对码、输出模式（翻转、自锁、点动、互锁）设置等功能，模块工作功耗非常低，适合用于电池遥控电路，同时接收器具有4路开关量输出，对应发射器的4路按钮电平，但本设计只选用其中的D2组作为控制信号。天线方案的选择有：PCB板载天线、拉杆天线或单股/多股导线、弹簧天线。考虑到体积小及成本低，本设计选用弹簧天线作为模块射频天线，天线阻抗选择50R，与射频前端电路相匹配。433 MHz遥控器电路如图7所示。

图7 433 MHz遥控器电路

3 模块软件设计

3.1 通信设计

通信设计是解决灯控模块中的ZigBee模块加入现有的ZigBee网络并与其进行数据交互的问题，其中需要将ZigBee模块作为终端设备接入现有网络。具体的通信流程如图8所示。

图8 通信流程

现有的智能家居网络可以完成PC/APP到网关与ZigBee协调器的数据交互，本设计需要遵守ZigBee协调器和终端设备之间的协议。在加入不同的现有智能家居的网络时，只需更改相应的通信协议即可。本设计采用的通信协议如表1所示。通信协议数据采用十六进制，开始符定义为0x3A，结束符定义为0x23，第一字节为终端ID号，即协调器和终端设备通信的唯一身份确认符，其为大小为8 bit，第二字节为命令的类型说明符，其中规定0为读操作，1为写操作，第三字节和第四字节为保留符，可以设置为任意值，但不可以缺省，第五字节为灯具状态符：0为关闭状态，1为开启状态。

表1 通信协议

3.2 Z-Stack协议栈开发设计

本设计是基于TI提供的Z-Stack协议栈开发的[9-10]，其运行流程如图9所示。

图9 Z-Stack协议栈运行流程

上电运行开始时，Z-Stack协议栈依次完成系统启动、驱动电路初始化、OLSA初始化和驱动、进入任务轮询模式，其中，与用户开发关联最大的是OLSA的初始化、启动和任务轮询。任务轮询就是在查询任务中是否有事件发生，如果有事件发生，则运行对应的事件函数进行处理。本模块有两种控制方式，一种是利用ZigBee协调器下发指令控制，另一种是利用433 MHz遥控器控制。所以，本模块需要在两个事件之间进行协调，在用户任务中添加两个事件及事件处理函数，处理协调器指令和433 MHz遥控器电平变化的事件。本模块OSAL用户任务调度流程如图10所示。