基于ZigBee網絡的無線插座設計實現

徐欣?朱承?周麗娟

摘 要：設計出一種基于ZigBee無線網絡的多功能無線插座。它采用基于微功耗的單芯片CC2530作為主控器和無線發送接收器，通過一系列的電源轉換電路通過AC220轉換到DC5V/DC3V直接為弱電部分供電，設計了按鍵和顯示部分來完成傳統智能插座的一些預約定時等功能。該插座可以與智能家居系統兼容，通過ZigBee網絡實現遠程在線控制一些家電設備的開啟或關斷等功能。

關鍵詞：ZigBee ；無線插座；CC2530；智能家居；照明系統

項目來源：重慶市教委科學技術研究項目《基于ZigBee自動化應用模式（HA）的智能家庭燈光控制系統》（項目編號：KJ122206）

隨著智能家居的持續火熱發展，現在已經有很多關于家電整合無線組網技術、智慧照明系統等相關產品；在整個智能家居大環境下，市面上采用ZigBee組網技術作為家庭內部節點連接、信息交互的企業越來越多，也推出了很多好的產品。本案在此背景下推出基于ZigBee無線組網的多功能智能插座的設計方案，能夠很好融入智能家居產品線。

1 系統設計架構

無線插座采用模塊化設計，主要由4個模組組成：電源模塊、ZigBee模塊、擴展功能模塊和外觀模具部分；這里對外觀模具不做詳細討論，主要對前三個部分以及軟件設計做詳細介紹。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊電路設計

電源模塊電路設計主要包含：AC220到DC12V的轉換，DC12V到DC5V的轉換，DC5V到DC3.3V的轉換3個電路部分。

系統采用了LNK306芯片。LNK306在一片IC上面集成了一個700 V的功率MOSFET、振蕩器、簡單的開/關控制電路、高壓開關電流源、頻率調制、逐周期的電流限制及過溫保護電路。

輸入級由保險電阻F1、二極管D10和D11、電容C18和C21以及電感L2組成。電阻F1為阻燃可熔的繞線電阻，它同時具備多個功能：a）將整流管D10和D11的浪涌電流限制在安全的范圍；b）差模噪聲的衰減；c）在其它任何元件出現短路故障時，充當輸入保險絲的功能（元件故障時必須安全開路，不應產生任何冒煙、冒火及過熱發光現象）。

功率處理級由LNK306、續流二極管D13、輸出電感L1及輸出電容C19構成。電容C19是輸出濾波電容，其主要功能是限制輸出電壓紋波。輸出電壓的紋波最主要取決于輸出電容的ESR而非電容的容量。

二極管D13和D12的正向導通壓降是相同的。因此，C22兩端的電壓會跟蹤輸出電壓。連接到LNK306 FB引腳由R26和R27組成的電阻分壓器對C22的電壓進行檢測及穩壓。

DC12V到DC5V轉換這里選用了常用的7805三端穩壓芯片。此電路較為簡單，只需要將輸出通過C14/C16兩個電容穩定濾波后直接接入到7805的輸入，然后在輸出端同樣連接兩個C15/C17兩個穩定濾波電容即可輸出穩定的DC5V。

由于ZigBee芯片需要3.3V供電，這里采用芯片TPS79633將輸出的5V轉換到3.3V供ZigBee模塊電路使用。只需要將輸出接入到TPS79633的輸入，在輸入輸出端接入穩定濾波電容即可，然后就能穩定輸出DC3.3V。

2.2 ZigBee模塊電路設計

采用德州儀器的低功耗無線通信芯片CC2530，具有IEEE802.15.4射頻前端。

芯片的RF-P和RF-N引腳為天線接入引腳，M1為天線接入端；為了節省模塊以及控制板的空間尺寸，這里采用PCB天線設計。芯片的P10～P17作為2位數碼管模塊的陰極驅動引腳；芯片的P00～P01作為2位數碼管模塊的陽極驅動引腳；芯片的P02作為4個LED燈指示燈的驅動引腳；芯片的P06作為按鍵AD輸入；芯片的P03作為蜂鳴器控制引腳、P04作為繼電器控制引腳。ANTENNA為天線接入端子，這里采用PCB天線設計以節省模塊和遙控器空間尺寸。

2.3 擴展功能部分設計

無線插座設計了兩位數碼管顯示，用來顯示預約開關功能的時間等信息。這里選用了兩位一體的8位數碼管模塊，同時通過兩個9015三極管進行驅動顯示。無線插座設計了4個LED燈用來分別指示：電源、定時、預約開、預約關4種狀態。同樣選用了1個9015三極管來驅動4位LED燈。無線插座設計了4個功能按鍵：無線插座開關、預約開關、數碼管指示加1、數碼管指示減1。設計了4個功能按鍵可以實現手動開關無線插座，和預約定時開關插座等功能。為了節省芯片引腳，這里采用了AD采集方式來判斷哪個按鍵被按下。這里選用了4個10K（R1＼R2＼R6＼R7）電阻串聯分壓分別對應不同的按鍵。無線插座開關選用了1個10A 250VAC的繼電器（2500W），基本上能滿足絕大多數的功率需要；加了一個蜂鳴器來實現一些操作提示。蜂鳴器和繼電器分別選用了1個8050三極管來驅動。

3 系統軟件設計

軟件功能設計流程圖如圖1所示。

其中

KeyValue：按鍵值變量；SW_Plan：預約開關插座命令值變量；SW_Value：遠程開關插座命令值變量；Timer：預約時間值變量。

參考文獻

[1]CC2530EM 參考設計：http：//www.ti.com.cn/tool/cn/CC2530EM

[2]CC2530數據手冊：http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf

[3]LNK306數據手冊：http：//www.waveshare.net/datasheet/POWER_PDF/LNK306_cn.PDF

[4]TS79633數據手冊：http：//www.ti.com.cn/general/cn/docs/lit/getliterature.tsp？genericPartNumber=tps79633&fileType;=pdf