分布式多場景支持智能家居控制器

毛 臻，丁濤杰，楊 兵

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

隨著物聯網和人工智能的技術發展，越來越多的調光燈具、窗簾管狀電機控制器、防盜報警器、紅外遙控器已借助低功耗、低成本WIFI 模塊或藍牙模塊大量接入云端，可適應遠程控制和本地手機控制。智能電視、空調、冰箱、電飯煲、空氣凈化器等逐步普及，給智能家居應用場景相互聯動和無感化控制也創造了條件。智能家居的一個重要應用場景是手機控制，除了可以通過智能手機一鍵掌控家中燈光、音樂、窗簾、家電等智能設備，還可以遠程掌控家中的溫濕度、空氣質量、電器使用情況，并在回家前提前打開空調、窗簾、燈光、音響等設備[1-4]。

智能家居控制主要有集中式控制和分布式控制，早期的集中式控制由于智能手機尚未普及，需要配置智能家居網關，通常具備短信收發、聯網、射頻無線轉發、紅外轉發等功能并配備電阻式觸摸屏，所有操作在顯示屏上實現，電器終端無線控制主要通過紅外或ISM 頻段進行控制或直接通過繼電器切換電源。隨著智能手機的大量普及，同時路由器、音箱等設備的主控芯片功能增強，智能路由和智能音箱曾一度被認為是智能家居的替代入口。而近年來隨著低功耗WIFI 芯片出貨量暴漲，單個成本也降到個位數，使得每個開關、插座或電器終端都可以搭配極具性價比的WIFI 模塊入網[5-8]，智能家居控制方式逐步向分布式方向發展。

1 分布式智能家居控制系統設計

分布式智能家居控制系統以多功能可配置控制節點為單元，每個單元可獨立控制也可以聯網控制，可按鍵控制也可以手機控制。多功能可配置控制節點主要由AC-DC 電源模塊、MCU 單片機控制模塊、WIFI 模塊、可配置驅動模塊、傳感器信號采集模塊、控制信號指示與反饋6 個部分組成，系統框圖見圖1，其中，AC-DC 電源模塊部分主要將交流電轉換為12 V 或5 V 直流電給系統供電；MCU 單片機控制模塊是整個系統的核心，完成傳感器配置初始化與接口數據采集、WIFI 模塊初始化和串口命令解析執行、按鍵信號響應和邏輯控制，指示燈控制和反饋驅動等；WIFI 模塊主要實現整個系統與網絡連接，通過WIFI 連接完成云端服務器命令與串口命令之間的轉換；傳感器信號采集模塊主要完成溫度、濕度、空氣質量等信號采集與數字化處理；可配置驅動模塊支持繼電器驅動、多路0～10 V 調光驅動、485 總線驅動、多路可控硅調光驅動、多路PWM 調光驅動等；控制信號指示與反饋主要包括按鍵背光與指示燈調節控制，振動馬達驅動等。

圖1 多功能可配置控制節點系統框圖

實際硬件設計時控制板和電源板分開進行設計，電源板上集成AC-DC 電源模塊和可控硅、繼電器等高壓控制電路，控制板上集成MCU 單片機控制模塊、WIFI 模塊、可配置驅動模塊、傳感器信號采集模塊、控制信號指示與反饋等低壓電路，采用高低壓電路分離式以滿足電氣安全設計要求，兩塊板子通過板對板連接器互聯。

1.1 可配置驅動模塊硬件設計

智能家居應用場景中，各種電器的電源開關，如窗簾控制的管狀電機、熱水器的電源開關等可由繼電器控制[9-11]，LED 照明設備的主要調光驅動有PWM調光、0～10 V 調光和可控硅調光，可配置驅動模塊把這些驅動電路設計在一塊電路板上，通過電阻跳線實現三合一調光。其中0～10 V 調光驅動電路采用JCP10 作為主控芯片，可同時實現三路LED 調光，支持三基色LED 調光。JCP10 內部集成了運算放大器和推挽式功率輸出電路，以低壓PWM 信號直接控制0～10 V 高電壓輸出，外圍零件少，推挽式功率輸出使之既可以控制吸入型的LED 調光燈具，又可以控制輸出型的LED 調光燈具，兼容目前市場上所有類型的0～10 V 調光LED 燈具。

PWM 驅動輸出利用CS32F103 的Timer 引腳直接輸出，可進行1 024 級精細數字調光，比傳統的可調電阻調光線性度和可調性更好。繼電器驅動電路較簡單，只需加一級三極管電流放大，此處不再敷述?？煽毓枵{光原理是調節交流電每個半波的導通角來改變正弦波形，從而改變交流電流的有效值，以此實現調光的目的，前沿調光采用可控硅電路，從交流相位零開始，輸入電壓斬波，直到可控硅導通時，才有電壓輸入。由于需要判斷交流相位零，因此需要設計過零電路，圖2 是利用光耦制作的交流過零電路，經驗證該設計精簡且安全可靠。

圖2 交流過零電路

采用電路仿真軟件先進行電路仿真，再進行實際電路設計。仿真軟件中的波形如圖3 所示，從圖中可見，輸出后的波形過零點與交流正弦波的過零點重合，該3.3 V 電平的波形可用于單片機進行過零識別。

圖3 光耦過零的輸出仿真波形

可控硅選擇BTA41-600B，由于控制電路端口由單片機驅動，而單片機上還有按鍵輸入等接觸按鈕，需要使用大功率可控硅光電隔離觸發器MOC3021，以保證交流控制回路強弱電物理隔離。

由于過零電路中EL357N 光耦的反應有延時，實際采集的過零信號和交流波形如圖4 所示，因此，需要在單片機中采用算法補償過零采樣電路和控制驅動電路中MOC3021 光耦的延時，達到精確控制每個半波導通角的目的，以消除頻閃和低亮度下不能完全關斷的問題。圖5 所示為可控硅驅動控制電路。

圖4 實際采集的過零與交流對比波形

圖5 可控硅驅動控制電路

1.2 控制信號指示與反饋

為達到良好的使用體驗并提高裝飾的美觀效果，控制器設計了信號指示與反饋電路。用戶可以通過物理實體按鍵或手機端調節背光指示燈的亮度，同時用戶每按一次按鍵，控制器會短促振動反饋，同時背光指示燈閃爍，使手指的感覺和按下一個真正的按鍵一樣、彌補輕觸按鍵比機械按鍵缺乏直觀觸感的缺陷。

振動反饋通過振動馬達實現，圖6(a)所示控制電路中采用扁平振動馬達1 027 型號，額定轉速11 000±2 500 RPM/Min，最大驅動電流80 mA，控制采用三極管驅動，CS32F103 的I/O 口只需提供高電平，馬達即工作?？刂破鞯牡蛪嚎刂瓢褰Y構適配一個金屬拉絲按鍵面板，每個按鍵均有鏤空字符指示并背光，起到裝飾外殼的效果，每3 個LED 燈單獨給一個按鍵背光，總共8 個按鍵，需要24 顆LED，常規設計CS32F103 單片機I/O 口的數量和電流驅動能力均無法滿足設計要求，因此選用TLC59108IPWR 作為共陰極電流放大與I/O 擴展，該芯片是單片發光二極管驅動器，采用小體積TSSOP-20 封裝，與單片機接口采用I2C，8 路驅動恒流輸出，輸入為3～5.5 V，開關頻率為1 MHz，輸出電流可調且最大為120 mA，電路設計如圖6(b)所示。

圖6 LED指示與振動驅動電路圖

1.3 WIFI模塊

WIFI 聯網選用目前成熟且廣泛應用于嵌入式聯網的國產芯片ESP8266，該芯片是一款專為移動設備和物聯網應用設計的，為用戶提供了高度集成的WIFI-SoC 解決方案，可以作為從機搭載于其他主機MCU 運行[10]。文中直接使用涂鴉智能成品模塊，該模塊集成了2.4 G-PCB 天線、ESP8266 芯片以及已燒錄成熟固件的SPI-Flash，已具有完整的TCP/IP 堆棧和微控制器功能，可以實現TCP/IP 連接，可適用于工業領域、移動設備、局域網和互聯網[12-13]。WIFI 模塊外部接線電路如圖7 所示，外圍器件非常少且穩定可靠。在實際電路測試時發現，電機或感性負載控制場合，需要注意VCC 端去偶電容（圖7 中C32、C33）要盡量靠近模塊供電引腳，否則在開關切換時易引起WIFI 模塊重啟。

圖7 WIFI模塊外部接線電路

WIFI模塊支持3種工作模式：STA、AP和STA+AP?？梢酝ㄟ^CS32F103 的uart 接口發送AT 指令通過ESP8266 向互聯網傳送數據[14]。WIFI 模塊的工作流程如圖8 所示。

圖8 WIFI模塊的工作流程

1.4 MCU單片機控制模塊

MCU 單片機控制模塊采用國產CS32F103CB 型32 位微控制器，該器件使用ARM Cortex-M3 32 位RISC 內核，最大工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（64 kByte 的閃存和20 kByte 的SRAM），豐富的增強I/O 端口連接到兩條APB 總線的外設，與ST 公司的STM32F103CB 電路兼容。由于需要用到比較精確的定時和捕獲功能（支持可控硅的過零觸發和PWM 調光），電路設計使用外部8 MHz 晶振，內部倍頻到最高主頻為72 MHz。

1.5 傳感器信號采集模塊

傳感器信號采集模塊集成了家居常用的溫度、濕度、空氣質量等傳感器，為節省單片機I/O 端口使用，傳感器選型時考慮溫濕度一體化并且帶I2C 接口，這樣3 個傳感器可掛在一個I2C 總線上，其中SGP30 傳感器可以檢測CO2與TVOC 的濃度，但是SGP30 的供電只能為1.8 V，與單片機的接口電平不匹配，需要用雙向電平轉換芯片TXS0102 進行轉接。電路所用SHT30 也是高集成度溫濕度傳感器芯片，帶I2C 接口，外圍電路只需加電源去耦電容。

2 軟件流程

未入網的全新控制器上電后，需要先進行配網，ESP8266 有一整套的SmartConfig 支持包，未配網的WIFI 模塊是AP 模式，其他WIFI 設備可以搜索到ESP8266 配置好的SSID，手機已經通過無線WIFI 接入了路由器，而設備不知道無線路由器WIFI 密碼，這時可通過手機將路由器WIFI 信息告知設備，SmartConfig 可以理解為接入路由器的手機快速配置設備，使其接入路由器[15]。入網后的控制器在通過WIFI 模塊監聽并響應服務器端命令消息的同時，還會通過MCU 單片機控制模塊響應按鍵中斷并執行驅動程序，每次執行完后，控制器會記錄當前的指示燈亮度和驅動程序中的所有參數，在下次啟動初始化時讀取這些狀態值。新控制器軟件配置流程如圖9所示。

圖9 新控制器軟件配置流程圖

3 電路板設計

控制器的電路板在結構上按照開關面板要求進行設計，在功能上按照強弱電分離原則劃分為兩大類：控制板和電源板。MCU 單片機控制模塊、WIFI模塊、傳感器信號采集模塊、控制信號指示并反饋在控制板上，元器件放置于控制板TOP 面，AC-DC 電源模塊，可配置驅動模塊如繼電器、可控硅等強電部分設計在電源板上，電源板上強電按照安全距離布線，必要時為防止爬電會在走線間進行開槽處理。其中，帶繼電器和可控硅控制的電源板實物如圖10所示。

圖10 帶繼電器和可控硅驅動的電源板實物

結構上，為方便實現物理實體按鍵操作和結構裝配，除控制信號指示LED 燈陣列和輕觸按鍵安裝在正面外，雙面控制板的其余元器件均集中在背面，并且按照外殼結構要求對元件器按照高度進行合理布局，通用控制板實物如圖11 所示。

圖11 控制板實物圖

4 結束語

隨著智能手機、語音控制等應用場合逐步被人們接受，智能家居應用場景需求多變，原有采用集中式控制搭配無線遙控繼電器開關的方式已不能滿足智能化、人性化的需求。能滿足多種驅動控制方式，分布式、可配置、多功能智能控制器單品既能獨立使用也能組合聯動，通過控制板與電源驅動板的靈活搭配，可支持多種應用場景。同時，該智能家居控制器還預留了485 總線接口，支持有線應用。

將來的智能家居還應利用與手機的交互優勢，利用地理位置獲取和大數據分析等智能化技術，針對特定位置和環境進行人工智能分析，使智能家居控制器可以不需要人參與，自主學習每個家居環境的常用場景和主人習慣，進行自適應算法調節[16]。隨著人工智能和物聯網技術的進步與發展，智能家居控制器融入并將成為物聯網的一個重要節點，其使用也會更方便、更先進、更智能。