ZigBee與433 MHz遙控結合的智能家居燈控模塊

梁順可，牙舉輝，徐奕森，黃志明

（華南理工大學廣州學院a.機械工程學院；b.機器人工程學院，廣州 510800）

0 引言

智能家居經過多年的快速發展，已經在人們的日常生活中越來越普遍。人們對智能家居最基本的需求是對家居燈具的控制，而基于ZigBee技術開發的燈控系統有很多，如智能路燈控制系統[1-2]、無線燈光調節器[3]、安全智能燈控系統[4-8]等。但是，目前大多數燈控模塊存在明顯的缺點，如不支持可同時實現遠程和近程的控制，且大多采用繼電器模塊來實現對交流電的控制，從而降低燈控模塊使用的便捷性和可靠性，且控制模塊體積較大，占據較多空間。因此，本文提出一種更可靠的燈控系統，即結合ZigBee模塊和433 MHz遙控以實現遠程和近程控制家居燈具，交流電控制則采用雙向可控硅，近程控制采用433 MHz遙控器而非普通的紅外遙控模塊，使得系統運行更加穩定。

1 總體方案設計

本文所設計的燈控模塊結合遠程和近程兩種控制方式，提供穩定可靠的燈具控制方案，系統方案如圖1所示。

圖1 系統方案框圖

遠程控制方案：將ZigBee模塊作為終端設備接入現有的智能家居ZigBee網絡以實現雙向通信，通過現有的網絡模式遠程控制燈控模塊上的ZigBee模塊，實現控制220 V交流電路的通斷，從而控制燈具的開關。

近程控制方案：利用433 MHz遙控發射器進行編碼發出控制指令，遙控接收器進行解碼得到控制指令，輸出對應的電平信號給ZigBee模塊，ZigBee模塊讀取對應引腳的電平狀態，然后通過控制信號控制220 V交流電路的通斷，實現對燈具的控制。其中，ZigBee可以通過相應引腳的電平信號獲取當前燈具狀態，從而為燈具控制提供更高的可靠性與穩定性。

2 模塊硬件電路設計

2.1 可控硅控制電路設計

由于繼電器頻繁通斷會產生大量熱量，為了減少不必要的發熱及減小模塊的整體體積，本設計采用雙向可控硅代替常規電路中的繼電器。經過實驗測試，繼電器燈控模塊的發熱量與雙向可控硅燈控模塊工作時產生的熱量對比如圖2所示，該實驗結果顯示，雙向可控硅產生的熱量比繼電器要少。

圖2 繼電器燈控模塊與雙向可控硅燈控模塊的發熱量對比

本設計采用型號為MOC3061SR2M的光電可控硅控制驅動器，不僅能夠隔離高壓交流電和低壓直流電，同時還能控制大功率雙向可控硅狀態。光電可控硅的輸入采用光耦隔離，其絕緣電壓可以達到7500 V，觸發電流只需要15 mA，但是其負載能力低于200 mA。本設計中只用來控制后級電路的大功率可控硅Q1。由于ZigBee模塊IO口輸出能力只有4 mA，所以需要使用Q2的控制觸發電路保證足夠的電流觸發光電可控硅。DR信號是ZigBee模塊給定的控制信號電平，控制三極管Q2的導通和截止來控制后級電路狀態，電阻R3使三極管的控制信號在DR不確定時保持低電平，防止誤觸發。雙向可控硅維持導通的條件是兩個主電極T1和T2大于最小維持電壓和維持電流，對于交流電而言，電流方向為周期性變化，維持導通則必須在每次電流方向改變時重新給控制級足夠的正向電流和電壓，因此在軟件設計中需要持續導通的情況下，需要保持觸發信號。具體的電路設計如圖3所示。

圖3 可控硅控制電路

2.2 ZigBee模塊電路設計

本設計中采用型號為E18-MSI-PCB的ZigBee模塊，該模塊采用CC2530射頻芯片，芯片內部集成8051單片機及無線收發模塊，工作頻段在2405～2480 MHz，適用于ZigBee設計及2.4 GHz IEEE 802.15.4協議，并且該模塊引出所有的單片機IO口，同時具有板載PCB天線，實測無線通信距離可以達到200 m。該模塊的單片機IO口直接產生控制電平以控制可控硅電路的開關模式。控制可控硅電路的IO口是P0.5，具有3.3 V/4 mA的驅動能力，并具有上下拉及三態操作模式，完全滿足對可控硅電路的驅動需求。而433 MHz遙控接收器引腳電平讀取使用的IO口為P1.1，該引腳無上下拉輸入模式，可以免去在軟件上的設置，具有20 mA的驅動能力，輸入電壓為3.0～3.6 V，本設計選擇使用推薦電壓3.3 V，輸入引腳加入電容濾波，同時外部電路使用按鍵實現硬件復位，電路圖如圖4所示。

圖4 ZigBee模塊控制電路

2.3 AC-DC降壓電路設計

AC-DC降壓電路采用常州能動的AC-DC電源模塊ES03-S05，該模塊的輸入電壓帶寬為85～265 VAC,具有過溫和輸出短路保護等功能，輸出電壓為5 V，輸出電流為600 mA，輸出紋波+噪聲（峰-峰值）為2%V0的輸出能力。外圍電路的設計需要使用1 A/250 V 慢斷的保險絲來保證后級電路的使用安全，輸出電路中需要加入電容濾波，從而獲得更好的輸出特性，因此加入電容C2、C1、C10并聯以獲得更大電容量，同時降低電容的ESD特性，并且加入TVS二極管D1，保護后級電路。該TVS二極管反向關斷電壓是7 V，擊穿電壓最小值為7.5 V。其電路設計如圖5所示。

圖5 AC-DC降壓電路

整體電路在工作狀態時，用示波器測得5 V的輸出紋波為17.80 mV，輸出紋波遠小于ATX12V規范中的+5 V直流電源輸出紋波的最大值120 mV，滿足安全和穩定的使用要求。其中，示波器測量結果如圖6所示。

圖6 示波器測量結果

2.4 433 MHz遙控器電路設計

本設計采用凌承芯的433 MHz遙控器模塊靈1系列，該遙控器模塊具有成本低、自帶解碼、自動適應各種編碼、自動學習射頻遙控器等特點，具有匹配的發射和接收模塊。接收模塊可以通過按鍵進行學習對碼、輸出模式（翻轉、自鎖、點動、互鎖）設置等功能，模塊工作功耗非常低，適合用于電池遙控電路，同時接收器具有4路開關量輸出，對應發射器的4路按鈕電平，但本設計只選用其中的D2組作為控制信號。天線方案的選擇有：PCB板載天線、拉桿天線或單股/多股導線、彈簧天線。考慮到體積小及成本低，本設計選用彈簧天線作為模塊射頻天線，天線阻抗選擇50R，與射頻前端電路相匹配。433 MHz遙控器電路如圖7所示。

圖7 433 MHz遙控器電路

3 模塊軟件設計

3.1 通信設計

通信設計是解決燈控模塊中的ZigBee模塊加入現有的ZigBee網絡并與其進行數據交互的問題，其中需要將ZigBee模塊作為終端設備接入現有網絡。具體的通信流程如圖8所示。

圖8 通信流程

現有的智能家居網絡可以完成PC/APP到網關與ZigBee協調器的數據交互，本設計需要遵守ZigBee協調器和終端設備之間的協議。在加入不同的現有智能家居的網絡時，只需更改相應的通信協議即可。本設計采用的通信協議如表1所示。通信協議數據采用十六進制，開始符定義為0x3A，結束符定義為0x23，第一字節為終端ID號，即協調器和終端設備通信的唯一身份確認符，其為大小為8 bit，第二字節為命令的類型說明符，其中規定0為讀操作，1為寫操作，第三字節和第四字節為保留符，可以設置為任意值，但不可以缺省，第五字節為燈具狀態符：0為關閉狀態，1為開啟狀態。

表1 通信協議

3.2 Z-Stack協議棧開發設計

本設計是基于TI提供的Z-Stack協議棧開發的[9-10]，其運行流程如圖9所示。

圖9 Z-Stack協議棧運行流程

上電運行開始時，Z-Stack協議棧依次完成系統啟動、驅動電路初始化、OLSA初始化和驅動、進入任務輪詢模式，其中，與用戶開發關聯最大的是OLSA的初始化、啟動和任務輪詢。任務輪詢就是在查詢任務中是否有事件發生，如果有事件發生，則運行對應的事件函數進行處理。本模塊有兩種控制方式，一種是利用ZigBee協調器下發指令控制，另一種是利用433 MHz遙控器控制。所以，本模塊需要在兩個事件之間進行協調，在用戶任務中添加兩個事件及事件處理函數，處理協調器指令和433 MHz遙控器電平變化的事件。本模塊OSAL用戶任務調度流程如圖10所示。

圖10 OSAL用戶任務調度流程

系統會在各任務之間輪詢確認是否有相關任務被激活，在用戶任務中確認是否有控制指令和遙控器電平變化的事件發生，如果事件發生，則更新燈具的控制信號，反之則直接結束，跳過本次任務輪詢。

4 結語

在智能家居快速發展的時代，智能家居在改造過程中需要提高便捷性與可靠性。本文完成燈控模塊的硬件電路設計和軟件設計，給出一個ZigBee和433 MHz遙控相結合以完成遠程和近程的燈控方案。經過實際測試，該燈控方案完全可行，同時具有體積小、能耗低、通信距離可遠可近、穩定性高等特點。