基于ZigBee的電風(fēng)扇-繼電器控制

聶 川，秦會斌

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

智能家居[1,2]系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化的獨(dú)特魅力，對于改善現(xiàn)代人類的生活質(zhì)量，創(chuàng)造舒適、安全、便利的生活空間有著非常重要的意義，并具有非常廣闊的市場前景。通過ARM9開發(fā)板對電風(fēng)扇控制界面的控制，利用ZigBee無線傳輸技術(shù)[3]實(shí)現(xiàn)家庭中電風(fēng)扇的控制對實(shí)現(xiàn)其他家電的控制提供了基礎(chǔ)。

本文首先介紹了繼電器的工作原理，然后基于此原理，設(shè)計了電風(fēng)扇-繼電器控制的硬件電路。其次利用Qt開發(fā)環(huán)境對電風(fēng)扇控制的界面進(jìn)行了設(shè)計。最后對設(shè)計的硬件和軟件進(jìn)行測試，觀察電風(fēng)扇的風(fēng)速是否隨著界面檔位的改變而變化。

2 整體框架

本文中框架由ARM9開發(fā)板、ZigBee節(jié)點(diǎn)、電風(fēng)扇-繼電器控制電路組成，整個框架如圖1所示。

圖1 設(shè)計框架結(jié)構(gòu)

ARM9開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口相連，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給電風(fēng)扇-繼電器控制電路中的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，通過控制CC2530芯片的引腳實(shí)現(xiàn)對電風(fēng)扇檔位的控制，如圖1中所示，1和5代表的是串口通信，2和4代表ZigBee無線通信，3代表I/O控制。

3 硬件電路設(shè)計

固態(tài)繼電器由控制電路、驅(qū)動電路和被控電路構(gòu)成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制電路由器件三極管和發(fā)光二極管D1組成；驅(qū)動電路由光電晶體管D2和整流器JK組成。當(dāng)給控制電路兩端加上電壓后，會有電流流過發(fā)光二極管D1，二極管發(fā)出光線；驅(qū)動電路中的光電二極管D2吸收到控制電路中發(fā)光二極管發(fā)出的光線，產(chǎn)生很大的電流，從而觸發(fā)整流器給負(fù)載電路產(chǎn)生強(qiáng)大的電流。當(dāng)控制電路兩端沒有電壓時，發(fā)光二極管沒法給驅(qū)動電路中的光電晶體管發(fā)送光線，所以整流器沒法產(chǎn)生電流，沒法驅(qū)動負(fù)載。固態(tài)繼電器其實(shí)是利用觸發(fā)信號來控制被控電路，從而實(shí)現(xiàn)固態(tài)繼電器的閉合與斷開。

圖2 固態(tài)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

本文實(shí)驗(yàn)的電風(fēng)扇風(fēng)速共有四個檔位：空擋、一檔、二檔和三檔，在繼電器驅(qū)動電路上將3個繼電器放在一塊電路板上并且驅(qū)動電路的設(shè)計采用了高電平觸發(fā)方式，當(dāng)繼電器的IN端口輸入為高電平時，繼電器才會跳變，如圖3所示。本文采用常開端口連接負(fù)載，即三路公共端口與火線相連，常開端口分別與電風(fēng)扇的一檔（圖3中左邊輸出端的1）、二檔（圖3中中間輸出端的1）、三檔（圖3中右邊輸出端的1）相連構(gòu)成回路。由圖3所示，電路中的三個信號輸入端與ZigBee風(fēng)扇終端節(jié)點(diǎn)的P0_4、P0_5和P0_6 I/O口分別相接，使ZigBee的I/O口與電風(fēng)扇的檔位一一對應(yīng)；同時給繼電器提供5 V電源供電，如圖4供電電路所示。

圖3 3路繼電器組合圖

4 軟件界面設(shè)計

風(fēng)扇的控制界面由4個檔位和1個用于接收反饋信息的文本框構(gòu)成， Qt中控件對象間是通過信號/槽機(jī)制[4]進(jìn)行通信的。設(shè)計步驟如下：

（1）在Qt界面上拖放一個組合框、4個檔位按鈕、1個一鍵切換按鈕、1個返回按鈕和1個文本框，一鍵切換按鈕用來與其他界面進(jìn)行交互；返回按鈕用來返回上一次主界面；文本框用來接收反饋信息。

（2）在風(fēng)扇控制界面的.cpp文件中，添加風(fēng)扇使用的串口、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、流控、定時等參數(shù)，本文中串口使用COM2，波特率為115200，采用1個數(shù)據(jù)網(wǎng)以及無校驗(yàn)和無流控，設(shè)置定時器進(jìn)行啟動，編寫串口的接收和發(fā)送程序，如下所示：

圖4 供電電路

處理完（1）和（2）后，Qt風(fēng)扇界面設(shè)計成如圖5所示，當(dāng)觸發(fā)各個檔位時，文本框會顯示終端傳來的數(shù)據(jù)。

圖5 Qt風(fēng)扇控制界面

5 測試與結(jié)果

根據(jù)電風(fēng)扇-繼電器控制電路，設(shè)計出如圖6所示的實(shí)物圖以及ARM9測試實(shí)物圖，如圖7所示。

圖6 風(fēng)扇-繼電器控制實(shí)物圖

圖7 ARM9測試實(shí)物圖

測試步驟如下：

（1）選擇一檔，ZigBee協(xié)調(diào)器和電風(fēng)扇-繼電器控制電路的紅綠指示燈分別閃爍，且電風(fēng)扇-繼電器控制電路的藍(lán)色燈亮，電風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，同時ARM9開發(fā)板顯示反饋信息，如圖8、圖9，此時風(fēng)扇風(fēng)速較弱。

（2）選擇二檔，此時電路板繼電器控制電路的綠燈亮，風(fēng)扇風(fēng)速加快。

（3）選擇空擋，繼電器控制電路無燈亮，風(fēng)扇慢慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）選擇三檔，繼電器控制電路紅燈亮，風(fēng)扇再次運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)速較二檔時更快。

（5）選擇空擋，繼電器控制電路無燈亮，風(fēng)扇再次停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖8 ARM9風(fēng)扇控制界面選擇一檔

根據(jù)以上測試步驟，將測試200次的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，如表1所示。

表1 ARM9控制電風(fēng)扇200次的測試準(zhǔn)確率

分析造成準(zhǔn)確率降低的原因：在測試中，電風(fēng)扇-繼電器控制模塊首先采用電池供電，當(dāng)模塊長時間工作時，電池電壓下降，繼電器的供電電壓下降，造成繼電器偶爾不跳變。

圖9 對應(yīng)一檔實(shí)物顯示

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的電風(fēng)扇-繼電器控制電路對電風(fēng)扇的控制效果較好，對實(shí)現(xiàn)家庭中其他設(shè)備的控制具有一定的參考意義。

[1] 彭華. 智能家居中信息家電萬能遙控器的研究與設(shè)計[D]. 長沙：湖南師范大學(xué)，2008. 16-17.

[2] Bertsch LA. Development tools for home automation [J].Consumer Electronics, 1990, 36（4）∶ 854-858.

[3] 車喜龍. 基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)終端控制器的研究與設(shè)計[D]. 西安：長安大學(xué)，2013. 14-16.

[4] 龔凌璞. Qt框架中信號和槽機(jī)制的研究[J]. 計算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2013（11）∶ 281, 283.