聶 川，秦會(huì)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(duì)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(chǎng)前景。通過(guò)ARM9開發(fā)板對(duì)電風(fēng)扇控制界面的控制，利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)[3]實(shí)現(xiàn)家庭中電風(fēng)扇的控制對(duì)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(jì)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(duì)電風(fēng)扇控制的界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后對(duì)設(shè)計(jì)的硬件和軟件進(jìn)行測(cè)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(gè)框架如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)

ARM9開發(fā)板與ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口相連，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無(wú)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(guò)控制CC2530芯片的引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)線通信，3代表I/O控制。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

固態(tài)繼電器由控制電路、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(huì)有電流流過(guò)發(fā)光二極管D1，二極管發(fā)出光線；驅(qū)動(dòng)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(shí)，發(fā)光二極管沒法給驅(qū)動(dòng)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(dòng)負(fù)載。固態(tài)繼電器其實(shí)是利用觸發(fā)信號(hào)來(lái)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(gè)檔位：空擋、一檔、二檔和三檔，在繼電器驅(qū)動(dòng)電路上將3個(gè)繼電器放在一塊電路板上并且驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(shí)，繼電器才會(huì)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(gè)信號(hào)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(duì)應(yīng)；同時(shí)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(jì)

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

（1）在Qt界面上拖放一個(gè)組合框、4個(gè)檔位按鈕、1個(gè)一鍵切換按鈕、1個(gè)返回按鈕和1個(gè)文本框，一鍵切換按鈕用來(lái)與其他界面進(jìn)行交互；返回按鈕用來(lái)返回上一次主界面；文本框用來(lái)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(shí)等參數(shù)，本文中串口使用COM2，波特率為115200，采用1個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)以及無(wú)校驗(yàn)和無(wú)流控，設(shè)置定時(shí)器進(jìn)行啟動(dòng)，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(jì)成如圖5所示，當(dāng)觸發(fā)各個(gè)檔位時(shí)，文本框會(huì)顯示終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)。

圖5 Qt風(fēng)扇控制界面

5 測(cè)試與結(jié)果

根據(jù)電風(fēng)扇-繼電器控制電路，設(shè)計(jì)出如圖6所示的實(shí)物圖以及ARM9測(cè)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(cè)試實(shí)物圖

測(cè)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(shí)ARM9開發(fā)板顯示反饋信息，如圖8、圖9，此時(shí)風(fēng)扇風(fēng)速較弱。

（2）選擇二檔，此時(shí)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(wú)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(shí)更快。

（5）選擇空擋，繼電器控制電路無(wú)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(cè)試步驟，將測(cè)試200次的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 ARM9控制電風(fēng)扇200次的測(cè)試準(zhǔn)確率

分析造成準(zhǔn)確率降低的原因：在測(cè)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(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，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(duì)應(yīng)一檔實(shí)物顯示

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電風(fēng)扇-繼電器控制電路對(duì)電風(fēng)扇的控制效果較好，對(duì)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(wàn)能遙控器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)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(jì)[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013. 14-16.

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