楊爭(zhēng)輝，李　多，葉　樺

（東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210096）

基于ZigBee的遠(yuǎn)紅外電熱膜無(wú)線溫控終端的設(shè)計(jì)*

楊爭(zhēng)輝，李多，葉樺*

（東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京210096）

隨著遠(yuǎn)紅外電熱膜在家庭供暖中的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)紅外電熱膜無(wú)線溫控終端。本無(wú)線溫控終端選用CC2530作為主控制器，利用TI公司提供的ZStack協(xié)議棧形成ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了終端與協(xié)調(diào)器的通信，解決了傳統(tǒng)溫控終端不能通信的問(wèn)題。并且，外接CC2591射頻前端功放模塊，提高了通信距離和通信質(zhì)量。將電容觸摸與段式LCD相結(jié)合，使人機(jī)界面更加高貴，典雅。通過(guò)測(cè)試，無(wú)線溫控終端運(yùn)行穩(wěn)定、通訊可靠，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

無(wú)線通信；ZigBee；CC2530；CC2591；遠(yuǎn)紅外電熱膜；溫控終端

遠(yuǎn)紅外電熱膜制熱原理是產(chǎn)品在電場(chǎng)的作用下，發(fā)熱體中的碳分子團(tuán)產(chǎn)生“布朗運(yùn)動(dòng)”，碳分子之間發(fā)生劇烈的摩擦和撞擊，產(chǎn)生的熱能以遠(yuǎn)紅外輻射和對(duì)流的形式對(duì)外傳遞，其電能與熱能的轉(zhuǎn)換率高達(dá)98%以上［1］。遠(yuǎn)紅外電熱膜采暖技術(shù)具有節(jié)能、舒適、無(wú)污染、無(wú)噪聲、使用壽命長(zhǎng)（幾十年）、使用安全、維修極為方便等優(yōu)勢(shì)［2］，因此在家庭供暖市場(chǎng)上異軍突起，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居也成為很有研究?jī)r(jià)值的領(lǐng)域。在家庭供暖中，每個(gè)取暖房間都需要安置一個(gè)遠(yuǎn)紅外電熱膜溫控終端，本無(wú)線溫控終端可以實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示地板溫度、室內(nèi)溫度，并根據(jù)用戶設(shè)置的溫度值進(jìn)行相應(yīng)的溫度控制。而且，與傳統(tǒng)的溫控終端相比，本無(wú)線溫控終端利用ZigBee技術(shù)形成家庭局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)通信功能。終端可以將房間的信息上傳到協(xié)調(diào)器上，用戶也可以通過(guò)協(xié)調(diào)器集中式的管理每個(gè)房間的終端，從而形成分散控制、集中管理的構(gòu)架。

1　系統(tǒng)總體架構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示，由以下3個(gè)部分構(gòu)成。

圖1　系統(tǒng)總體構(gòu)架

（1）無(wú)線溫控終端在家庭供暖中，每個(gè)取暖房間都需要安置一個(gè)無(wú)線溫控終端，該終端可以實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示地板溫度、室內(nèi)溫度，并進(jìn)行溫度控制。并且能夠通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信。

（2）協(xié)調(diào)器收集和處理各個(gè)溫控終端傳來(lái)的房間信息，用戶也可以通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)對(duì)各個(gè)房間進(jìn)行集中管理。

（3）用戶操作平臺(tái)用戶可以利用手機(jī)、電腦、平板等方式來(lái)登陸系統(tǒng)，進(jìn)行信息查詢與相應(yīng)的房間管理，例如，修改房間的設(shè)定溫度等。

本文主要介紹無(wú)線溫控終端的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2　無(wú)線溫控終端硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1無(wú)線溫控終端硬件設(shè)計(jì)框圖

無(wú)線溫控終端在功能需求上可分為3個(gè)部分，首先能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的采集和加熱元件的控制，其次用戶可以通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)置，最后能夠與協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互。根據(jù)上述需求設(shè)計(jì)了終端硬件框圖，如圖2所示。

圖2　終端硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2電源模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金升陽(yáng)LS03-R2系列產(chǎn)品是金升陽(yáng)公司提供的小型封裝形式的高效綠色模塊電源，該系列電源采用包封工藝具有交直流兩用、輸入電壓范圍寬、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔離等優(yōu)點(diǎn)，滿足國(guó)際UL60950/EN60950標(biāo)準(zhǔn)。廣泛適用于工控和電力儀器儀表、智能家居等對(duì)體積要求苛刻的場(chǎng)合，如果需要應(yīng)用于電磁兼容惡劣的環(huán)境下可以添加EMC外圍電路以解決問(wèn)題［3］。

無(wú)線溫控終端由220 V市電供電，采用金升陽(yáng)LS03-R2進(jìn)行AC-DC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生5 V直流電，為段式LCD和繼電器供電。通過(guò)穩(wěn)壓芯片AMS1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V為MCU-CC2530及其外圍電路供電。電源模塊的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　電源模塊系統(tǒng)框圖

2.3帶功放的CC2530系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

CC2530是德州儀器（TI）推出的完整的用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第2代片上系統(tǒng)解決方案。它結(jié)合了高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的8051微處理器，用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530在單個(gè)芯片上集成了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz頻段的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性［4］。

為提高通信距離和通信質(zhì)量，采用CC2530芯片外加低功耗射頻前端CC2591的方法來(lái)放大輸出功率，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

CC2591是一款TI公司推出的高性能低成本的射頻前端，集成了高性能的功率放大器（PA）和低噪聲放大器（LNA）。適用于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)監(jiān)控以及消費(fèi)電子等2.4 GHz無(wú)線系統(tǒng)。在發(fā)射端，CC2591相當(dāng)于在CC2530內(nèi)增加了一級(jí)功率放大器，使得準(zhǔn)備從天線發(fā)出信號(hào)的最大功率由原來(lái)CC2530的最大4.5 dBm提升至最大22 dBm。在接收端，CC2591內(nèi)部的LNA使得CC2530內(nèi)部收發(fā)器前端增加一級(jí)低噪放大器。若CC2591內(nèi)部LNA工作在高增益，將有效地抑制系統(tǒng)噪聲系數(shù)NF，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的接收靈敏度［5］。

本系統(tǒng)選用CC2530作為整個(gè)智能溫控終端的微控制器，控制各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作。CC2530核心板電路如圖4所示。并利用CC2591芯片來(lái)提高整個(gè)終端的通信質(zhì)量與通信距離。CC2530與CC2591射頻前端的硬件連接圖如圖5所示。

圖4CC2530核心板電路

2.4電容式觸摸屏設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

與傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵相比，電容式觸摸感應(yīng)按鍵不僅美觀時(shí)尚，而且壽命長(zhǎng)、功耗小、成本低、體積小、持久耐用。人的手指觸碰后會(huì)改變其電容，從而通過(guò)檢測(cè)觸摸板的電容來(lái)確定是否有手指按下。其電容組成如下：

其中固有寄生電容CB由PCB材質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定，它主要由銅盤與地之間的電容和電路形成的，一般就制作完成的觸摸板而言，該值是固定的。變化電容ΔC，主要指外界導(dǎo)體與PAD之間的寄生電容，通常也是檢測(cè)這個(gè)電容值的改變［6］。

本系統(tǒng)采用SC09A芯片來(lái)進(jìn)行觸摸按鍵管理。SC09A是帶自校正的容性觸摸感應(yīng)器，可以檢測(cè)9個(gè)感應(yīng)盤是否被觸摸。本智溫控能終端只有5個(gè)按鍵，因此只用到了5個(gè)檢測(cè)引腳。SC09A芯片保持自動(dòng)校正，無(wú)需外部干預(yù)。它的按鍵輸出經(jīng)過(guò)完全的消抖處理，采用I2C串行接口。所有按鍵共用一個(gè)靈敏度電容，可以通過(guò)選用不同的靈敏電容來(lái)改變觸摸按鍵板的靈敏度。接口電路如圖6所示。

圖5　CC2530與CC2591射頻前端的硬件連接圖

圖6SC09A芯片接口電路

CDC是靈敏度設(shè)置電容，取值范圍是15 pF～100 pF，電容值越小靈敏度越高。但靈敏度越高，容易受到噪聲干擾，本系統(tǒng)中CDC電容選取為20 pF。

2.5段式LCD顯示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

段式LCD類似于LED數(shù)碼管，顯示的內(nèi)容由筆劃像素組成，主要用于數(shù)字顯示，也可以顯示西文字母、某些專用符號(hào)或固定符號(hào)。與點(diǎn)陣LCD相比較，段式LCD的像素在排列和外形上很自由，在特定LOGO的顯示方面更有優(yōu)勢(shì)。

LCD是一種被動(dòng)式顯示器，它本身并不發(fā)光。對(duì)LCD必須采用交流驅(qū)動(dòng)法，即所施加的電壓必須周期性地改變極性，否則LCD中將發(fā)生化學(xué)變化，并導(dǎo)致液晶的損壞，通常采用50 Hz～100 Hz的方波，其直流分量在100 mV以下［7］。

本無(wú)線溫控終端采用的段式LCD，5 V電源供電，1/8占空比，1/4的偏置電壓，8個(gè)COM，10個(gè)SEG。如果使用微控制器直接驅(qū)動(dòng)，需要18個(gè)I/O口，對(duì)于CC2530所具有的I/O口數(shù)量而言顯然是不可行的。

本無(wú)線溫控終端，采用HT1622作為段式LCD的驅(qū)動(dòng)芯片。HT1622工作電壓2.4 V～5.2 V，可選1/2或1/3偏置和1/2、1/3或1/4的占空比。最多支持8COM，32SEG。而且只需要4個(gè)I/O口就可以實(shí)現(xiàn)CC2530通過(guò)HT1622來(lái)驅(qū)動(dòng)段式LCD的顯示?？梢源蟠蠊?jié)省I/O口資源。CC2530與HT1622的硬件連接如圖7所示。

圖7CC2530與HT1622的硬件連接

3　無(wú)線溫控終端軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1基于Z-STACK協(xié)議棧的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信協(xié)議。由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。ZigBee協(xié)議工作在868 MHz、915 MHz、2.4G Hz這3個(gè)頻段，采用CSMA—CA信道接人方式?？捎行П苊馔ㄐ艣_突［8］。

圖8　ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

無(wú)線溫控終端采用TI公司推出的Zstack協(xié)議棧進(jìn)行ZigBee編程。Zstack是TI公司推出的一款業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧，它包括了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膸缀跞抗δ艿膮f(xié)議棧，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的ZigBee領(lǐng)域占有很重要的地位［9］。Zstack協(xié)議棧中提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序，協(xié)議棧操作的具體細(xì)節(jié)都被封裝在庫(kù)代碼中，只為用戶提供API接口來(lái)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。對(duì)于用戶而言非常簡(jiǎn)單，可靠，大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各個(gè)溫控終端進(jìn)行統(tǒng)一管理。

無(wú)線溫控終端主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)溫度和地板溫度，通過(guò)設(shè)定溫度對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的溫度控制。接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的采集指令，無(wú)線終端將當(dāng)前溫度、工作狀態(tài)、繼電器狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、設(shè)置溫度等發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口通信上傳至上位機(jī)；用戶也可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)終端信息進(jìn)行修改，例如：當(dāng)接收到關(guān)機(jī)指令時(shí)，無(wú)線溫控終端進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。無(wú)線溫控終端程序流程圖如圖9所示。

圖9　無(wú)線溫控終端程序流程圖

3.2溫度采集與控制方案

溫度采集模塊由室內(nèi)溫度采集傳感器和地板溫度采集傳感器兩部分組成。溫度采集模塊將室溫與地板溫度傳遞到CC2530，系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的控制策略控制電熱膜，以達(dá)到控制溫度的目的。

無(wú)線溫控終端選擇MF52AT的NTC熱敏電阻作為溫度傳感器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的溫度采集電路，使用CC2530內(nèi)部的ADC采集電路電壓，通過(guò)查表法獲得實(shí)際溫度。溫度采集電路如圖10所示。

圖10　溫度采集電路

低溫電熱膜是一種通電后能發(fā)熱的半透明聚酯薄膜，由可導(dǎo)電的特制油墨、金屬載流條熱壓在絕緣薄膜間制成［10］。因此可以將電熱膜看作純電阻負(fù)載。本智能溫控終端采用240 VAC/30 A的繼電器作為控制元件，繼電器開(kāi)合決定電熱膜是否進(jìn)行加熱，從而達(dá)到控制溫度的效果。

無(wú)線溫控終端采用遲滯控制和過(guò)熱保護(hù)的溫度控制方案。遲滯控制可以避免繼電器頻繁開(kāi)合，從而大大延長(zhǎng)了繼電器的工作壽命，也兼顧了溫控效果的平穩(wěn)性；過(guò)熱保護(hù)可以防止誤操作，保護(hù)加熱元件，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。溫度控制方案流程如下所示：

（1）采集加熱元件與室內(nèi)溫度

（2）判斷加熱元件溫度是否低于設(shè)定閾值，如果低于設(shè)定閾值，跳轉(zhuǎn)到步驟（3）；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟（5）。

（3）判斷室內(nèi)溫度是否大于上限閾值，如果大于上限閾值，跳轉(zhuǎn)到步驟（5）；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟（4）。

（4）判斷室內(nèi)溫度是否小于下限閾值，如果小于下限閾值，跳轉(zhuǎn)到步驟（6）；否則，跳轉(zhuǎn)到步驟（7）。

（5）斷開(kāi)繼電器

（6）閉合繼電器

（7）不改變繼電器狀態(tài)

判斷定時(shí)中斷是否產(chǎn)生，如果產(chǎn)生中斷，則循環(huán)步驟（1）～步驟（7）。

4　測(cè)試

4.1功能性測(cè)試

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合性的功能測(cè)試，完全可以達(dá)到前述無(wú)線溫控終端功能需求。本無(wú)線溫控終端可以實(shí)時(shí)采集溫度信息并按照預(yù)設(shè)的控制方案進(jìn)行溫度控制；能夠通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)將溫度、工作狀態(tài)、開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)等信息傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口通信傳至上位機(jī)；上位機(jī)可以對(duì)相應(yīng)終端進(jìn)行設(shè)置操作，從而改變相應(yīng)終端的狀態(tài)。

圖11　無(wú)線溫控終端實(shí)物圖

4.2性能測(cè)試

（1）溫控性能測(cè)試

對(duì)整個(gè)終端進(jìn)行溫控性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境：房間面積（4.5 m×5.5 m），無(wú)線溫控終端室溫設(shè)置值為25℃，加熱元件設(shè)定閾值為35℃。進(jìn)行3次溫控性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表所示：

表1　溫控性能測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，溫度控制性能完全符合±1℃的要求。

（2）通信性能測(cè)試

通信性能測(cè)試主要分為兩個(gè)方面，一個(gè)是無(wú)障礙測(cè)試，另一個(gè)是有障礙測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如表2、表3所示。

表2　無(wú)障礙通信性能測(cè)試結(jié)果

表3　有障礙通信性能測(cè)試結(jié)果

其中有障礙測(cè)試，4 m測(cè)試距離內(nèi)有一堵25 cm厚墻體，8 m測(cè)試距離內(nèi)有一堵25 cm厚墻體，12 m測(cè)試距離內(nèi)有兩堵25 cm厚墻體。

從整個(gè)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，終端與協(xié)調(diào)器之間的ZigBee通信在短距離內(nèi)還是相當(dāng)可靠的。

為加強(qiáng)無(wú)線通信的可靠性，還加入了智能重連功能，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)發(fā)送心跳包，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有得到相應(yīng)則會(huì)進(jìn)行重新連接。

5　結(jié)論

本無(wú)線溫控終端以CC2530作為核心處理器，利用TI公司提供的Zstack協(xié)議棧形成ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)電容式觸摸按鍵和段式LCD來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。經(jīng)過(guò)功能測(cè)試，本系統(tǒng)可以滿足功能需求。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度信息的采集、溫度的控制以及無(wú)線通信等功能。本無(wú)線溫控終端運(yùn)行穩(wěn)定，溫度控制效果良好，通信功能可靠性高。

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楊爭(zhēng)輝（1991-），男，漢族，山東省萊州市人，東南大學(xué)碩士研究生在讀，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)，ZhengHuiY@ foxmail.com；

葉樺（1961-），男，漢族，江蘇省南京市，東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別與智能系統(tǒng)，zhineng@seu.edu.cn。

Design of a Far-Infrared Electrothermal Film Wireless Temperature Control Terminal Based on ZigBee*

YANG Zhenghui，LI Duo，YE Hua*
（School of Automation，Southeast University，Nanjing 210096，China）

On the background of far-infrared electrothermal heating application，a wireless temperature control terminal based on ZigBee has been designed.CC2530 is chosen as microprocessor to control different modules.Based on Zstack developed by TI，a wireless data acquisition network based on ZigBee agreement construction has been established.Data transmission between coordinator and terminal has been realized.CC2530 is externally connected with CC2591 RF front-end power amplifier module to increase the communication distance and to improve the communication quality.Capsense touch button and segment type liquid crystal display are used in the wireless temperature control terminal to improve performance of the terminal.According to the results of tests，the wireless temperature control terminal works steadily and the communication is reliable.

smart home；ZigBee；CC2530；CC2591；far-infrared electrothermal film；stiction control

O484.4

A

1005-9490（2016）05-1185-07

項(xiàng)目來(lái)源：江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目

2015-09-22修改日期：2015-10-15

EEACC:7320K10.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.033