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(lián)網(wǎng)和人工智能的技術(shù)發(fā)展，越來越多的調(diào)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W(wǎng)IFI 模塊或藍牙模塊大量接入云端，可適應(yīng)遠程控制和本地手機控制。智能電視、空調(diào)、冰箱、電飯煲、空氣凈化器等逐步普及，給智能家居應(yīng)用場景相互聯(lián)動和無感化控制也創(chuàng)造了條件。智能家居的一個重要應(yīng)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(shè)備，還可以遠程掌控家中的溫濕度、空氣質(zhì)量、電器使用情況，并在回家前提前打開空調(diào)、窗簾、燈光、音響等設(shè)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(wǎng)關(guān)，通常具備短信收發(fā)、聯(lián)網(wǎng)、射頻無線轉(zhuǎn)發(fā)、紅外轉(zhuǎn)發(fā)等功能并配備電阻式觸摸屏，所有操作在顯示屏上實現(xiàn)，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(shè)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(shù)，使得每個開關(guān)、插座或電器終端都可以搭配極具性價比的WIFI 模塊入網(wǎng)[5-8]，智能家居控制方式逐步向分布式方向發(fā)展。

1 分布式智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

分布式智能家居控制系統(tǒng)以多功能可配置控制節(jié)點為單元，每個單元可獨立控制也可以聯(lián)網(wǎng)控制，可按鍵控制也可以手機控制。多功能可配置控制節(jié)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(qū)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(tǒng)框圖見圖1，其中，AC-DC 電源模塊部分主要將交流電轉(zhuǎn)換為12 V 或5 V 直流電給系統(tǒng)供電；MCU 單片機控制模塊是整個系統(tǒng)的核心，完成傳感器配置初始化與接口數(shù)據(jù)采集、WIFI 模塊初始化和串口命令解析執(zhí)行、按鍵信號響應(yīng)和邏輯控制，指示燈控制和反饋驅(qū)動等；WIFI 模塊主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)連接，通過WIFI 連接完成云端服務(wù)器命令與串口命令之間的轉(zhuǎn)換；傳感器信號采集模塊主要完成溫度、濕度、空氣質(zhì)量等信號采集與數(shù)字化處理；可配置驅(qū)動模塊支持繼電器驅(qū)動、多路0～10 V 調(diào)光驅(qū)動、485 總線驅(qū)動、多路可控硅調(diào)光驅(qū)動、多路PWM 調(diào)光驅(qū)動等；控制信號指示與反饋主要包括按鍵背光與指示燈調(diào)節(jié)控制，振動馬達驅(qū)動等。

圖1 多功能可配置控制節(jié)點系統(tǒng)框圖

實際硬件設(shè)計時控制板和電源板分開進行設(shè)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(qū)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(shè)計要求，兩塊板子通過板對板連接器互聯(lián)。

1.1 可配置驅(qū)動模塊硬件設(shè)計

智能家居應(yīng)用場景中，各種電器的電源開關(guān)，如窗簾控制的管狀電機、熱水器的電源開關(guān)等可由繼電器控制[9-11]，LED 照明設(shè)備的主要調(diào)光驅(qū)動有PWM調(diào)光、0～10 V 調(diào)光和可控硅調(diào)光，可配置驅(qū)動模塊把這些驅(qū)動電路設(shè)計在一塊電路板上，通過電阻跳線實現(xiàn)三合一調(diào)光。其中0～10 V 調(diào)光驅(qū)動電路采用JCP10 作為主控芯片，可同時實現(xiàn)三路LED 調(diào)光，支持三基色LED 調(diào)光。JCP10 內(nèi)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(diào)光燈具，又可以控制輸出型的LED 調(diào)光燈具，兼容目前市場上所有類型的0～10 V 調(diào)光LED 燈具。

PWM 驅(qū)動輸出利用CS32F103 的Timer 引腳直接輸出，可進行1 024 級精細數(shù)字調(diào)光，比傳統(tǒng)的可調(diào)電阻調(diào)光線性度和可調(diào)性更好。繼電器驅(qū)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{(diào)光原理是調(diào)節(jié)交流電每個半波的導(dǎo)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(xiàn)調(diào)光的目的，前沿調(diào)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(dǎo)通時，才有電壓輸入。由于需要判斷交流相位零，因此需要設(shè)計過零電路，圖2 是利用光耦制作的交流過零電路，經(jīng)驗證該設(shè)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(shè)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(qū)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(fā)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(yīng)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(qū)動電路中MOC3021 光耦的延時，達到精確控制每個半波導(dǎo)通角的目的，以消除頻閃和低亮度下不能完全關(guān)斷的問題。圖5 所示為可控硅驅(qū)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(qū)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(shè)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(diào)節(jié)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(xiàn)，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(zhuǎn)速11 000±2 500 RPM/Min，最大驅(qū)動電流80 mA，控制采用三極管驅(qū)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(jié)構(gòu)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(guī)設(shè)計CS32F103 單片機I/O 口的數(shù)量和電流驅(qū)動能力均無法滿足設(shè)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(fā)光二極管驅(qū)動器，采用小體積TSSOP-20 封裝，與單片機接口采用I2C，8 路驅(qū)動恒流輸出，輸入為3～5.5 V，開關(guān)頻率為1 MHz，輸出電流可調(diào)且最大為120 mA，電路設(shè)計如圖6(b)所示。

圖6 LED指示與振動驅(qū)動電路圖

1.3 WIFI模塊

WIFI 聯(lián)網(wǎng)選用目前成熟且廣泛應(yīng)用于嵌入式聯(lián)網(wǎng)的國產(chǎn)芯片ESP8266，該芯片是一款專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)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(xiàn)TCP/IP 連接，可適用于工業(yè)領(lǐng)域、移動設(shè)備、局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)[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(wěn)定可靠。在實際電路測試時發(fā)現(xiàn)，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(guān)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(fā)送AT 指令通過ESP8266 向互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)[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(chǎn)CS32F103CB 型32 位微控制器，該器件使用ARM Cortex-M3 32 位RISC 內(nèi)核，最大工作頻率為72 MHz，內(nèi)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(shè)，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(fā)和PWM 調(diào)光），電路設(shè)計使用外部8 MHz 晶振，內(nèi)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(zhì)量等傳感器，為節(jié)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?guī)2C 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(zhuǎn)換芯片TXS0102 進行轉(zhuǎn)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(wǎng)的全新控制器上電后，需要先進行配網(wǎng)，ESP8266 有一整套的SmartConfig 支持包，未配網(wǎng)的WIFI 模塊是AP 模式，其他WIFI 設(shè)備可以搜索到ESP8266 配置好的SSID，手機已經(jīng)通過無線WIFI 接入了路由器，而設(shè)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(shè)備，SmartConfig 可以理解為接入路由器的手機快速配置設(shè)備，使其接入路由器[15]。入網(wǎng)后的控制器在通過WIFI 模塊監(jiān)聽并響應(yīng)服務(wù)器端命令消息的同時，還會通過MCU 單片機控制模塊響應(yīng)按鍵中斷并執(zhí)行驅(qū)動程序，每次執(zhí)行完后，控制器會記錄當(dāng)前的指示燈亮度和驅(qū)動程序中的所有參數(shù)，在下次啟動初始化時讀取這些狀態(tài)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(shè)計

控制器的電路板在結(jié)構(gòu)上按照開關(guān)面板要求進行設(shè)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(qū)動模塊如繼電器、可控硅等強電部分設(shè)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(qū)動的電源板實物

結(jié)構(gòu)上，為方便實現(xiàn)物理實體按鍵操作和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)束語

隨著智能手機、語音控制等應(yīng)用場合逐步被人們接受，智能家居應(yīng)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(guān)的方式已不能滿足智能化、人性化的需求。能滿足多種驅(qū)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(lián)動，通過控制板與電源驅(qū)動板的靈活搭配，可支持多種應(yīng)用場景。同時，該智能家居控制器還預(yù)留了485 總線接口，支持有線應(yīng)用。

將來的智能家居還應(yīng)利用與手機的交互優(yōu)勢，利用地理位置獲取和大數(shù)據(jù)分析等智能化技術(shù)，針對特定位置和環(huán)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(xué)習(xí)每個家居環(huán)境的常用場景和主人習(xí)慣，進行自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)[16]。隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進步與發(fā)展，智能家居控制器融入并將成為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要節(jié)點，其使用也會更方便、更先進、更智能。