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          EEPW首頁(yè) > 手機(jī)與無(wú)線通信 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于ZigBee和觸摸感應(yīng)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)

          基于ZigBee和觸摸感應(yīng)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)

          作者:李春雨 孫憲坤 吳飛 陳濤 時(shí)間:2015-10-09 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:傳統(tǒng)家庭智能照明控制系統(tǒng)采用有線方式搭建家庭局域網(wǎng),利用導(dǎo)線傳輸控制信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)埋大量控制線,布線較為繁瑣;并且所用控制開(kāi)關(guān)大都采用觸點(diǎn)接觸式墻壁開(kāi)關(guān),長(zhǎng)久使用觸點(diǎn)易磨損,接觸不良導(dǎo)致開(kāi)關(guān)可靠性降低。針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一套基于ZigBee和電容觸摸感應(yīng)技術(shù)的照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)代替有線方式搭建家庭局域網(wǎng),省去了預(yù)埋控制線的繁瑣布線工作;系統(tǒng)燈控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部MCU采用電容式觸摸感應(yīng)焊盤(pán)檢測(cè)手指觸壓,之后驅(qū)動(dòng)雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來(lái)控制燈光亮滅,從而起到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制作用。測(cè)試結(jié)果表明

          摘要:傳統(tǒng)家庭智能系統(tǒng)采用有線方式搭建家庭局域網(wǎng),利用導(dǎo)線傳輸控制信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)埋大量控制線,布線較為繁瑣;并且所用控制開(kāi)關(guān)大都采用觸點(diǎn)接觸式墻壁開(kāi)關(guān),長(zhǎng)久使用觸點(diǎn)易磨損,接觸不良導(dǎo)致開(kāi)關(guān)可靠性降低。針對(duì)以上問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一套基于和電容技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)代替有線方式搭建家庭局域網(wǎng),省去了預(yù)埋控制線的繁瑣布線工作;系統(tǒng)燈控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部MCU采用電容式焊盤(pán)檢測(cè)手指觸壓,之后驅(qū)動(dòng)雙向可控硅的導(dǎo)通與截止來(lái)控制燈光亮滅,從而起到無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制作用。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,控制可靠,能有效利用網(wǎng)絡(luò)和觸摸按鍵控制家中燈光亮滅。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/280686.htm

          引言

            隨著科技的發(fā)展,人們對(duì)家居環(huán)境不斷提出新的要求。在追求高效、舒適、便捷的同時(shí)更加注重居室環(huán)境的智能化。智能照明作為智能化家居的重要組成部分,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多科研人員對(duì)其進(jìn)行了大量研究。如周曉偉 [1-2]、徐勇[3]等提出的智能系統(tǒng)可以根據(jù)周圍環(huán)境自動(dòng)調(diào)整照明模式或通過(guò)PC機(jī)終端預(yù)設(shè)照明模式。李治斌等[4]設(shè)計(jì)的智能調(diào)光開(kāi)關(guān)在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)中加入ZigBee模塊,實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)或平板電腦安裝客戶端軟件對(duì)燈泡進(jìn)行調(diào)光操作。以上工作均采用ZigBee組網(wǎng)無(wú)線通信方式控制,省去了傳統(tǒng)有線照明控制系統(tǒng)中繁瑣的布線工作,但只能借助PC機(jī)或手機(jī)等終端設(shè)備控制,沒(méi)有涉及利用開(kāi)關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。

            由于傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)存在觸點(diǎn)易磨損,使用壽命短,硬件成本高等缺點(diǎn),而電容式感應(yīng)按鍵具有無(wú)機(jī)械磨損,壽命長(zhǎng),可靠性不會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低,硬件成本低,防水防污,易清潔和時(shí)尚等優(yōu)點(diǎn)[5]已在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

            在此背景下,本文開(kāi)發(fā)了一套不僅可以利用手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,而且可以利用觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制燈光亮滅的照明控制系統(tǒng)。

          1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

            本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)主機(jī)和燈控節(jié)點(diǎn)兩部分組成,這兩部分通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。燈控節(jié)點(diǎn)取代傳統(tǒng)墻壁開(kāi)關(guān)嵌入墻壁86型底盒內(nèi),并配有控制燈光的觸摸按鍵。用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)控制兩種方式控制燈光亮滅。遠(yuǎn)程控制時(shí),用戶點(diǎn)擊手機(jī)APP軟件操作界面上的燈泡圖標(biāo),開(kāi)關(guān)燈命令通過(guò)因特網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)主機(jī),系統(tǒng)主機(jī)再將該命令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到燈控節(jié)點(diǎn),燈控節(jié)點(diǎn)中的MCU根據(jù)接收到的命令驅(qū)動(dòng)雙向可控硅導(dǎo)通與截止來(lái)控制燈泡接入火線與否,實(shí)現(xiàn)燈光亮滅控制。現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí),用戶觸摸燈控節(jié)點(diǎn)面板上的不同燈泡圖標(biāo),燈控節(jié)點(diǎn)內(nèi)MCU檢測(cè)到手指觸壓后用同樣通過(guò)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅導(dǎo)通與截止來(lái)控制燈光亮滅。系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。


          2 燈控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

            燈控節(jié)點(diǎn)由電源模塊、PIC16F1936微控制器模塊、ZigBee通信模塊、按鍵模塊、燈光控制模塊組成。燈控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

          2.1 電源模塊

            由于燈泡采用市電供電,而微控制器芯片和ZigBee通信芯片采用直流3.3V供電,故燈控節(jié)點(diǎn)直接接入220V市電,市電經(jīng)MB6S整流后輸入FSEZ1317芯片和變壓器T2降壓得到12V直流電,再由LM1117-3.3及其外圍電路穩(wěn)壓濾波到直流3.3V給PIC16F1936和CC2530芯片供電。電源模塊原理圖如圖3所示。

          2.2 PIC16F1936微控制器模塊

            PIC16F1936微控制器是微芯公司生產(chǎn)的8位CMOS閃存單片機(jī),具有體積小、功耗低、抗干擾性好、可靠性高、模擬接口功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。片內(nèi)外設(shè)資源豐富,主要包括I/O端口、電容觸摸傳感模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、EEPROM、定時(shí)器、串口等。燈控節(jié)點(diǎn)中他負(fù)責(zé)處理ZigBee通信模塊接收到的數(shù)據(jù),從中提取控制命令進(jìn)行相應(yīng)操作,同時(shí)也進(jìn)行按鍵掃描檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)操作。

          2.3 ZigBee通信模塊

            ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議,該協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù),具有使用方便、價(jià)格低廉、工作可靠等特點(diǎn)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)器件工作模式包含協(xié)調(diào)器、全功能模式和簡(jiǎn)化功能模式三種[6]。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、維護(hù)和管理,一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器,在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機(jī)內(nèi);燈控節(jié)點(diǎn)采用全功能模式,既可作為路由節(jié)點(diǎn),也可以作為終端傳感器節(jié)點(diǎn);簡(jiǎn)化功能器件只能作為終端無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。

            本模塊采用CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的解決方案。CC2530采用了新一代2.4GHz SoC片上系統(tǒng),支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),其內(nèi)部集成了一個(gè)抗干擾性和靈敏度都較高的RF收發(fā)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器,擁有2個(gè)USART、12位的ADC和21個(gè)通用GPIO等豐富的外設(shè)接口。該芯片只需極少的電阻電容就能搭建完整的ZigBee收發(fā)電路,通過(guò)串口與單片機(jī)通信,使用相當(dāng)簡(jiǎn)便。

          2.4 按鍵模塊

            按鍵模塊采用13mm×10mm 的矩形電路板焊盤(pán)通過(guò)0.2mm走線直接連接到單片機(jī)電容觸摸傳感模塊引腳實(shí)現(xiàn)。PIC16F1936單片機(jī)自帶電容傳感RC振蕩器,其中振蕩時(shí)間常數(shù)= RC = R(Cp + Cf)。Cp為焊盤(pán)與地之間的寄生電容,Cf為手指觸摸焊盤(pán)時(shí)焊盤(pán)-手指-地之間的感應(yīng)電容,未觸摸時(shí)該值為0,觸摸后Cf大于0,導(dǎo)致RC時(shí)間常數(shù)τ增大,振蕩器頻率減小,單片機(jī)檢測(cè)到這一頻率變化后判斷出焊盤(pán)被手指觸壓。觸摸時(shí)電容增量百分比是:

            由上式可見(jiàn)為了提高的靈敏度,需減小寄生電容Cp值,可以通過(guò)使觸摸焊盤(pán)以較窄的走線連到單片機(jī)同時(shí)遠(yuǎn)離地實(shí)現(xiàn)。如圖4是按鍵模塊PCB圖,為了減小Cp值,觸摸焊盤(pán)位于保護(hù)環(huán)內(nèi),距離保護(hù)環(huán)0.2 mm,所有保護(hù)環(huán)連在一起通過(guò)10K電阻連到單片機(jī)I/O口,該I/O口始終輸出低電平。觸摸按鍵通過(guò)0.2mm走線串接10K電阻連到單片機(jī)檢測(cè)引腳。為了提高抗電磁干擾能力,焊盤(pán)返回單片機(jī)的走線被保護(hù)環(huán)走線包裹同時(shí)焊盤(pán)下方不走線。

          2.5 燈光控制模塊

            本模塊采用單片機(jī)檢測(cè)市電過(guò)零點(diǎn)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)雙向可控硅導(dǎo)通與截止控制燈光亮滅。燈光控制模塊電路圖如圖5所示。

            當(dāng)單片機(jī)引腳檢測(cè)到市電零點(diǎn)時(shí),P1.0 引腳輸出負(fù)脈沖,使Q3導(dǎo)通,MOC3021導(dǎo)通,觸發(fā)雙向可控硅Q1導(dǎo)通,燈泡負(fù)載與交流火線接通點(diǎn)亮。若要關(guān)閉燈泡,只需P1.0始終保持高電平。圖5中R6為觸發(fā)限流電阻,R7為門(mén)極電阻,用以提高雙向可控硅抗干擾能力。R9和C14組成RC阻容吸收電路,對(duì)雙向可控硅Q1進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。


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