基于ZigBee的电风扇-继电器控制

聂 川，秦会斌

（杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018）

1 引言

智能家居[1,2]系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化的独特魅力，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，并具有非常广阔的市场前景。通过ARM9开发板对电风扇控制界面的控制，利用ZigBee无线传输技术[3]实现家庭中电风扇的控制对实现其他家电的控制提供了基础。

本文首先介绍了继电器的工作原理，然后基于此原理，设计了电风扇-继电器控制的硬件电路。其次利用Qt开发环境对电风扇控制的界面进行了设计。最后对设计的硬件和软件进行测试，观察电风扇的风速是否随着界面档位的改变而变化。

2 整体框架

本文中框架由ARM9开发板、ZigBee节点、电风扇-继电器控制电路组成，整个框架如图1所示。

图1 设计框架结构

ARM9开发板与ZigBee协调器通过串口相连，协调器将收到的数据经ZigBee无线网络发送给电风扇-继电器控制电路中的ZigBee终端节点，通过控制CC2530芯片的引脚实现对电风扇档位的控制，如图1中所示，1和5代表的是串口通信，2和4代表ZigBee无线通信，3代表I/O控制。

3 硬件电路设计

固态继电器由控制电路、驱动电路和被控电路构成，其内部结构如图2所示，控制电路由器件三极管和发光二极管D1组成；驱动电路由光电晶体管D2和整流器JK组成。当给控制电路两端加上电压后，会有电流流过发光二极管D1，二极管发出光线；驱动电路中的光电二极管D2吸收到控制电路中发光二极管发出的光线，产生很大的电流，从而触发整流器给负载电路产生强大的电流。当控制电路两端没有电压时，发光二极管没法给驱动电路中的光电晶体管发送光线，所以整流器没法产生电流，没法驱动负载。固态继电器其实是利用触发信号来控制被控电路，从而实现固态继电器的闭合与断开。

图2 固态继电器内部结构图

本文实验的电风扇风速共有四个档位：空挡、一档、二档和三档，在继电器驱动电路上将3个继电器放在一块电路板上并且驱动电路的设计采用了高电平触发方式，当继电器的IN端口输入为高电平时，继电器才会跳变，如图3所示。本文采用常开端口连接负载，即三路公共端口与火线相连，常开端口分别与电风扇的一档（图3中左边输出端的1）、二档（图3中中间输出端的1）、三档（图3中右边输出端的1）相连构成回路。由图3所示，电路中的三个信号输入端与ZigBee风扇终端节点的P0_4、P0_5和P0_6 I/O口分别相接，使ZigBee的I/O口与电风扇的档位一一对应；同时给继电器提供5 V电源供电，如图4供电电路所示。

图3 3路继电器组合图

4 软件界面设计

风扇的控制界面由4个档位和1个用于接收反馈信息的文本框构成， Qt中控件对象间是通过信号/槽机制[4]进行通信的。设计步骤如下：

（1）在Qt界面上拖放一个组合框、4个档位按钮、1个一键切换按钮、1个返回按钮和1个文本框，一键切换按钮用来与其他界面进行交互；返回按钮用来返回上一次主界面；文本框用来接收反馈信息。

（2）在风扇控制界面的.cpp文件中，添加风扇使用的串口、波特率、数据位、校验位、流控、定时等参数，本文中串口使用COM2，波特率为115200，采用1个数据网以及无校验和无流控，设置定时器进行启动，编写串口的接收和发送程序，如下所示：

图4 供电电路

处理完（1）和（2）后，Qt风扇界面设计成如图5所示，当触发各个档位时，文本框会显示终端传来的数据。

图5 Qt风扇控制界面

5 测试与结果

根据电风扇-继电器控制电路，设计出如图6所示的实物图以及ARM9测试实物图，如图7所示。

图6 风扇-继电器控制实物图

图7 ARM9测试实物图

测试步骤如下：

（1）选择一档，ZigBee协调器和电风扇-继电器控制电路的红绿指示灯分别闪烁，且电风扇-继电器控制电路的蓝色灯亮，电风扇开始运转，同时ARM9开发板显示反馈信息，如图8、图9，此时风扇风速较弱。

（2）选择二档，此时电路板继电器控制电路的绿灯亮，风扇风速加快。

（3）选择空挡，继电器控制电路无灯亮，风扇慢慢停止运转。

（4）选择三档，继电器控制电路红灯亮，风扇再次运转，风速较二档时更快。

（5）选择空挡，继电器控制电路无灯亮，风扇再次停止运转。

图8 ARM9风扇控制界面选择一档

根据以上测试步骤，将测试200次的结果进行统计，如表1所示。

表1 ARM9控制电风扇200次的测试准确率

分析造成准确率降低的原因：在测试中，电风扇-继电器控制模块首先采用电池供电，当模块长时间工作时，电池电压下降，继电器的供电电压下降，造成继电器偶尔不跳变。

图9 对应一档实物显示

6 结束语

本文设计的电风扇-继电器控制电路对电风扇的控制效果较好，对实现家庭中其他设备的控制具有一定的参考意义。

[1] 彭华. 智能家居中信息家电万能遥控器的研究与设计[D]. 长沙：湖南师范大学，2008. 16-17.

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

[3] 车喜龙. 基于ZigBee的智能家居系统终端控制器的研究与设计[D]. 西安：长安大学，2013. 14-16.

[4] 龚凌璞. Qt框架中信号和槽机制的研究[J]. 计算机光盘软件与应用，2013（11）∶ 281, 283.