基于ZigBee的远红外电热膜无线温控终端的设计*

杨争辉，李　多，叶　桦

（东南大学自动化学院，南京210096）

基于ZigBee的远红外电热膜无线温控终端的设计*

杨争辉，李多，叶桦*

（东南大学自动化学院，南京210096）

随着远红外电热膜在家庭供暖中的广泛应用，设计了一种基于ZigBee技术的远红外电热膜无线温控终端。本无线温控终端选用CC2530作为主控制器，利用TI公司提供的ZStack协议栈形成ZigBee无线通信网络，实现了终端与协调器的通信，解决了传统温控终端不能通信的问题。并且，外接CC2591射频前端功放模块，提高了通信距离和通信质量。将电容触摸与段式LCD相结合，使人机界面更加高贵，典雅。通过测试，无线温控终端运行稳定、通讯可靠，满足系统的设计需求。

无线通信；ZigBee；CC2530；CC2591；远红外电热膜；温控终端

远红外电热膜制热原理是产品在电场的作用下，发热体中的碳分子团产生“布朗运动”，碳分子之间发生剧烈的摩擦和撞击，产生的热能以远红外辐射和对流的形式对外传递，其电能与热能的转换率高达98%以上［1］。远红外电热膜采暖技术具有节能、舒适、无污染、无噪声、使用寿命长（几十年）、使用安全、维修极为方便等优势［2］，因此在家庭供暖市场上异军突起，受到越来越多的关注。

随着物联网的发展，智能家居也成为很有研究价值的领域。在家庭供暖中，每个取暖房间都需要安置一个远红外电热膜温控终端，本无线温控终端可以实时测量与显示地板温度、室内温度，并根据用户设置的温度值进行相应的温度控制。而且，与传统的温控终端相比，本无线温控终端利用ZigBee技术形成家庭局域网，实现通信功能。终端可以将房间的信息上传到协调器上，用户也可以通过协调器集中式的管理每个房间的终端，从而形成分散控制、集中管理的构架。

1　系统总体架构及设计方案

整个系统如图1所示，由以下3个部分构成。

图1　系统总体构架

（1）无线温控终端在家庭供暖中，每个取暖房间都需要安置一个无线温控终端，该终端可以实时测量与显示地板温度、室内温度，并进行温度控制。并且能够通过ZigBee无线网络与协调器通信。

（2）协调器收集和处理各个温控终端传来的房间信息，用户也可以通过协调器来对各个房间进行集中管理。

（3）用户操作平台用户可以利用手机、电脑、平板等方式来登陆系统，进行信息查询与相应的房间管理，例如，修改房间的设定温度等。

本文主要介绍无线温控终端的软硬件设计与实现。

2　无线温控终端硬件设计与实现

2.1无线温控终端硬件设计框图

无线温控终端在功能需求上可分为3个部分，首先能够实现温度的采集和加热元件的控制，其次用户可以通过人机界面实现温度设置，最后能够与协调器通过ZigBee网络进行信息交互。根据上述需求设计了终端硬件框图，如图2所示。

图2　终端硬件设计框图

2.2电源模块的设计与实现

金升阳LS03-R2系列产品是金升阳公司提供的小型封装形式的高效绿色模块电源，该系列电源采用包封工艺具有交直流两用、输入电压范围宽、高效率、高可靠性、低功耗、安全隔离等优点，满足国际UL60950/EN60950标准。广泛适用于工控和电力仪器仪表、智能家居等对体积要求苛刻的场合，如果需要应用于电磁兼容恶劣的环境下可以添加EMC外围电路以解决问题［3］。

无线温控终端由220 V市电供电，采用金升阳LS03-R2进行AC-DC转换，产生5 V直流电，为段式LCD和继电器供电。通过稳压芯片AMS1117将5 V电压转换为3.3 V为MCU-CC2530及其外围电路供电。电源模块的系统框图如图3所示。

图3　电源模块系统框图

2.3带功放的CC2530系统设计及实现

CC2530是德州仪器（TI）推出的完整的用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第2代片上系统解决方案。它结合了高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器和一个高性能低功耗的8051微处理器，用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。CC2530在单个芯片上集成了IEEE 802.15.4标准2.4 GHz频段的RF无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性［4］。

为提高通信距离和通信质量，采用CC2530芯片外加低功耗射频前端CC2591的方法来放大输出功率，大大简化了射频电路的设计，缩短了开发周期。

CC2591是一款TI公司推出的高性能低成本的射频前端，集成了高性能的功率放大器（PA）和低噪声放大器（LNA）。适用于ZigBee传感器网络、工业监控以及消费电子等2.4 GHz无线系统。在发射端，CC2591相当于在CC2530内增加了一级功率放大器，使得准备从天线发出信号的最大功率由原来CC2530的最大4.5 dBm提升至最大22 dBm。在接收端，CC2591内部的LNA使得CC2530内部收发器前端增加一级低噪放大器。若CC2591内部LNA工作在高增益，将有效地抑制系统噪声系数NF，进一步改善系统的接收灵敏度［5］。

本系统选用CC2530作为整个智能温控终端的微控制器，控制各个模块协调工作。CC2530核心板电路如图4所示。并利用CC2591芯片来提高整个终端的通信质量与通信距离。CC2530与CC2591射频前端的硬件连接图如图5所示。

图4CC2530核心板电路

2.4电容式触摸屏设计与实现

与传统的机械按键相比，电容式触摸感应按键不仅美观时尚，而且寿命长、功耗小、成本低、体积小、持久耐用。人的手指触碰后会改变其电容，从而通过检测触摸板的电容来确定是否有手指按下。其电容组成如下：

其中固有寄生电容CB由PCB材质和结构决定，它主要由铜盘与地之间的电容和电路形成的，一般就制作完成的触摸板而言，该值是固定的。变化电容ΔC，主要指外界导体与PAD之间的寄生电容，通常也是检测这个电容值的改变［6］。

本系统采用SC09A芯片来进行触摸按键管理。SC09A是带自校正的容性触摸感应器，可以检测9个感应盘是否被触摸。本智温控能终端只有5个按键，因此只用到了5个检测引脚。SC09A芯片保持自动校正，无需外部干预。它的按键输出经过完全的消抖处理，采用I2C串行接口。所有按键共用一个灵敏度电容，可以通过选用不同的灵敏电容来改变触摸按键板的灵敏度。接口电路如图6所示。

图5　CC2530与CC2591射频前端的硬件连接图

图6SC09A芯片接口电路

CDC是灵敏度设置电容，取值范围是15 pF～100 pF，电容值越小灵敏度越高。但灵敏度越高，容易受到噪声干扰，本系统中CDC电容选取为20 pF。

2.5段式LCD显示的设计与实现

段式LCD类似于LED数码管，显示的内容由笔划像素组成，主要用于数字显示，也可以显示西文字母、某些专用符号或固定符号。与点阵LCD相比较，段式LCD的像素在排列和外形上很自由，在特定LOGO的显示方面更有优势。

LCD是一种被动式显示器，它本身并不发光。对LCD必须采用交流驱动法，即所施加的电压必须周期性地改变极性，否则LCD中将发生化学变化，并导致液晶的损坏，通常采用50 Hz～100 Hz的方波，其直流分量在100 mV以下［7］。

本无线温控终端采用的段式LCD，5 V电源供电，1/8占空比，1/4的偏置电压，8个COM，10个SEG。如果使用微控制器直接驱动，需要18个I/O口，对于CC2530所具有的I/O口数量而言显然是不可行的。

本无线温控终端，采用HT1622作为段式LCD的驱动芯片。HT1622工作电压2.4 V～5.2 V，可选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个I/O口就可以实现CC2530通过HT1622来驱动段式LCD的显示。可以大大节省I/O口资源。CC2530与HT1622的硬件连接如图7所示。

图7CC2530与HT1622的硬件连接

3　无线温控终端软件设计与实现

3.1基于Z-STACK协议栈的软件设计与实现

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信协议。由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其结构如图8所示。ZigBee协议工作在868 MHz、915 MHz、2.4G Hz这3个频段，采用CSMA—CA信道接人方式。可有效避免通信冲突［8］。

图8　ZigBee协议结构

无线温控终端采用TI公司推出的Zstack协议栈进行ZigBee编程。Zstack是TI公司推出的一款业界领先的ZigBee协议栈，它包括了网状网络拓扑的几乎全部功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee领域占有很重要的地位［9］。Zstack协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序，协议栈操作的具体细节都被封装在库代码中，只为用户提供API接口来进行应用开发。对于用户而言非常简单，可靠，大大缩短了产品的开发周期。

协调器主要负责建立整个ZigBee网络，对各个温控终端进行统一管理。

无线温控终端主要负责采集室内温度和地板温度，通过设定温度对其进行相应的温度控制。接收来自协调器的采集指令，无线终端将当前温度、工作状态、继电器状态、开关机状态、设置温度等发送给协调器，协调器通过串口通信上传至上位机；用户也可以通过上位机对终端信息进行修改，例如：当接收到关机指令时，无线温控终端进入关机状态。无线温控终端程序流程图如图9所示。

图9　无线温控终端程序流程图

3.2温度采集与控制方案

温度采集模块由室内温度采集传感器和地板温度采集传感器两部分组成。温度采集模块将室温与地板温度传递到CC2530，系统通过相应的控制策略控制电热膜，以达到控制温度的目的。

无线温控终端选择MF52AT的NTC热敏电阻作为温度传感器，设计了相应的温度采集电路，使用CC2530内部的ADC采集电路电压，通过查表法获得实际温度。温度采集电路如图10所示。

图10　温度采集电路

低温电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜，由可导电的特制油墨、金属载流条热压在绝缘薄膜间制成［10］。因此可以将电热膜看作纯电阻负载。本智能温控终端采用240 VAC/30 A的继电器作为控制元件，继电器开合决定电热膜是否进行加热，从而达到控制温度的效果。

无线温控终端采用迟滞控制和过热保护的温度控制方案。迟滞控制可以避免继电器频繁开合，从而大大延长了继电器的工作寿命，也兼顾了温控效果的平稳性；过热保护可以防止误操作，保护加热元件，提高了整个系统的可靠性。温度控制方案流程如下所示：

（1）采集加热元件与室内温度

（2）判断加热元件温度是否低于设定阈值，如果低于设定阈值，跳转到步骤（3）；否则，跳转到步骤（5）。

（3）判断室内温度是否大于上限阈值，如果大于上限阈值，跳转到步骤（5）；否则，跳转到步骤（4）。

（4）判断室内温度是否小于下限阈值，如果小于下限阈值，跳转到步骤（6）；否则，跳转到步骤（7）。

（5）断开继电器

（6）闭合继电器

（7）不改变继电器状态

判断定时中断是否产生，如果产生中断，则循环步骤（1）～步骤（7）。

4　测试

4.1功能性测试

对整个系统进行综合性的功能测试，完全可以达到前述无线温控终端功能需求。本无线温控终端可以实时采集温度信息并按照预设的控制方案进行温度控制；能够通过ZigBee无线通信技术将温度、工作状态、开关机状态等信息传至协调器，协调器通过串口通信传至上位机；上位机可以对相应终端进行设置操作，从而改变相应终端的状态。

图11　无线温控终端实物图

4.2性能测试

（1）温控性能测试

对整个终端进行温控性能测试，测试环境：房间面积（4.5 m×5.5 m），无线温控终端室温设置值为25℃，加热元件设定阈值为35℃。进行3次温控性能测试，测试结果如下表所示：

表1　温控性能测试结果

从测试结果来看，温度控制性能完全符合±1℃的要求。

（2）通信性能测试

通信性能测试主要分为两个方面，一个是无障碍测试，另一个是有障碍测试，测试结果分别如表2、表3所示。

表2　无障碍通信性能测试结果

表3　有障碍通信性能测试结果

其中有障碍测试，4 m测试距离内有一堵25 cm厚墙体，8 m测试距离内有一堵25 cm厚墙体，12 m测试距离内有两堵25 cm厚墙体。

从整个测试结果来看，终端与协调器之间的ZigBee通信在短距离内还是相当可靠的。

为加强无线通信的可靠性，还加入了智能重连功能，系统会定时发送心跳包，若在设定时间内没有得到相应则会进行重新连接。

5　结论

本无线温控终端以CC2530作为核心处理器，利用TI公司提供的Zstack协议栈形成ZigBee无线通信网络，通过电容式触摸按键和段式LCD来实现人机交互。经过功能测试，本系统可以满足功能需求。整个系统能够实现温度信息的采集、温度的控制以及无线通信等功能。本无线温控终端运行稳定，温度控制效果良好，通信功能可靠性高。

［1］张时.电热膜地热采暖系统分析［J］.城市建设理论研究（电子版），2015，（11）：360-360.

［2］吴玮，吴涛，吴岩松，等.红外电热膜供暖技术［J］.红外技术，2001，05：39-40..金升阳推出新一代LS系列AC-DC电源［J］.电源世界，2013，03：20.

［3］章伟聪，俞新武，李忠成，等.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点［J］.计算机系统应用，2011，20（7）：184-187，120.DOI：10.3969/j.issn.1003-3254.2011.07.042.

［4］王鑫，潘贺，杨简，等.基于CC2530的ZigBee无线温湿度监测系统设计［J］.中国农机化学报，2014，35（3）：217-220，238. DOI：10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2014.03.053.

［5］陈斌.电容式触摸按键设计与专用芯片应用［J］.电子世界，2014，（16）：281-281.

［6］白文.基于C8051F266单片机的段式LCD显示系统的设计与实现［J］.机械管理开发，2010，05：180-182.

［7］庄立运，鲁庆，王晓晖，等.基于CC2530的大棚温湿度无线采集节点设计与实现［J］.湖北农业科学，2014，53（3）：582-585. DOI：10.3969/j.issn.0439-8114.2014.03.022.

［8］刘顺勇，温怀，赵丽，等.基于Zstack的点对点通信研究［J］.重庆第二师范学院学报，2014，27（6）：22-24.DOI：10.3969/ j.issn.1008-6390.2014.06.007.

［9］方修睦，王伟，施雪华，等.电热膜供暖的热舒适性分析［J］.暖通空调，2002，32（4）：94-95，111.DOI：10.3969/j.issn.1002-8501.2002.04.029.

杨争辉（1991-），男，汉族，山东省莱州市人，东南大学硕士研究生在读，研究方向为模式识别与智能系统，ZhengHuiY@ foxmail.com；

叶桦（1961-），男，汉族，江苏省南京市，东南大学自动化学院，教授，硕士生导师，研究方向为模式识别与智能系统，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

项目来源：江苏省高校品牌专业建设工程项目

2015-09-22修改日期：2015-10-15

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