分布式多场景支持智能家居控制器

毛 臻，丁涛杰，杨 兵

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

随着物联网和人工智能的技术发展，越来越多的调光灯具、窗帘管状电机控制器、防盗报警器、红外遥控器已借助低功耗、低成本WIFI 模块或蓝牙模块大量接入云端，可适应远程控制和本地手机控制。智能电视、空调、冰箱、电饭煲、空气净化器等逐步普及，给智能家居应用场景相互联动和无感化控制也创造了条件。智能家居的一个重要应用场景是手机控制，除了可以通过智能手机一键掌控家中灯光、音乐、窗帘、家电等智能设备，还可以远程掌控家中的温湿度、空气质量、电器使用情况，并在回家前提前打开空调、窗帘、灯光、音响等设备[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机尚未普及，需要配置智能家居网关，通常具备短信收发、联网、射频无线转发、红外转发等功能并配备电阻式触摸屏，所有操作在显示屏上实现，电器终端无线控制主要通过红外或ISM 频段进行控制或直接通过继电器切换电源。随着智能手机的大量普及，同时路由器、音箱等设备的主控芯片功能增强，智能路由和智能音箱曾一度被认为是智能家居的替代入口。而近年来随着低功耗WIFI 芯片出货量暴涨，单个成本也降到个位数，使得每个开关、插座或电器终端都可以搭配极具性价比的WIFI 模块入网[5-8]，智能家居控制方式逐步向分布式方向发展。

1 分布式智能家居控制系统设计

分布式智能家居控制系统以多功能可配置控制节点为单元，每个单元可独立控制也可以联网控制，可按键控制也可以手机控制。多功能可配置控制节点主要由AC-DC 电源模块、MCU 单片机控制模块、WIFI 模块、可配置驱动模块、传感器信号采集模块、控制信号指示与反馈6 个部分组成，系统框图见图1，其中，AC-DC 电源模块部分主要将交流电转换为12 V 或5 V 直流电给系统供电；MCU 单片机控制模块是整个系统的核心，完成传感器配置初始化与接口数据采集、WIFI 模块初始化和串口命令解析执行、按键信号响应和逻辑控制，指示灯控制和反馈驱动等；WIFI 模块主要实现整个系统与网络连接，通过WIFI 连接完成云端服务器命令与串口命令之间的转换；传感器信号采集模块主要完成温度、湿度、空气质量等信号采集与数字化处理；可配置驱动模块支持继电器驱动、多路0～10 V 调光驱动、485 总线驱动、多路可控硅调光驱动、多路PWM 调光驱动等；控制信号指示与反馈主要包括按键背光与指示灯调节控制，振动马达驱动等。

图1 多功能可配置控制节点系统框图

实际硬件设计时控制板和电源板分开进行设计，电源板上集成AC-DC 电源模块和可控硅、继电器等高压控制电路，控制板上集成MCU 单片机控制模块、WIFI 模块、可配置驱动模块、传感器信号采集模块、控制信号指示与反馈等低压电路，采用高低压电路分离式以满足电气安全设计要求，两块板子通过板对板连接器互联。

1.1 可配置驱动模块硬件设计

智能家居应用场景中，各种电器的电源开关，如窗帘控制的管状电机、热水器的电源开关等可由继电器控制[9-11]，LED 照明设备的主要调光驱动有PWM调光、0～10 V 调光和可控硅调光，可配置驱动模块把这些驱动电路设计在一块电路板上，通过电阻跳线实现三合一调光。其中0～10 V 调光驱动电路采用JCP10 作为主控芯片，可同时实现三路LED 调光，支持三基色LED 调光。JCP10 内部集成了运算放大器和推挽式功率输出电路，以低压PWM 信号直接控制0～10 V 高电压输出，外围零件少，推挽式功率输出使之既可以控制吸入型的LED 调光灯具，又可以控制输出型的LED 调光灯具，兼容目前市场上所有类型的0～10 V 调光LED 灯具。

PWM 驱动输出利用CS32F103 的Timer 引脚直接输出，可进行1 024 级精细数字调光，比传统的可调电阻调光线性度和可调性更好。继电器驱动电路较简单，只需加一级三极管电流放大，此处不再敷述。可控硅调光原理是调节交流电每个半波的导通角来改变正弦波形，从而改变交流电流的有效值，以此实现调光的目的，前沿调光采用可控硅电路，从交流相位零开始，输入电压斩波，直到可控硅导通时，才有电压输入。由于需要判断交流相位零，因此需要设计过零电路，图2 是利用光耦制作的交流过零电路，经验证该设计精简且安全可靠。

图2 交流过零电路

采用电路仿真软件先进行电路仿真，再进行实际电路设计。仿真软件中的波形如图3 所示，从图中可见，输出后的波形过零点与交流正弦波的过零点重合，该3.3 V 电平的波形可用于单片机进行过零识别。

图3 光耦过零的输出仿真波形

可控硅选择BTA41-600B，由于控制电路端口由单片机驱动，而单片机上还有按键输入等接触按钮，需要使用大功率可控硅光电隔离触发器MOC3021，以保证交流控制回路强弱电物理隔离。

由于过零电路中EL357N 光耦的反应有延时，实际采集的过零信号和交流波形如图4 所示，因此，需要在单片机中采用算法补偿过零采样电路和控制驱动电路中MOC3021 光耦的延时，达到精确控制每个半波导通角的目的，以消除频闪和低亮度下不能完全关断的问题。图5 所示为可控硅驱动控制电路。

图4 实际采集的过零与交流对比波形

图5 可控硅驱动控制电路

1.2 控制信号指示与反馈

为达到良好的使用体验并提高装饰的美观效果，控制器设计了信号指示与反馈电路。用户可以通过物理实体按键或手机端调节背光指示灯的亮度，同时用户每按一次按键，控制器会短促振动反馈，同时背光指示灯闪烁，使手指的感觉和按下一个真正的按键一样、弥补轻触按键比机械按键缺乏直观触感的缺陷。

振动反馈通过振动马达实现，图6(a)所示控制电路中采用扁平振动马达1 027 型号，额定转速11 000±2 500 RPM/Min，最大驱动电流80 mA，控制采用三极管驱动，CS32F103 的I/O 口只需提供高电平，马达即工作。控制器的低压控制板结构适配一个金属拉丝按键面板，每个按键均有镂空字符指示并背光，起到装饰外壳的效果，每3 个LED 灯单独给一个按键背光，总共8 个按键，需要24 颗LED，常规设计CS32F103 单片机I/O 口的数量和电流驱动能力均无法满足设计要求，因此选用TLC59108IPWR 作为共阴极电流放大与I/O 扩展，该芯片是单片发光二极管驱动器，采用小体积TSSOP-20 封装，与单片机接口采用I2C，8 路驱动恒流输出，输入为3～5.5 V，开关频率为1 MHz，输出电流可调且最大为120 mA，电路设计如图6(b)所示。

图6 LED指示与振动驱动电路图

1.3 WIFI模块

WIFI 联网选用目前成熟且广泛应用于嵌入式联网的国产芯片ESP8266，该芯片是一款专为移动设备和物联网应用设计的，为用户提供了高度集成的WIFI-SoC 解决方案，可以作为从机搭载于其他主机MCU 运行[10]。文中直接使用涂鸦智能成品模块，该模块集成了2.4 G-PCB 天线、ESP8266 芯片以及已烧录成熟固件的SPI-Flash，已具有完整的TCP/IP 堆栈和微控制器功能，可以实现TCP/IP 连接，可适用于工业领域、移动设备、局域网和互联网[12-13]。WIFI 模块外部接线电路如图7 所示，外围器件非常少且稳定可靠。在实际电路测试时发现，电机或感性负载控制场合，需要注意VCC 端去偶电容（图7 中C32、C33）要尽量靠近模块供电引脚，否则在开关切换时易引起WIFI 模块重启。

图7 WIFI模块外部接线电路

WIFI模块支持3种工作模式：STA、AP和STA+AP。可以通过CS32F103 的uart 接口发送AT 指令通过ESP8266 向互联网传送数据[14]。WIFI 模块的工作流程如图8 所示。

图8 WIFI模块的工作流程

1.4 MCU单片机控制模块

MCU 单片机控制模块采用国产CS32F103CB 型32 位微控制器，该器件使用ARM Cortex-M3 32 位RISC 内核，最大工作频率为72 MHz，内置高速存储器（64 kByte 的闪存和20 kByte 的SRAM），丰富的增强I/O 端口连接到两条APB 总线的外设，与ST 公司的STM32F103CB 电路兼容。由于需要用到比较精确的定时和捕获功能（支持可控硅的过零触发和PWM 调光），电路设计使用外部8 MHz 晶振，内部倍频到最高主频为72 MHz。

1.5 传感器信号采集模块

传感器信号采集模块集成了家居常用的温度、湿度、空气质量等传感器，为节省单片机I/O 端口使用，传感器选型时考虑温湿度一体化并且带I2C 接口，这样3 个传感器可挂在一个I2C 总线上，其中SGP30 传感器可以检测CO2与TVOC 的浓度，但是SGP30 的供电只能为1.8 V，与单片机的接口电平不匹配，需要用双向电平转换芯片TXS0102 进行转接。电路所用SHT30 也是高集成度温湿度传感器芯片，带I2C 接口，外围电路只需加电源去耦电容。

2 软件流程

未入网的全新控制器上电后，需要先进行配网，ESP8266 有一整套的SmartConfig 支持包，未配网的WIFI 模块是AP 模式，其他WIFI 设备可以搜索到ESP8266 配置好的SSID，手机已经通过无线WIFI 接入了路由器，而设备不知道无线路由器WIFI 密码，这时可通过手机将路由器WIFI 信息告知设备，SmartConfig 可以理解为接入路由器的手机快速配置设备，使其接入路由器[15]。入网后的控制器在通过WIFI 模块监听并响应服务器端命令消息的同时，还会通过MCU 单片机控制模块响应按键中断并执行驱动程序，每次执行完后，控制器会记录当前的指示灯亮度和驱动程序中的所有参数，在下次启动初始化时读取这些状态值。新控制器软件配置流程如图9所示。

图9 新控制器软件配置流程图

3 电路板设计

控制器的电路板在结构上按照开关面板要求进行设计，在功能上按照强弱电分离原则划分为两大类：控制板和电源板。MCU 单片机控制模块、WIFI模块、传感器信号采集模块、控制信号指示并反馈在控制板上，元器件放置于控制板TOP 面，AC-DC 电源模块，可配置驱动模块如继电器、可控硅等强电部分设计在电源板上，电源板上强电按照安全距离布线，必要时为防止爬电会在走线间进行开槽处理。其中，带继电器和可控硅控制的电源板实物如图10所示。

图10 带继电器和可控硅驱动的电源板实物

结构上，为方便实现物理实体按键操作和结构装配，除控制信号指示LED 灯阵列和轻触按键安装在正面外，双面控制板的其余元器件均集中在背面，并且按照外壳结构要求对元件器按照高度进行合理布局，通用控制板实物如图11 所示。

图11 控制板实物图

4 结束语

随着智能手机、语音控制等应用场合逐步被人们接受，智能家居应用场景需求多变，原有采用集中式控制搭配无线遥控继电器开关的方式已不能满足智能化、人性化的需求。能满足多种驱动控制方式，分布式、可配置、多功能智能控制器单品既能独立使用也能组合联动，通过控制板与电源驱动板的灵活搭配，可支持多种应用场景。同时，该智能家居控制器还预留了485 总线接口，支持有线应用。

将来的智能家居还应利用与手机的交互优势，利用地理位置获取和大数据分析等智能化技术，针对特定位置和环境进行人工智能分析，使智能家居控制器可以不需要人参与，自主学习每个家居环境的常用场景和主人习惯，进行自适应算法调节[16]。随着人工智能和物联网技术的进步与发展，智能家居控制器融入并将成为物联网的一个重要节点，其使用也会更方便、更先进、更智能。