基于单火取电的无线开关研究与设计

四川师范大学2018年大学生创新训练项目

成员

2016110202 曹俊
2016110252 余鑫

结题报告

【摘要】

传统的机械师墙壁开关盒利用弹簧和机械结构控制火线的通断，即使用单根火线布线的开关，我们研究设计的单火线取电的无线开关用Altium Designer专业PCB设计软件进行的PCB板设计，能够直接安装于传统的86开关盒中，不需要另外布线完全兼容单火线电路，能够从单火线取电给MCU和无线模块供电，且能够远程控制单火线开关且能够在改变开关状态后反馈当前的开关状态，实现了开关的智能化设计。

【关键词】

单火线取电；Altium Designer；PCB；无线开关；

一、项目概述

智能家居是以人们的住宅为基础，以节能环保为理念，通过采用相关技术对家居生活设施进行集成处理，完善住宅设施管理系统，提高管理效率，使人们的家居生活更舒适、安全、便利，且更具艺术性。而且，智能家居将社会发展、先进技术与个人需求相结合，不仅有利于改善人们的居住环境，还有利于优化社会自然经济。智能家居的实现需要家居网络系统、家庭资源管理系统、智能照明系统、音乐系统、安全防护系统等的相互协作，以进一步实现智能家居的智能化、现代化[1]。

智能开关是智能家居中非常重要的一个节点，使用量最大。智能开关是传统机械式按键式开关的换代产品，可实现智能控制，其操作方便是传统开关不能比拟的，目前大部分的电子开关采用零火线供电，需要接入火线和零线，而传统的机械式开关只有一根火线控制，如果需要更换此类开关必然需要重新布线，这给安装带来了极大的不便，因此无法大规模推广使用。所以，单火线开关的研究显得格外重要[2]。而单火线取电的无线开关能够适应传统开关盒结构且加入了无线控制功能，简化了安装工序，降低了改造成本。单火取电的无线开关在未来的智能家居发展中是必然趋势。

二、项目实施的主要内容

1. 功能分析

1.1 硬件设计分析
- 1.1.1 单火线取电电路分析
  - 1.1.1.1 闭态取电
    闭态取电电路中使用整流桥能够分别取得上半个周期和下班周期的交流电，即输出脉冲直流电。D3和D4能够防止电流过大造成可控硅Q1的损坏，且电压过大时能够导通Q1，减少流过整流桥的电流和两端电压。电路中的磁珠能够抑制电路中的高频噪声和尖峰干扰，还能够静电脉冲，电容C7能够吸收高频交流成分，使取得的电流、电压保持在一定的范围内。
  - 1.1.1.2 开态取电
    开态取电电路中L1和L2为单火线的出口，开关打开状态L1和L2能够取到较模拟地高的电势，再通过二极管D1和D6阻止交流电的负半个周期流经二极管，交流电的正半周期流经二极管后经过功率电感L1，L1能够阻止高频电流，电解电容C14能够吸收电流中的低频成分，最后得到的电流为基本稳定的脉冲直流，然后经过BSW-6V-03S单火线模块进行进一步的整流和放大，能够得到相对稳定的直流电压。
  - 1.1.1.3 稳压电路
    稳压电路中，VR1为线性稳压IC，能够提供3.3V电压的典型值输出，外围的C12电解电容能够吸收电流中的毛刺，实现滤波整流，C10和C11能够吸收电路中的高频交流成分，能够降低高频干扰。
- 1.1.2 STM32电路及外围电路分析
  - 1.1.2.1 MCU最小系统电路
    - 1.1.2.1.1 MCU
      主控芯片，是整个系统的心脏，能够执行复杂的运算和处理。
    - 1.1.2.1.2 晶振电路
      晶振（Y1），全称晶体振荡器，是一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。晶振Y1结合STM32内部的电路，产生STM32所必须的时钟频率，STM32的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越稳定，那STM32的运行也就越稳定。晶振Y1两端并联电容，能够抑制震荡电路中产生的谐波，保持STM32运行的稳定。
    - 1.1.2.1.3 BOOT电路
      开发BOOT模式选择
      1、通常使用程序代码存储在主闪存存储器，配置方式：BOOT0=0，BOOT1=X;
      2、Flash锁死解决办法：
      开发调试过程中，由于某种原因导致内部Flash锁死，无法连接SWD以及Jtag调试，无法读到设备，可以通过修改BOOT模式重新刷写代码。
      修改为BOOT0=1，BOOT1=0即可从系统存储器启动，ST出厂时自带Bootloader程序，SWD以及JTAG调试接口都是专用的。重新烧写程序后，可将BOOT模式重新更换到BOOT0=0，BOOT1=X即可正常使用。
  - 1.1.2.2 USART1电路和下载电路
    USART1为STM32的一个串口通讯口，能够通过此串口对程序进行调试以及Flash锁死后的解锁。
    下载电路为STM32的SWD模式口，只需要两个引脚就能进行程序的下载和调试，且速度比串口下载程序速度快数十倍，且支持在线调试。
  - 1.1.2.3 LC12S无线收发电路
    STM32的USART2与LC12S 2.4G无线收发模块连接，实现STM32和无线模块的相互通信，STM32通过USART2发送数据到无线模块，无线模块将数据通过贴片天线发射到空中。LC12S也可接收空中的数据，同一网络的数据将会通过串口发送到STM32，实现双向通讯。
  - 1.1.2.4 LC12S无线调试电路
    通过无线调试口能够对LC12S无线收发模块调试（B0为BOOT电路）。
  - 1.1.2.5 按键电路
    按键电路中有S1,S2,S2三个按键，通过按下按键能够使电流导通，使MCU与按键相连的引脚变成高电势，MCU通过监测引脚的电平变化即可判断按键是否按下，其中S1为复位按键，与MCU的复位引脚相连接，按下按键会使MCU复位充气泵。电路中的电容C2,C4,C6能够消除按键抖动，电阻能够限制电流的大小防止烧芯片。
  - 1.1.2.6 可控硅开关控制电路
    光耦（MOC3063）的触发电流为5ma，MCU控制连接光耦的GPIO输出高电平使光耦导通，控制端的电阻用于限流，光耦（MOC3063）导通后，交流分流从4号引脚流出，控制可控硅（BTA16-600B）导通，即实现开关的导通。

1.2 软件设计分析

1.2.2 按键控制
按键动作的监控使用定时扫描法，并使用软件消抖的方法提高按键触发的稳定性，通过每次扫描到的键值来执行相应的程序。

// 按键控制核心代码
    switch(KEY_SCAN())
    {
    case 1:
        RELAYXToggle(1);
        printLedStatus();
        break;

    case 2:
        RELAYXToggle(2);
        printLedStatus();
        break;

    default:
        // none
        break;
    }

1.2.3 无线控制
连接无线模块的串口中断函数监听串口是否接收到数据，如果监听到数据先接收到一部分数据count标志位累计收到的字符数，接收到超过8位字符后进入程序判断，等待接收剩余数据，然后进行命令解析，再根据解析出的命令执行相关程序。

// 无线控制核心代码
if(count >= 8)
{
    delay_ms(100); // 接收剩余字符

    flag = CMD_Handle(buffer); // 命令解析

    USART2_SendStr(buffer); // 通过LC12S返回命令
    delay_ms(50);

    switch(flag)
    {
    case 1:
        RELAY_RESET(1);
        printLedStatus();
        break;

    case 2:
        RELAY_SET(1);
        printLedStatus();
        break;

    case 3:
        RELAY_RESET(2);
        printLedStatus();
        break;

    case 4:
        RELAY_SET(2);
        printLedStatus();
        break;

    case 5:
        printLedStatus();
        break;

    default:
        // none
        break;

    }

    memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));
    count = 0;
}

1.2.4 开关状态反馈
开关状态反馈通过读取GPIO的电平高低，然后通过无线模块发射出去。

/**
* @file   printLedStatus
* @brief  反馈开关状态.
* @param  None
* @retval None
*/
void printLedStatus(void)
{
    sprintf(str, "SWITCH0:%d\tSWITCH1:%d\r\n", GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_8), GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_9));
    USART1_SendStr(str);
    USART2_SendStr(str);
    memset(str, '\0', sizeof(str));
}

三、项目成果特色及创新点

我们团队研究和设计的基于单火取电的无线开关，能够完全兼容传统的单火线开关电路，只有单根火线进/出，不需要零线，可直接替换原有的墙壁开关，便于安装，更换时更无需重新布线，不用改变原来的线路布局，可以手动控制也可无线控制。采用了STM32嵌入式芯片，具有32bit微处理内核，能够进行复杂的计算和控制。大大方便了家庭的使用，也方便工程设计人员，使之不需更改原有电路设计即可达到现代化的需求，大大减轻了工作负担。

四、项目取得成果展示及说明

图4-1 项目原理图

图4-2 电子元器件规划图

图 4-3 3D模型（内侧）

图 4-4 3D模型（外侧）

图 4-5 实物

五、指导老师对项目的综合评价

项目小组成员分工配合默契，项目完成总体良好，基本实现预期功能，项目实用性佳，符合申报书中所罗列的创新点。

六、小结

通过参加这次“大学生创新创业训练计划”和团队两人的努力，我们这次研究的项目达到了预期效果。在这期间，我们遇到了很多问题，有技术上的问题，也有态度上的问题。经过这次项目，我们积累了大量的经验，技术经验以及解决问的经验。

【参考文献】

[1]陈春云.物联网在智能家居中的应用与发展探析[J].信息记录材料,2019,20(02):73-74.

[2]杨德石. 单火线智能开关的研究与设计[D].东南大学,2016.

验收报告

一、项目成果简介

本项目是智能家居的一个小部分，利用单条火线供电的无线控制开关模块，使用LC12S无线串口透传模块，用于发送和接收控制信息，涉及电路分析设计，无线通信技术，可以通过无线通信来控制开关，也可反馈当前开关状态。

二、项目研究中使用的具体材料和方法

实验器材：

STM32F103C8T6、STM32L151C8T6、LC12S 2.4G无线发射接收模块、BSW-6V-03S单火取电模块、可控硅（BT139）、光耦（MOC3063）、按键、电阻、电容、磁珠、二极管、整流桥、功率电感、保险丝、86开关盒、万用表、杜邦线、电烙铁等。

参考书籍：

[01] 程国钢. 51单片机常用模块查询手册[M]. 北京：清华大学出版社. 2016
[02] 何宏. 单片机原理与接口技术. 北京：国防工业出版社. 2006.07
[03] 杨西明，朱骐. 单片机编程与应用入门. 北京:机械工业出版社. 2004.06
[04] 卢有亮. 基于STM32的嵌入式系统原理与设计[M]. 北京：机械工业出版社.
[05] STM32F10xxx参考手册. 意法半导体（中国）投资有限公司. 2010
[06] 肖看,李群芳. 单片机原理、接口及应用——嵌入式系统技术基础[M]. 北京：清华大学出版社. 2010
[07] 程国钢主编. 51单片机常用模块查询手册[M]. 北京：清华大学出版社. 2016
[08] 何宏主编. 单片机原理与接口技术. 北京：国防工业出版社. 2006
[09] 杨西明，朱骐主编. 单片机编程与应用入门. 北京:机械工业出版社. 2004
[10] 先锋工作室编著. 单片机程序设计实例. 北京: 清华大学出版社. 2003

参考论文：

[01] 杨德石. 单火线智能开关的研究与设计[D].东南大学,2016.
[02] 余孟,郭毅.一种多位单火线取电智能控制开关的研究[J].日用电器,2017(S1):100-103+108.

三、项目成果形式及数量


1.文献资料综述（）份	2.调查报告（）份；	3.研究论文（）份；
4.软件（）份	5.设计（）份	6.硬件研制（ 1 ）份；
7.获得专利（）份	8.心得体会（）份；
9.其他（ 1 ）件，名称：单火线取电开关演示视频.mp4

四、项目经费使用情况：

支出科目	金　额	备注（注明经费支出时间）

硬件材料费|3000元|STM32F103C8T6/STM32L151C8T6、LC12S 2.4G无线收发模块、BSW-6V-03S单火线取电模块、可控硅、光耦、各类电容电阻、相关书籍及其他耗材（2018/4-2019/5）|
|合计|3000元|

五、项目研究总结

研究内容：

随着智能家居的快速发展，单火线智能墙壁开关(只有单根火线进/出，不需要零线)成为了传统机械墙壁开关的升级换代(直接替代)产品，实现了灯具和电器开关的智能化控制(如声控开关，触摸开关，红外线遥控开关，人体感应开关，手机控制WIFI 智能开关等)。并且，国内外普通家庭大多为单火线布线，在升级实现智能化改造时往往要求新智能开关能直接代换旧有的机械墙壁开关，更换时无需重新布线。所以开发新型电子智能照明开关都必须要求采用单线制(2 Wire 两线制)的单火开关。

根据工作原理可知，凡是电子智能照明开关本身都需要消耗一定的电流，在待机时，由于单火线开关待机取电是通过流过灯具的电流给智能开关的控制电路供电的，如果待机输入电流太小就会导致待机电路不能正常工作，如果待机输入电流太大就会导致灯具关闭后还会有闪烁或微亮(出现“关不死”的现象)等问题。特别是高阻抗的电子节能灯和 LED 灯(例如: 高效节能灯和 AC 直接驱动的 AC LED 灯具)，对待机电流更为敏感。

单火线开关的供电一般是分成两部份来实现对控制电路的供电：闭态供电和开态供电，闭态和开态取电电路为我们的主要研究内容。

单线制智能开关的 DC 供电电源(或者电源模块)设计需要重点考虑两个问题：一方面尽可能的降低待机功耗: 减小待机电流,避免出现灯关后闪烁或者微亮；另一方面是单火线的取电问题: 提供足够的输出电流给电子开关控制电路(如专用控制 IC，MCU，红外接收头,RF 遥控模块，继电器或者可控硅等)。由于电子开关工作时取电是通过开关断开时的两端压差来取电的，当开关闭合时就没有了电压差无法取电，这样就会导致控制电路开时失电失控问题。对于这一问题，有很多的解决办法出现，但有些还是比较复杂,电路成本也较高,比如现在市场上一些二线制电子开关的控制电路的供电电路（或电源模块）采用的方式有:

1、方式一: 电子开关（触摸开关、声光控开关、人体感应开关等）中的开关元件的开态和断态情况下由同一电路供电，通过电容降压再用稳压管稳压的方式给控制电路提供直流电源，在断态时，由于控制电路消耗的电流也是电子开关主回路的电流，所以电子开关主回路的电流必须比较大，如果接上小功率的灯泡，灯丝就会发红，接上节能灯可能会出现关不断的现象，所以此类两线制
电子开关大多数不能控制小功率的负载，同时用电容降压，如果电流较大，电容的发热非常严重，这样就会给产品留下很大的故障隐患。

2、方式二: 将开态和断态的时由不同的电路供电，其实现方式是先将主回路电流整流，再取出部分直流电作为控制电流。其缺点是对整流器件要求高、且发热严重，限制了负载功率的提高,不适用于较大功率灯具。上述两种电源模块，都解决了电子开关断态时供电电流较大的问题，但对于电子开关控制的负载的功率范围、稳定性及其电源转换效率方面，还是存在一定的不足。

研究过程：

项目前期

我们完成了项目的部分准备，包括单火线取电电路的设计和仿真，学习STMF103芯片的时钟系统，GPIO，按键输入，定时器，端口复用和重映射，中断优先级管理，串口通讯，外部中断等的使用。学习了使用JLink、ST-LINK等仿真器进行程序的调试和下载。

项目中期

我们绘制了PCB电路板，并且印刷出来进行了实物的测试，第一次实物测试发现了诸多的问题：

LC12S 2.4G无线收发模块无法进行组网和通讯

解决：我们花了数天时间对用户手册进行了详细的阅读，最后发现是模块协议命令传输速率设置错误，导致模块一直不能初始化，最后我们使用专门的串口调试工具实现了模块的初始化、组网和数据的无线传输。

STM32F103C8T6与LC12S 2.4G模块进行通讯出现错误且无法调试

解决：通过对原理图的仔细排查后发现硬件电路设计有缺陷，导致调试无法正常进行，最后我们设计并焊接了一个单独的测试电路来进行通讯的调试，完成了STM32F103C8T6与LC12S 2.4G无线收发模块的通信及数据传输。

硬件电路无法实现单火取电

中期未解决

项目后期

在项目后期，我们更多的对硬件电路进行了研究与设计，设计并绘制了PCB电路板，印刷了单火线取电无线开关的第二个版本，拿到第二个版本后对取电电路进行了测试，发现单火线取电电路依旧存在问题，能够取电，但无法对开关进行控制。通过对原理图的整体分析后发现，电路设计出现了很大的问题，导致开关一直处于开态，即控制电路无法对开关进行控制。

发现问题后，紧接着修改了单火线取电电路，印刷了单火线取电无线开关的第三个版本，拿到第三个版本的硬件后，立即进入了测试阶段，在测试过程中发现开关能够在闭态取电，且能够进行远程控制，但是在开关状态切换时控制芯片出现了供电不足导致复位，即刚打开开关立即又复位关闭了开关。

为了解决这个问题，又对电路进行了详细的测试和分析，设计了单火取电无线开关的第四个版本，拿到第四个版本后依旧发现同样的问题，刚打开开关主控芯片就因为供电不足复位了，这次我们花了很长时间对电路进行排查后发现，开态取电电路取到的电压很小，且经过稳压芯片转换后变得更小了，无法支撑芯片的正常运行。

最后考虑更换稳压芯片和低功耗的主控芯片，设计了单火线取电无线开关的第五个版本。我们对第五个版本进行了测试，基本达到了预期的要求，能够进行单火线开关的闭态和开态取电，且能够进行远程控制。

人员分工：

余鑫，主要负责整个项目的进度安排、测试LC12S 2.4G无线收发模块，单火线取电电路的设计，完成项目的功能整合和调试工作。

曹俊，主要负责STM32的代码编写，以及在硬件电路上的代码调试工作。

项目实施过程中存在的问题和建议：

无线模块无法组网和数据传输问题：仔细阅读和分析用户手册，了解模块的详细操作和应用。
STM32和无线模块通讯问题：两者通过串口通讯，在串口设置时需要匹配串口波特率、起始位、停止位、校验位，一点问题都会导致通讯失败，而且STM32一定要设置好串口中断的各项标志，否则很容易出现串口无法正常工作。
主控芯片供电不足的问题：更换电源稳压芯片和低功耗主控芯片，一般的控制芯片需要稳定的电源供能，但单火线中取到的电压和电流是不稳定的，很容易导致芯片无法正常工作。