摘 要

为了实现智能化的家居生活，提高人们的生活质量。本文设计了一个利用容式触摸芯片TTP223-BA6、CC5230微控制器兼射频无线收发器芯片、RFX24L01C功率放大器、12V驱动继电器以及220V转12V-5V-3.3V电源电路，设计具有实际应用价值的基于CC2530的可触控智能插座。智能插座的电容式触控芯片感应手指触摸信息，并将信息以外部中断的方式传送至CC2530微控制器，控制器根据电容触摸信息控制12V继电器通或断操作，同时插座通过ZigBee组网连接到ZigBee协调器（网关），网关将继电器的通或断信息通过WiFi传送至手机APP；手机APP通过查询方式查看智能插座的通或断状态，手机APP软件通过WiFi无线通信发送继电器通或断信息至网关，网关通过ZigBee网络以广播的形式将智能插座的注册号以及继电器的通或断信息发送到指定的智能插座CC2530微控制器上，微控制器设置继电器的通或断信息并且同步LED指示灯的状态。通过对系统功能要求分析、电路参数理论计算与实际电路设计，最终完成系统功能要求，所得设计成果对于实际应用具有非常重要的意义。

本文的特色：使用CC2530作为微控制器兼射频收发器，外加ZigBee射频功率放大器增加通信距离，提高系统实用性。

关键词：电容触控； CC2530；ZigBee；传输协议；电源降压转换

Abstract

In order to achieve intelligent home life, improve people's quality of life .In this paper, we use the capacitive touch chip TTP223-BA6, CC5230 microcontroller and RF wireless transceiver chip, RFX24L01C power amplifier, 12V drive relay and 220V to 12V-5V-3.3V power supply circuit to design a Touch smart socket. The capacitive touch chip of the smart socket senses the finger touching the information and transfers the information to the CC2530 microcontroller in an external interrupt, and the controller controls the 12V relay on or off according to the capacitive touch information. At the same time the socket is connected to the ZigBee coordinator (gateway) through the ZigBee network, and the gateway transmits the relay's pass or break information to the mobile device via WiFi. Mobile APP through the query to view the smart socket through or off state. Mobile APP software sends relay via WiFi wireless communication or disconnect information to gateway. Gateway through the ZigBee network in the form of broadcast smart socket registration number and relay on or off information sent to the designated smart socket CC2530 microcontroller. The microcontroller sets the relay's on or off information and synchronizes the status of the LED indicator. Through the analysis of the system function requirements, the theoretical calculation of circuit parameters and the actual circuit design, and finally complete the system functional requirements. The results of the design for the practical application of a very important significance.

The characteristics of this article: Using the CC2530 as a microcontroller and RF transceiver. Plus ZigBee RF power amplifier to increase the communication distance, improve system availability.

Key Words：Capacitive touch; CC2530; ZigBee; transmission protocol; power buck switching

目录

第1章 绪论 1

1.1智能插座特点 1

1.1.1智能插座桥接稳定性 1

1.1.2智能插座可靠性 1

1.1.3智能插座体验舒适性 1

1.1.4智能插座功耗低 2

1.2智能插座研究的目的和意义 2

1.2.1智能插座研究的目的 2

1.2.2智能插座研究的意义 2

1.3智能插座发展现状 3

1.3.1智能家居国内发展状况 3

1.3.2智能家居国外发展状况 3

1.4本章主要内容和章节安排 4

第2章 智能插座系统设计要求和设计方案分析 5

2.1智能插座系统设计要求 5

2.1.1智能插座基本功能要求 5

2.1.2智能插座设计符合国家相关规定 7

2.1.3智能插座设计实用性能要求 7

2.2智能插座拟采用技术方案设计、论证与选择 8

2.2.1智能插座拟采用技术方案1设计 8

2.2.2智能插座拟采用技术方案2设计 9

2.2.3智能插座设计两种技术方案论证 10

2.2.4智能插座设计方案选择 11

2.3本章主要内容和章节安排 11

第3章 智能插座原理图PCB设计与PCB布局分析 13

3.1 智能插座器件选型与电路原理图设计 13

3.1.1可触控器件选型与电路设计 13

3.1.2微控制器兼无线射频收发器 14

3.1.3 2.4GHZ无线射频功率放大器 18

3.1.4继电器控制电路设计 19

3.1.5红蓝双色LED控制状态驱动电路原理图 19

3.1.6电源电路原理图设计 19

3.2 智能插座PCB布局布线设计 20

3.2.1基本电路布局布线要求 20

3.3本章主要内容和章节安排 22

第4章 智能插座协议分析与软件设计 23

4.1 智能插座无线传输协议 23

4.1.1 GHZ-ZigBee蜂窝无线组网 23

4.1.2用户自定义插座与现有网关的ZigBee数据通信协议制定 24

4.1.3现有网关与手机APP的WiFi通信协议制定 27

4.2 智能插座软件设计 28

4.2.1 CC2530微控制器ZigBee组网软件协议栈z-stack解析 28

4.2.2 CC2530微控制器开发环境IAR及其工程建立配置 28

4.2.3系统上电读取上次继电器状态的存储值并保持该状态 30

4.2.4长按触摸按钮事件触发插座注册请求 31

4.2.5短按触摸按键事件触发LED和继电器状态改变 32

4.2.6手机发送查询命令获取插座继电器接通状态信息 33

4.2.7手机发送控制命令改变插座LED和继电器的接通状态 34

4.2.8手机发送定时命令设置插座继电器自动接通的时间 35

4.2.9手机发送删除插座命令移除插座注册信息 36

4.3本章主要内容和章节安排 37

第5章 智能插座调试与性能验证 38

5.1智能插座器件焊接硬件调试 38

5.2智能插座软硬件联合调试 39

5.3智能插座基本参量性能测试 40

5.3.1插座弱电板电流消耗性能测试 40

5.3.2插座可触控按键稳定性以及灵敏度测试 40

5.3.3手机APP控制插座状态灵敏度测试 40

5.3.4插座与网关ZigBee无线通信距离测试 41

5.4本章主要内容和章节安排 41

第6章 总结 42

参考文献 43

致谢 44

第1章 绪论

随着国民经济水平不断提高，科技不断地创新，人们对于家庭居住环境的要求变得越来越来高，而传统的家居生活环境已经不再满足人们对高度舒适性、高度智能化的家居生活的需求。因此智能家居目前已经成为我国智能生活非常热门的主题，各种家用电器在我国现阶段正处于高度需求的阶段，高度智能化、可靠性的家居产品已经成为人们生活的一种科技追求^[1][2]。自从2009年8月温家宝总理提出的“感知中国”理念以来，物联网被正式列为国家五大新型战列产业之一，并列入“政府工作报告”，该战略产业名号一出，各类高科技大公司即研发各种与物联网相关的传感器技术^[3]、无线通信技术以及网络技术等^[4][5]，为智能家居的快速发展奠定强大的理论和技术基础。随着人们对智能家居需求量增大，激发世界上很多大小企业投身于智能家居和无线传感技术领域，更是加快智能家居的发展。但是现有的智能家居在稳定性能、功耗要求、用户使用体验、体积等参数上尚未得到更好的优化处理，因此一套性能完善、功耗低、用户使用体验效果很好、体积更小的智能家居系统成为当前智能家居领域的需求。

1.1智能插座特点

智能插座作为智能家居的一部分，其作用是用电器与供电电源连接的桥梁，是家居生活中不可缺少的一个重要组成部分，在智能家居要求越来越高的时代，人们对智能插座设计使用要求也会越来越高，智能插座具有如下的几个特点。

1.1.1智能插座桥接稳定性

作为一个连接用电器和电源作用的家用电器，其连接作用是否稳定成为判断一个插座合格与否的依据，桥接作用稳定性也是智能插座设计时首先考虑的设计因素，是智能插座设计成功与否的基础因素。

1.1.2智能插座可靠性

智能插座设计的目的是便民服务，即是在人们使用的过程中用于提高人们的生活水平，实现人们便利生活的功能，所以插座的设计不应该存在任何危害到人类的行为，比如插座漏电威胁到人们的生命安全，所以插座设计的安全可靠性是设计的必要参考因素。

1.1.3智能插座体验舒适性

目前智能插座和普通插座在稳定性和可靠性方面做好之后，随着人们对生活质量的要求提高，那么智能插座的体验舒适性将会成为人们选择插座的一个重要因素，一个带有硬按键式的无法远程控制其状态的普通插座和一个带有可触控、可远程控制其状态的智能插座相比，在稳定性和可靠性良好的情况下，人们会选择智能插座使用。因为智能插座带来的体验舒适性正符合人们追求高生活质量的标准，智能插座能为人们带来更多的便利生活体验效果。

1.1.4智能插座功耗低

对于单通道的智能插座而言，其控制的量只有0或者1两个布尔量，对继电器的控制只需要为微控制器的端口设置两路信号为0（断开）或者1（接通），即可完成操作，没有繁琐的数据处理过程，相对其他的智能产品而言，其功率损耗非常低。低功耗高舒适性的性能性促进人们购买的心理。

1.2智能插座研究的目的和意义

根据现阶段智能家居的发展状况，本文主要研究智能家居中的组成部分-智能插座组件，其是连接电源和家用电器的桥接器，插座的性能会影响到用电器的使用性能，良好的插座设计是家庭生活所要求的，所以研究智能插座具有非常重要的意义和研究目的。

1.2.1智能插座研究的目的

由于现阶段人们生活质量不断提高，科技水平不断提升，人们对家用电器的科技化要求比较高，传统的家用电器已经不能满足要求，需要设计智能化的家用电器，如智能插座，但是智能化的插座其性能的稳定性、使用的可靠性对于人们日常的使用非常的重要，智能化的家电在两个性能的基础上还要增加用户使用体验效果好、控制简单、远距离控制等功能，所以本文研究的目的在于设计一款稳定性高、可靠性好、用户使用体验效果好、使用功耗低、成本低的智能插座。

设计目标：设计一款质量小于0.25千克轻便的智能插座；并且系统设计尺寸小于118x40(mm)小巧便于安装使用；同时系统使用过程产生的电流低于40mA，设计使用过程电压低于5V的低功耗系统；用户控制采用高灵敏度的电容触摸方式，增强使用控制体验效果；空旷地无线通信距离达到15m以上的系统设计。

1.2.2智能插座研究的意义

本文研究的智能插座具有几意义：一是设计智能插座符合现在人们对智能家居的需要，智能插座设计帮助人们过上更智能化的生活，满足人们对现在生活水平的科技感追求；二是在智能家居腾飞的今天，其也会带来人身用电安全的问题，通过研究优化智能插座设计，为人们安全使用智能家电提供基础，减少用电过程设备经常出现故障等安全问题。

1.3智能插座发展现状

智能家居经过30多年的发展，分别经历了家庭自动化、家庭网络、网络家电、信息家电几个阶段，国内外对智能家电的技术研究都不断提升，各种智能家电产品层出不穷，现阶段分国内国外发展状况。

1.3.1智能家居国内发展状况

纵观国内智能家居发展状况，其发展起步比较晚，在智能家居上应用的技术不够完善^[6]，但是也有一些相关的研究成果，如2012年2月有伟佳研发的基于ZigBee无线传感器网络和ARM11的家庭智能开关系统，通过结合通用分组技术实现手机端远程控制开关功能，其主控端为系统最上层，并以三星公司生产的S3C6410微控制器作为内核，运行操作系统Windows CE，实现家庭网关功能，监控家庭中国智能开关节点状态，并通过GPRS技术实现手机远程监控功能，开关由ZigBee模块、按键组、LED状态指示模块、继电器模块及过流保护电路组成系统最底层^[7]，该系统功能相当强大但是采用ARM11内核的芯片、运行操作系统以及高功耗的GPRS远程监控技术，使得系统的功耗大大增加，同时采用按键输入的硬控制方式大大降低了用户体验舒适性效果。又如徐勇设计的以MSP430F2618作为控制器器，组合CC2520射频收发器作为智能照明系统^[8]，其通过MSP430F2618微控制器向CC2520发送控制命令与外界进行数据无线通信，这样的设计方式大大增加了系统设计的成本，同时带来硬件上的设计困难，给系统带来的不稳定性增加了额外的因素。于良杰、王勇、孙睿等人设计了基于ZigBee组网和电容式触控技术灯光控制系统^[9]，实现安全可靠、控制精确、用户使用体验效果好以及组网方便的灯光控制系统，但是涉及到智能插座研究比较少。

1.3.2智能家居国外发展状况

与国内智能家居的发展相比，国外智能家居应用技术起步比较早，自从1984年美国的智能建筑横空出世以后^[10]，其职能家居的发展就有30多年的历史，像松下、摩托罗拉、IBM、Microsoft等巨头公司开始建立智能家居研发子公司，并斥资智子公司在智能家电上的研发投入^[11][12]。在此情况下，其智能家居应用技术得到快速提升并且不断趋于成熟完善，以及新技术不断出现并且应用于家电领域。比如智能家居中使用的ZigBee短程低速率无线通信技术，其为智能家居无线通信解决方案量身定制，其低功耗技术更是设计人员所使用的重要参考因素。

1.4本章主要内容和章节安排

本章通过绪论讲述智能家居的特点及其国内外发展现状，同时介绍本文智能插座设计的研究目的和意义。

第2章 智能插座系统设计要求和设计方案分析

2.1智能插座系统设计要求

本文设计的智能插座实现可触控和定时开关基本功能，并且具备ZigBee特定遥控器控制插座的开关状态，同时智能插座的使用要求符合国家用电标准，下面逐一进行。

2.1.1智能插座基本功能要求

智能插座设计的基本功能是使用用户通过手指触摸可触控按键，来改变该插座的开关状态；使用用户通过特定的ZigBee遥控器（指代网关）来控制该插座的开关状态；使用用户通过特定的ZigBee遥控器设置插座接通或者断开的时间，使得插座在该设定的时间点改变自己的开关状态，以下对各个部分功能逐一进行分析。