雙向管狀電機(jī)通訊模式研究和應(yīng)用

高 飛，陳 明

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院，上海200092）

伴隨電動(dòng)遮陽(yáng)產(chǎn)品的普及，管狀電機(jī)越來(lái)越多地被選用為電動(dòng)遮陽(yáng)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。如何實(shí)現(xiàn)管狀電機(jī)的智能控制，是業(yè)界一直追求的目標(biāo)。不同企業(yè)采用了不同的技術(shù)解決方案，使用效果也千差萬(wàn)別。法國(guó)somfy（尚飛）公司創(chuàng)立的mylink品牌，研發(fā)了名為TAHOMA One的網(wǎng)關(guān)，旨在實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)智能化控制，同時(shí)兼容燈光、影音、空調(diào)的控制，但是多年來(lái)也僅僅在控制上下功夫；實(shí)時(shí)反饋依然沒(méi)有很好的實(shí)現(xiàn)，并且價(jià)格在同行里面始終高居不下，性價(jià)比很低，不適合家庭廣泛使用。美國(guó)Lutron（路創(chuàng)）開發(fā)的Hyperion－日光自適應(yīng)遮陽(yáng)系統(tǒng)，能根據(jù)一天中的太陽(yáng)位置調(diào)節(jié)窗簾；最大化利用了進(jìn)入房間的日光量，提高了能源效率。國(guó)內(nèi)做得比較好的如Broadlink（博聯(lián)），開發(fā)了iHS智能網(wǎng)關(guān)，能夠兼容很多品牌的電動(dòng)開合簾電機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能控制。

目前主流的單向無(wú)線控制電機(jī)，電機(jī)本身只能接受信號(hào)，不能發(fā)送信號(hào)。即此種無(wú)線控制的電機(jī)只能被遙控器控制而無(wú)法反饋電機(jī)本身的運(yùn)行狀態(tài)，以及電機(jī)本身的設(shè)備屬性與設(shè)置狀態(tài)。那么在不同類型的細(xì)分遮陽(yáng)應(yīng)用中，單向無(wú)線控制電機(jī)只能被上停下控制，無(wú)法執(zhí)行更多的操作，先天缺陷明顯。針對(duì)此問(wèn)題，就需研究雙向通訊電機(jī)，來(lái)支持更多的細(xì)分應(yīng)用控制，提供更佳的用戶體驗(yàn)。

1 雙向管狀電機(jī)

管狀電機(jī)時(shí)一種較為小型的電機(jī)，因此被廣泛應(yīng)用在小型家居作為驅(qū)動(dòng)使用，百葉窗最早使用管狀電機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用[1]。由于管狀電機(jī)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，很快就受到了廣泛的傳播，因此在許多的發(fā)達(dá)國(guó)家被快速的應(yīng)用在實(shí)踐中，被廣泛應(yīng)用較為常見的超市、辦公樓等大型建筑的防盜卷簾門窗、室外遮陽(yáng)篷布的升降驅(qū)動(dòng)中。管狀電機(jī)隸屬于單相電容異步電動(dòng)機(jī)，管狀電機(jī)包含定子，且該釘子繞組是由兩相繞組（主繞組、副繞組）構(gòu)建的，且主、副繞組之間的角度為90°，且電容會(huì)外接副繞組，因此這就可能會(huì)致使副繞組生成得電流會(huì)延后于主繞組，因?yàn)閮蓚€(gè)繞組出存在電流差，因此該電流差生成的磁場(chǎng)類似橢圓磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在該磁場(chǎng)下會(huì)不斷的旋轉(zhuǎn)[2]。如圖1所示，管狀電機(jī)外接線共有四根，電源控制線則是三根線，即黑線、棕線、藍(lán)線。因此在藍(lán)色線和火線連接后，棕色線就會(huì)和零線相連，且會(huì)在直接將開關(guān)K2、K3直接閉合，電機(jī)就會(huì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)藍(lán)色線就會(huì)和火線連接，黑色線就會(huì)和零線相連，接下來(lái)則會(huì)將開關(guān)K2，K1閉合，電機(jī)就會(huì)逆向運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 管狀電機(jī)電源接線圖以及控制開關(guān)示意圖

由于管狀電機(jī)在不同的使用用途下，根據(jù)使用需求則會(huì)有不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求。管狀電機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中一般都會(huì)選擇電機(jī)空載及負(fù)載時(shí)的電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)速、剎車轉(zhuǎn)角、限位精度、泄漏電流、冷態(tài)電阻和溫升變化作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些參數(shù)都會(huì)直接影響到管狀電機(jī)的安全運(yùn)行狀態(tài)[3]。

2 雙向通訊模式設(shè)計(jì)

2.1 雙向通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的雙向通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，不同電機(jī)和要控制器之間是單向遙控通信，而在通信網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)終端節(jié)點(diǎn)則可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，這就可以在實(shí)時(shí)的獲取得到電機(jī)終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、電源狀態(tài)等信息。由此設(shè)計(jì)了雙向通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)，如表1。

圖2 雙向通信協(xié)議圖

表1 雙向通訊協(xié)議結(jié)構(gòu)（速率40kbps）

雙向通訊協(xié)議中采用的無(wú)線通信為433 MHz無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，通信頻率為433.925 MHz，通信方式采用2GFSK編碼方式，波特率設(shè)置為40 kbps。其中為了更好的控制智能窗簾的數(shù)據(jù)接收以及發(fā)送，其中將正常數(shù)據(jù)定義為8字節(jié)前導(dǎo)碼（0xAA），4字節(jié)同步字（0x2D，0xD4，0x2D，0xD4），加數(shù)據(jù)；喚醒數(shù)據(jù)：652字節(jié)前導(dǎo)碼 （0xAA），4字節(jié)同步字（0x2D，0xD4，0x2D，0xD4），加數(shù)據(jù)；睡眠時(shí)間 100 ms，喚醒20 ms，同時(shí)采用檢查RSSI閥值方式，平均sleep電流為30～40 μA左右。

2.2 數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

在智能窗簾控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信道使用中，為了降低網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)節(jié)點(diǎn)的碰撞沖突，采用了基于競(jìng)爭(zhēng)的單信道接入方式CSMA/CA，它應(yīng)用載波偵聽方式來(lái)將節(jié)點(diǎn)加入到信道中，節(jié)點(diǎn)碰撞概率的降低則應(yīng)用了退避算法[4]。CSMA/CA包含了兩個(gè)部分：載波檢測(cè)、隨機(jī)退避。載波偵聽的檢測(cè)通常會(huì)劃分為兩種方式：①物理層載波檢測(cè)方式，通過(guò)檢測(cè)到的天線信道能量或接收到的信號(hào)質(zhì)量來(lái)判斷當(dāng)前信道是否處于空閑狀態(tài)；②載波偵聽方式，判斷特定字節(jié)數(shù)來(lái)模擬信道是否處于空閑或繁忙狀態(tài)，當(dāng)判定數(shù)據(jù)包已經(jīng)處于繁忙狀態(tài)，則表示信道被占用?；诒疚碾p向通訊協(xié)議中有兩個(gè)通道，本文應(yīng)用物理層的載波偵聽方式：載波通信協(xié)議中當(dāng)某個(gè)通道被定義為繁忙狀態(tài)時(shí)，則表示該信道被占用。

本文應(yīng)用非堅(jiān)持CSMA信道接入策略，非堅(jiān)持CSMA/CA算法執(zhí)行過(guò)程如圖3。分析圖3可知，算法的退避次數(shù)可用后退次數(shù)（Number of Back，NB）表示，它是最大的信道重傳次數(shù)。NB的初始值為0，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要被發(fā)送時(shí)，首先要延遲隨機(jī)生成的時(shí)間后進(jìn)行信道空閑偵聽，一旦偵聽到信道處于空閑，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作；當(dāng)偵聽到信道被占用后，則將NB自增，將BE值重新計(jì)算；接下來(lái)則需要進(jìn)一步判斷NB的值是否已經(jīng)超過(guò)了最大后退值，一旦超過(guò)了最大后退值則表示回直接放棄本次發(fā)送，并返回發(fā)送信息失敗信號(hào)，當(dāng)沒(méi)有超過(guò)最大后退值則持續(xù)檢測(cè)信道是否空閑。在檢測(cè)到信道被占用后，需要一段時(shí)間來(lái)完成數(shù)據(jù)的重新發(fā)送，在退避緩沖后則可以顯著降低數(shù)據(jù)重新發(fā)送后發(fā)生沖突的概率。BE值也直接反應(yīng)了退避時(shí)間以及搶占信道的能力。當(dāng)前經(jīng)常使用的退避算法為二進(jìn)制指數(shù)退避算法，二進(jìn)制指數(shù)退避算法簡(jiǎn)單實(shí)用，性能較高，由此得到了廣泛得應(yīng)用。在參考IEEE802.1.5.4協(xié)議中NB、BE值約束后，將NB最大值設(shè)置為4，表示在經(jīng)過(guò)了5次退避之后，如果仍然偵聽到信道依然被占用則會(huì)直接放棄本次數(shù)據(jù)傳輸，避免信道開銷過(guò)大，此外還會(huì)返回一個(gè)發(fā)送失敗標(biāo)志；BE的取值范圍設(shè)置為 [0～5]，其中默認(rèn)值為3。當(dāng)BE值已經(jīng)被確認(rèn)后，退避時(shí)間值是隨機(jī)的從[0，2BE-1]選擇一個(gè)數(shù)字后乘以退避周期后計(jì)算得到的。

圖3 CSMA/CA算法流程圖

2.3 電機(jī)控制和網(wǎng)關(guān)的通信設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)關(guān)和電機(jī)控制的連接流程如圖4所示。當(dāng)未進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)中電機(jī)申請(qǐng)進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，智能窗簾會(huì)發(fā)送路由請(qǐng)求幀，網(wǎng)關(guān)在接收到路由請(qǐng)求幀后，則會(huì)解析通信幀，獲取得到控制終端類型、機(jī)電設(shè)備、數(shù)據(jù)信息量等，此外控制終端也會(huì)獲取到節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)信息，這就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在路由表中注冊(cè)信息，這就表明節(jié)點(diǎn)已經(jīng)入網(wǎng)成功，表示過(guò)程1結(jié)束。自完成了節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的給網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳幀，網(wǎng)關(guān)則會(huì)在接收到心跳幀后自動(dòng)給入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)返回心跳響應(yīng)幀，通過(guò)上述方式來(lái)實(shí)現(xiàn)路由鏈路的可靠性，進(jìn)入到過(guò)程2[5]。一旦當(dāng)控制終端已經(jīng)智能窗簾發(fā)送了控制指令，則表示進(jìn)入到過(guò)程3，智能網(wǎng)關(guān)在完成了相關(guān)的控制指令轉(zhuǎn)換后會(huì)直接將其發(fā)送給對(duì)應(yīng)的智能窗簾，而智能窗簾在收到控制指令后，則會(huì)執(zhí)行相關(guān)的控制指令，執(zhí)行下達(dá)的控制指令，且并將所需的狀態(tài)信息都經(jīng)過(guò)智能網(wǎng)關(guān)反饋給控制終端。如果網(wǎng)關(guān)在設(shè)置好的周期內(nèi)并沒(méi)有收到已經(jīng)入網(wǎng)的智能窗簾的心跳幀，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到過(guò)程4，表示路由路徑已經(jīng)過(guò)時(shí)，需要的窗簾節(jié)點(diǎn)已經(jīng)退出了網(wǎng)絡(luò)，會(huì)給控制終端發(fā)送該窗簾已經(jīng)關(guān)閉的反饋信息；窗簾在周期時(shí)間內(nèi)并沒(méi)有接收到網(wǎng)關(guān)反饋心跳響應(yīng)幀，這就說(shuō)明該路由路徑已經(jīng)過(guò)時(shí)，需要更新路由信息，重復(fù)上述過(guò)程。

圖4 網(wǎng)關(guān)和機(jī)電控制通信過(guò)程

3 測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中采用STM32F103C8T6單片機(jī)，它是由ST公司研發(fā)的具備ARM CortexTM M3內(nèi)核的中高端單片機(jī)。射頻硬件采用CC1101射頻芯片，是TI公司專門為低耗無(wú)線應(yīng)用而研發(fā)的一款低成本的可以自主對(duì)信號(hào)進(jìn)行接受、發(fā)送的芯片。STM32F103C8T6上的CC1101芯片是應(yīng)用SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)433 MHz頻段通信，此外視頻部分的CC1101芯片搭建則是應(yīng)用了TI公司的外圍部件，由此可得到本文的雙向管狀電機(jī)控制系統(tǒng)的基于433無(wú)線硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。

圖5433 MHz無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)按鍵以及指示燈的硬件設(shè)計(jì)圖如圖6所示：1表示為控制端接入控制；2表示電源接入；3表示按鍵功能輸入；4表示20盞提示通訊成功的指示燈；5表示數(shù)據(jù)通訊串口；6表示ISP下載端口；7表示控制芯片。

圖6 按鍵以及指示燈硬件設(shè)計(jì)圖

在測(cè)試過(guò)程中，為了明顯的識(shí)別串口的通訊情況，使用兩個(gè)LED燈來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)和傳輸情況：一個(gè)LED燈為收，一個(gè)LED燈為發(fā)。當(dāng)兩個(gè)燈出現(xiàn)了交替閃爍情況時(shí)，表示上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊傳輸正常，反之則表示通訊出現(xiàn)了問(wèn)題，需要進(jìn)一步檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置。以相鄰的兩個(gè)燈作為一個(gè)區(qū)域作為一組雙向通訊的測(cè)試，通過(guò)隨機(jī)給不同位置燈通電后，觀察其接收燈是否亮來(lái)判斷數(shù)據(jù)通訊情況。

控制過(guò)程中設(shè)計(jì)了云端APP連接Wifi模塊來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同的區(qū)域范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同時(shí)間內(nèi)對(duì)電動(dòng)窗簾實(shí)現(xiàn)的智能控制，具備非常好的控制效率。