| 基于近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的超聲波電機(jī)控制研究
曹勝華，陳溪，金龍，徐志科
(1．國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司，南京210003；2東南大學(xué)，南京210096)
摘要：隨著超聲波電機(jī)應(yīng)用于高檔電動(dòng)窗簾領(lǐng)域，控制系統(tǒng)提出了近距離無(wú)線(xiàn)控制的要求，因此本文對(duì)基于近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的超聲波電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)主要近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究比較，選擇最適合的zlgBee技術(shù)作為電動(dòng)窗簾應(yīng)用通信技術(shù)。同時(shí)給出遙控器和控制器的簡(jiǎn)略設(shè)計(jì)方案和工作流程。并且提出進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；控制；近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)；zlgBee
O引言
超聲波電機(jī)是近幾年得到迅速發(fā)展的一種新型電機(jī)，它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，投有電磁繞組和磁路，不以電磁的相互作用來(lái)傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過(guò)摩擦來(lái)傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，它具有慣性小、響應(yīng)快、控制特性好、不受磁場(chǎng)影響、同時(shí)本身也不產(chǎn)生磁場(chǎng)、定位精度高等特點(diǎn)。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小、低速大扭矩、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等特性。由于可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、間隙以及低效率、難控制等一系列問(wèn)題。該電機(jī)作為執(zhí)行元件，在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車(chē)專(zhuān)用電器、超高精度測(cè)量?jī)x器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能機(jī)器人、醫(yī)療器械、高教器材、電動(dòng)窗簾等領(lǐng)域具有，一泛應(yīng)用前景。
通常人們通過(guò)有線(xiàn)方式將控制命令下發(fā)到超聲波電機(jī)控制器，再超聲波電機(jī)控制器來(lái)完成超聲波電機(jī)運(yùn)行控制。但是隨著超聲波電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，有些應(yīng)用提出了近距離無(wú)線(xiàn)控制的要求，例如電動(dòng)窗簾控制。這里將針對(duì)電動(dòng)窗簾應(yīng)用對(duì)基于近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)的超聲波電機(jī)控制技術(shù)進(jìn)行研究，并給出相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方案。
1總體方案
由于超聲波電機(jī)具有低速大扭矩、斷電自鎖、靜音運(yùn)行等特點(diǎn)，非常適合作為高檔電動(dòng)窗簾的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這類(lèi)高檔電動(dòng)窗簾在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到較廣泛的使用。隨著我國(guó)人民生活水平的提高，預(yù)計(jì)這類(lèi)高檔電動(dòng)窗簾將會(huì)在我國(guó)得到使用，并且市場(chǎng)會(huì)不斷擴(kuò)大。
電動(dòng)窗簾一般在家居環(huán)境中使用，這就要求對(duì)電動(dòng)窗簾的控制要快捷方便，且能進(jìn)行多種工作方式控制。在有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)等各種通信方式中，只有近距離無(wú)線(xiàn)通信控制技術(shù)才能滿(mǎn)足此要求。
目前使用較廣泛的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802．11、紅外數(shù)據(jù)傳輸、zigBee、超寬頻、短距通信(NFc)、wiMedia、GPs、DEcT、無(wú)線(xiàn)1394和專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)等。它們都有其立足的特點(diǎn)，或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求，或著眼于功能的擴(kuò)充性，或符合某些單一應(yīng)用的特別要求，或建立競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的差異化等。但是沒(méi)有一種技術(shù)可以****到足以滿(mǎn)足所有的需求。
針對(duì)家居環(huán)境電動(dòng)窗簾具體使用需求，控制系統(tǒng)和近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)必須具備以下特點(diǎn)：
1)成本低，用量大；
2)功耗低，長(zhǎng)時(shí)間工作；
3)數(shù)據(jù)傳輸速率適中，幾十kb／s～幾百kb／s；
4)有效范圍適中，10m～100m；
5)網(wǎng)絡(luò)容量適中，最多可支持上百個(gè)設(shè)備；
6)工作頻段靈活；
7)具有超視距通信能力。
從上表比較可以得出以下結(jié)論：zigBee技術(shù)最適合電動(dòng)窗簾應(yīng)用。因?yàn)閦ig]3ee技術(shù)具有成本低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率適中、有效范圍適中、網(wǎng)絡(luò)容量適中、具有超視距通信能力等特點(diǎn)。
確定zigBee技術(shù)作為電動(dòng)窗簾應(yīng)用通信技術(shù)后，結(jié)合超聲波電機(jī)控制的需要，提出以下組網(wǎng)方案，如圖1所示。
遙控器作為無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，不但負(fù)責(zé)發(fā)出查詢(xún)命令和控制命令，以及接收電動(dòng)窗簾的狀態(tài)信息，而且擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，組建網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)(信標(biāo))、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息。
電動(dòng)窗簾控制器作為無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收遙控器(中心節(jié)點(diǎn))的查詢(xún)命令進(jìn)行狀態(tài)查詢(xún)的回答，負(fù)責(zé)接收遙控器控制命令，控制電動(dòng)窗簾按照控制命令運(yùn)行。
遙控器作為中心節(jié)點(diǎn)，可以和每個(gè)電動(dòng)窗簾進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，也可以對(duì)所有電動(dòng)窗簾進(jìn)行一對(duì)多的通信。組成一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)組織。
2方案實(shí)現(xiàn)
遙控器由Mcu(MSF。430F2272)、無(wú)線(xiàn)通信模塊(LsDRF2400A12模塊)、液晶顯示模塊(RT0802)、接口模塊、電源模塊等組成。
其中LsDRF240。A12無(wú)線(xiàn)模塊是基于TI射頻集成芯片cc2500的射頻通信模塊，工作在2 4GHz ISM頻段，不帶Mcu，提供客戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該模塊功能如下：
1)頻率范圍：2400MHz～2483．5MHz；
2) 調(diào)制方式：2-FSK／GFsK/MSK／OOK，用戶(hù)可設(shè)定：
3)傳輸距離：可視距離～100M；
4)信道速率：1．2K～500Kbps，用戶(hù)可設(shè)定；
5) 接口速率：sPI串行接口
6) 發(fā)射功率：≤ldBm，用戶(hù)可設(shè)定；
7) 接收靈敏度：一99dBm(2一FSK／10Kbps)；
8)睡眠電流：<1 uA；
9) 信道切換：90us，適合跳頻通信應(yīng)用。
電動(dòng)窗簾控制器由DSP(TMS320F2810)、無(wú)線(xiàn)通信模塊(LsDRF2400A12模塊)、驅(qū)動(dòng)模塊(IRF540N)、接口模塊、電源模塊等組成。
整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)遙控器和控制器之間的近距離無(wú)線(xiàn)通信來(lái)完成相應(yīng)功能。下面分別介紹遙控器和控制器工作流程。
遙控器主要有二種工作流程：
組建網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)新控制器查詢(xún)命令查詢(xún)是否有未進(jìn)入而想進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的控制器，如果有，完成握手確認(rèn)后，由遙控器分配一個(gè)未用的網(wǎng)絡(luò)短地址給新控制器，新控制器確認(rèn)后以分配的網(wǎng)絡(luò)短地址入網(wǎng)。對(duì)于已有網(wǎng)絡(luò)短地址(即入網(wǎng)過(guò))的控制器，遙控器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)短地址直接查詢(xún)是否入網(wǎng)，握手確認(rèn)入網(wǎng)。
發(fā)送命令：遙控器通過(guò)含網(wǎng)絡(luò)短地址的查詢(xún)命令，直接對(duì)某個(gè)控制器狀態(tài)進(jìn)行查詢(xún)，收集信息。遙控器通過(guò)含網(wǎng)絡(luò)短地址的控制命令，贏接對(duì)某個(gè)控制器進(jìn)行控制，由某個(gè)控制器完成電動(dòng)窗簾的運(yùn)動(dòng)控制。遙控器通過(guò)含廣播地址的控制命令，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有控制器進(jìn)行控制，由各個(gè)控制器完成對(duì)應(yīng)電動(dòng)窗簾的運(yùn)動(dòng)控制。
控制器主要有二種工作流程：
等待入網(wǎng)：對(duì)于還未分配網(wǎng)絡(luò)短地址控制器一直等待遙控器發(fā)送新控制器查詢(xún)命令，當(dāng)接收到新控制器查詢(xún)命令后通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)信道發(fā)送握手信息，由遙控器分配一個(gè)未用的網(wǎng)絡(luò)短地址給控制器，控制器確認(rèn)后以分配的網(wǎng)絡(luò)短地址入網(wǎng)。對(duì)于已有網(wǎng)絡(luò)短地址(即入網(wǎng)過(guò))的控制器，遙控器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)短地址直接查詢(xún)是否入網(wǎng)，握手確認(rèn)入網(wǎng)。
接收命令：接收到含網(wǎng)絡(luò)短地址的查詢(xún)命令，先進(jìn)行地址配對(duì)，地址對(duì)應(yīng)的控制器發(fā)送狀態(tài)信息給遙控器。接收到含網(wǎng)絡(luò)短地址的控制命令，先進(jìn)行地址配對(duì)，地址對(duì)應(yīng)的控制器完成電動(dòng)窗簾的運(yùn)動(dòng)控制，并回送信息。接收到含廣播地址的控制命令，所有的控制器立即完成電動(dòng)窗簾的運(yùn)動(dòng)控制。
整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)遙控器流程和控制器流程之間的交互來(lái)滿(mǎn)足家居環(huán)境電動(dòng)窗簾具體使用需求。
3結(jié)論
我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，近距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)中的zigEtee技術(shù)能較好地應(yīng)用于對(duì)超聲波電機(jī)電動(dòng)窗簾的控制，能滿(mǎn)足人們追求舒適生活的愿望。為了進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用和降低成本，我們下一步將繼續(xù)列基于ZigBee技術(shù)思想的簡(jiǎn)易組網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究。
參考文獻(xiàn)
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[31曹勝華，陳溪，金龍，等基于32位DSP的超聲波電機(jī)控制器產(chǎn)品研制[c]第十三屆中國(guó)小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，上海2008，11
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[5]王心堅(jiān)行波超聲波電機(jī)伺服控制特性理論與實(shí)踐研究[D]南京東南大學(xué)電氣工程系，2008
作者簡(jiǎn)介：曹勝華，男，碩士，豐要研究方向嵌入式系統(tǒng)與智能控制、超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 |
