智能窗帘机器人——硬件设计篇

Posted 2021-08-28 三明治开发社区

智能窗帘机器人

概述

随着智能家居的深入拓展，智能窗帘凭借成熟的技术和产品，逐步成为了智能家居家庭中的标配，在家装智能化市场有很高的应用价值。目前智能窗帘的产品主要以电动窗帘产品为主，该产品主要通过电机驱动实现对窗帘的操控，从安装上讲，该产品更适合前装市场，因为需要结合用户户型、门窗大小预留安装空间和电源接口。对于后装市场，往往需要专业人员上门丈量确认是否符合改装要求，大大增加了安装成本，因此目前市场上，出现的小型的窗帘机器人，完美解决的后装市场的这个痛点，使得普通窗帘秒变智能窗帘。

现在我们赶紧自动动手制作一个吧!

1、实现功能点：

• 可根据设置亮度阀值自动开关窗帘。
• APP上现实当前光照强度。
• APP上可控制窗帘开关量程。
• 检测到拉窗帘动作，自动关拉窗帘。

2、实现硬件框图：

硬件方案介绍

该方案基于涂鸦智能的一款低功耗嵌入式BLE协议的[BLE](BLE 模组-文档中心-涂鸦开发者 (tuya.com))模组作为控制单元和无线连接单元，通过照度传感器检测当前环境的光照强度，通过加速度传感器识别手动拽拉窗帘的状态，电机带动窗帘运动实现对窗帘的打开和关闭。

1、电源管理单元

该方案的供电方案选用4000mAh的可充电锂电池（3.7V）作为主供电源，为产品稳定运行提供可靠的保证，也不需要在窗帘附近电线为产品工作提供电源，当电量不足时，可方便拆卸下来充电。我们选用南麟的XT2052作为锂电池充电管理芯片，该芯片的特点：

• 内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。
• 可编程使充电电流可达 1.0A。
• 恒电流/恒电压运行和热度调节使得电池管理效率最高，没有热度过高的危险。
• 1/10 充电电流终止。
• 当拔掉 VIN 时，IC停止工作时，功耗 40uA 电流。
• OVP 保护功能，输入高于 6.8V，停止充电。

选用3PEAK的TLV700F33 作为3.3V稳定输出的LDO器件，该芯片的特点：

• 最大输出电流：300mA。
• 低输入输出电压差：200 mV @ 300 mA。
• 低静态电流：50uA。

参考电路如下图：

电路简要说明：

1、充电电流最大为1A。

2、两个指示灯用于指示充电状态和充电完成状态，红灯亮表示充电状态中，绿灯亮表示充电完成。

3、VBAT是电池电压，并直接用于驱动电机运行；3.3V是LDO稳压后的稳定3.3V直流电压，用于蓝牙模块和传感器的供电。

2、照度传感器

可感应光照强度的器件主要有光敏电阻，光敏二极管和照度传感器芯片等，光敏电阻和光敏二极管采集的是模拟量，还需要有电压值和光照强度的对应表，才能转换成相应的光照强度，所以这次我们选择的是TI的OPT3004传感器芯片，可通过数字接口，直接输出当前的光照强度值，非常适合在APP端实时显示光照强度值。对比与光敏电阻和光敏二极管，OPT3004有以下几点优点

• 低工作电流：1.8µA（典型值） 。
• 测量范围：0.01 Lux 至 83,000 Lux。
• 数字接口，直接读取光照数据，不需要转换，代码简单。

参考电路：

3、加速度传感器

需要检测到人为的拉窗帘动作，自动关拉窗帘，而人为的拉拽窗帘动作可拆分为水平方向的力，可以选择3轴加速度传感器来识别水平方向上受到的力，因此本次选择的是ST的LIS2DW12加速度传感器。在低功耗模式下，工作电流＜1uA。

参考电路

加速度传感器，我们选用的数字接口为I2C接口,可通过芯片的CS引脚外围电路选择通信接口为I2C或SPI，

由于LIS2DW12的地址码和OPT3004的地址码不一样，所以两个传感器可以共用一个I2C总线接口。

3、电机驱动

所谓的减速电机，就是减速器与电机的集成体，就是电机是高速低扭矩的经过齿轮减速增扭以后再带动发动机，它的优点是耗电量小，扭矩大。因为机器人是通过转轮和窗帘导轨的摩擦力带电机器人和窗帘运动的，需要的是扭矩大，速度可以相对低些，此次选减速电机。

电机驱动选择合泰的HT7K1201驱动芯片，是单通道H桥驱动器，输入电压：1.8~6V,峰值电流：1.3A，休眠电流：<0.1uA,导通电阻：0.5R,正转，反转，制动和待机4种状态，具有欠压保护（1.5V），过流保护(1.3A)，输出短路保护(1.9A)，热关机保护。

4、核心控制单元

本方案选用涂鸦智能的一款低功耗嵌入式BLE协议的[BLE](BLE 模组-文档中心-涂鸦开发者 (tuya.com))模组作为主控板，基于该模组的SOC开发，实现BLE直连、电机控制和传感器数据采集。原理图需要增加一个指示灯和按键，指示灯用来指示模块联网状态，按键用来重置模块联网信息。

5、原理图和pcb

扩展/优化点

1、结构上设计留电池可拆卸结构，方便拆卸锂电池充电，同时可以在产品上省去充电管理芯片，可降低成本。

2、如果不需要准确显示光照强度值，可替换为光敏电阻或光敏二极管。

3、目前是通过电机堵转时，电机电流与工作时电流不一致判别电机到达终点，可尝试用加速度传感器在堵转和正常运行的数据不一致来判别是否已经到达终点。