基于Zigbee的智能开关设计与实现

I基于 Zigbee 的智能开关的设计与实现摘 要近年来，智能家居是不断被人们提到的热点话题，其能够提升家居的安全性和舒适性，同时为用户提供了生活便利。除了其出色的用户体验，智能家居还有助于实现居住环境的节能环保，因此成为未来家居的发展方向。本文首先提出了一种基于 Zigbee 技术的智能家居系统，该系统由用户手机、网络服务器、网关和若干功能性子节点组成。在此系统架构下，本文针对功能性子节点中的智能开关节点部分，从其硬件电路和软件程序两个角度分析了该类节点实现自动联网、断线自检、无线通讯等功能的原理，并设计了一个具有以上功能的智能开关节点设备。通过对节点的调试，该设备成功实现了用户对智能开关的本地、远程控制。该智能开关节点便于安装、使用简单、出现故障后能够完成自检，经过长期的测试证明，该节点在整个智能开关系统中能够正常稳定地运行。关键词：智能家居 远程控制 Zigbee CC2530 IIDesign and Implementation of Smart Switch Based on ZigbeeAbstractSmart Home is a hot topic in recent years, which can enhance home security and comfort, while providing convenient life. In addition to its excellent user experience, smart home also contributes to energy saving and environmental protection of the living environment, thus becoming the future direction of home.This paper presents a technique based on Zigbee smart home system, the system consists of mobile phone users, network servers, gateways, and several functional temper nodes. In this system architecture, this paper function temper intelligent switching node section, from hardware and software program analyzes the class two node network automatically, breaking the principle of self-test, wireless communications and other functions, and design of the intelligent switching node apparatus having the above functions. By node debugging, the successful implementation of the local device, remote control user intelligent switches.The intelligent switch node is easy to install, simple to use, after a failure to complete the self-test, after a long test proved that the node can be normal and stable operation throughout the intelligent switch system.Key Words: Smart Home;Long-distance Control;Zigbee;CC2530III目 录1.绪论 11.1 智能家居背景与意义 11.2 智能家居研究现状 11.3 智能开关概述 22.系统方案设计 42.1 课题设计目标 42.2 课题设计方案 52.3 Zigbee 网络概述 62.4 论文章节安排 63.硬件电路设计 83.1 微控制器最小系统设计 83.2 触摸检测电路设计 113.3 继电器控制电路设计 113.4 电源转换电路设计 124.软件程序设计 144.1 程序设计方案 144.2 CC2530 程序架构 144.2.1 Z-stack 协议栈 154.2.2 操作系统抽象层 154.3 底层程序设计 164.3.1 设备组网入网 164.3.2 串口配置 164.4 应用层程序设计 184.4.1 通信协议设计 184.4.2 远程控制程序设计 204.4.3 本地控制程序设计 20IV4.4.4 用户查询与通信检查程序设计 215.调试与分析 225.1 调试方案 225.2 底层调试 235.3 应用层调试 236.总结与展望 256.1 总结 256.2 展望 25参考文献 27附录 28附录一 系统原理图和 PCB28附录二 系统实物图 29附录三 系统核心代码 30致谢 34常熟理工学院毕业设计（论文）11.绪论1.1 智能家居背景与意义智能家居概念的前身最早可以追溯到上世纪 80 年代的美国。建造于 1984 年的“都市大厦”坐落于美国康乃迪克州的哈特佛市。此项目对建筑中的各种信息进行收集和整合，创造出了世界上第一座“ 智能建筑 ”。该建筑的主要功能包括：对大楼空调、电梯、智能照明设备等进行监控;提供语音通信、电子邮件和情报资料等方面的信息服务。由于当时网络还未普及，传统的智能家居多采用有线技术，布线复杂、造价昂贵、用户体验度非常不好，因此在很长一段时间人们并不看好其发展。但随着互联网技术的发展，新一代基于无线通信的智能家居利用移动互联网技术、智能终端控制技术，使整个智能家居的舒适度提升了上去，智能家居又重新回到了人们的视野中。智能家居创造了一种新的生活方式，这不仅不会影响用户的正常生活，而且能够提升用户的生活质量和工作效率。例如，上班之前只要按动遥控器上的按键，家里的电灯和电器就能全部关上，安全防范系统自动进入警戒状态；傍晚下班，用手机就可以遥控打开客厅里的空调和浴室里的热水器，回到家中就可以马上享受一个舒服的热水澡。此外，智能家居还能衍生出许多新用途用于满足不同人群的需求。目前广泛运用于智能家居系统的子节点设备包括智能开关、智能插座、智能窗帘、智能红外转发器等，因此使用前景十分广阔。1.2 智能家居研究现状1998 年 5 月，新加坡举办了“98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会” 。本次展览会的一大亮点，是通过在场内模拟“未来之家” ，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。进入 21 世纪，国内的许多传统家电厂商和新兴互联网厂商也积极在智能家居领域施展拳脚，希望分得一杯羹。我国的海尔集团，已经在青岛东城建立了智能家居 U-home 系统；电商巨头京东，在 2014 年 6 月底公布了智能家居发展战略；与此同时，小米公司与华润置业等地产商联合，也在对智能家居领域进行探索。目前，小米公司为智能家居生产商中的领军企业，该公司最近成功将两款智能家居产品推向市场，分别为智能插座和智能插线板，这两款产品均采用了目前广泛使用的WIFI 技术，用户可以通过手机远程控制插座或插线板。插线板和插座都配有 220V 插口常熟理工学院毕业设计（论文）2和 USB 插口，用户只要点击手机上的图标即可打开或关闭相应插口。除了利用 WIFI 通信外，应用于智能家居的通信方案还有红外通信、Zigbee 通信等。其中 Zigbee 技术可以在家庭中建立一个 Zigbee 局域网，并对覆盖于该局域网下的若干智能家居子节点进行互联。Zigbee 技术与 WIFI 技术相比，虽然通信距离短、通信速率没有互联网通信快，但由于其应用于室内控制，对通信距离和通信速率的要求较低，基本能满足家庭通信需要，并且其优点被进一步放大：设备成本低，使用期间无额外通信费用产生；功耗低，一节干电池可以维持一个 Zigbee 模块正常运行半年到一年，克服了大多数通信设备对不间断电源的依赖性。1.3 智能开关概述与上述提及的智能插座、智能插线板相比，智能开关在智能家居中使用得更加普遍。家庭中控制照明设备的开关从最初的拉线开关、拇指开关，发展到如今常见的按键开关，在安全性、可靠性、便利性上都得到了更大提升。目前市场上的智能开关除了有触摸开关、射频控制开关，还有免布线开关、单火线给电开关等，这类智能设备正向易安装和人性化方面继续发展。1.射频控制开关射频控制开关利用射频通信原理，可通过射频遥控器对家中的开关进行单独控制或群控制，起到了一定便利性。该设备的缺点在于射频信号通信距离较短，当有障碍物遮挡时，遥控灵敏度会降低。2.触摸开关触摸开关利用触摸传感器控制开关动作，在安全性和美观性上都胜于按键开关。一方面，在外观上其略去了传统的机械开关结构，开关面板仅包含一个触摸感应区域，造型更为一体。另一方面，由于没有机械开关的间隙，该类开关能安全应用于浴室、厨房等环境。该类开关的缺陷在于触摸电路的供电复杂，须对家庭原先电气线路进行改造。3.免布线开关免布线开关包含一个无需外部供电的移动开关和一个 220V 供电的控制器，当用户操作开关面板时，该移动开关能将环境中的机械能、光能转化为电能，然后利用无线通信技术将触摸信号发送给控制器，最终控制器会对相应照明设备进行通电断电操作。该类开关的优势在于降低了装修成本，免去家庭装修前期的一些开关布线工程；在安置开关时，用户可以个性化选择开关位置，无需对家庭中的照明线路进行改造；控制器可以配常熟理工学院毕业设计（论文）3置成单个开关控制多路照明设备，或多路开关控制同一照明设备，在卧室床头灯开关应用上使用广泛。与射频控制开关相比，该类开关遥控距离更远，当有障碍物遮挡时信号稳定。4.单火线给电开关单火线给电开关是替代传统面板开关的成熟解决方案。传统开关在进行线路设计时，往往只引出了火线，然后再将各用电设备连接至零线上，因此家庭中原先开关盒的引线仅包含了火线输入口和火线输出口。该单火线给电开关利用火线即可完成取电工作，优势在于无需对家庭线路进行改造、无需控制器即可控制家中的照明设备，安装过程更加便利。在解决供电问题后，该设备还可加入远程控制功能，进一步提升开关的智能性。常熟理工学院毕业设计（论文）42.系统方案设计智能家居系统的核心是建立用户与节点间的双向通信关系。本文提出的智能家居通信策略与小米插座所使用的不同，在该系统方案中，承担通信任务的设备包括手机、服务器、网关和若干节点设备，各设备之间的关联如图 2-1 所示。手机与服务器、服务器与网关间的通信在互联网中进行，网关与若干节点的通信在 Zigbee 网络中进行，在该通信网络下，用户可以通过手机进行远程控制或在家中进行本地控制。网 关 1互 联 网家 庭 1服 务 器手 机 1智 能窗 帘. . . . . . 手 机 2智 能开 关 . . . . . . 网 关 2家 庭 2. . . . . . . . . . 图 2-1 智能家居系统框图2.1 课题设计目标本文研究的核心内容选取自智能家居系统中的一个重要单元智能开关节点。该节点为了满足用户的日常需求，不仅在功能上需要具备本地控制和远程控制功能，在使用过程中还需要考虑人性化因素。总结上述需求，该智能开关节点的设计目标包括：1. 对于本地控制，用户可以通过实体开关在家中对电气设备进行控制，此时手机上可同时接收到开关状态更新的消息。2. 对于远程控制，用户可以通过手机软件对家中的电气设备进行控制，同时能够监测家中电气设备的状态。3. 为方便用户安装使用，该节点在首次启动时，网关能与节点自动配对，断电重启后能自动重连。4. 为保证通信质量，系统能自动检测网关与开关设备间的连接状态，并能上报连接失败的消息。常熟理工学院毕业设计（论文）55. 为了增强该智能开关设备的兼容性，在对电路元器件进行选型时应考虑提升其带负载能力。2.2 课题设计方案对于本地控制功能的解决方案，直接对开关节点设备进行编程即可实现。对于远程控制功能的解决方案，则需要上述系统框图中提及的各设备相互配合才能实现。首先，用户使用手机连接互联网，在手机软件中输入的操作指令会先发送至服务器，再由服务器发送至特定家庭的网关中，最终与家庭中的各节点进行 Zigbee 通信。其中网关主要在互联网通信和 Zigbee 通信之间起转发作用，在家庭网关接收到用户发来的指令后，网关会和家庭中的 Zigbee 设备进行通信并实现相应的用户指令，如智能开启家中的电气设备。其余设计目标可通过编写代码解决。在软件程序设计方面，该智能开关节点使用 TI公司推出的 Z-stack 协议栈进行编程。该节点所有功能的实现，是依靠通信中数据包的正确收发以及单片机对数据包的正确分析。开关的控制信号和开关状态都包含在相应数据包中，当接收到完整数据后，程序会根据通信协议分析该数据包的含义，最终做出相应的处理。在该数据包中，一个字节的数据就可控制 8 个照明设备，且发送数据包的长度无限制，因此该智能开关节点具有灵活的可扩展性。为了满足上述设计方案的实现，在硬件电路设计方面，该智能开关节点包含一个电源转换电路模块，用于各个元器件的供电；一个主控制器最小单元 CC2530，用于建立Zigbee 网络和执行相应的程序操作；此外还包括三路触摸开关，分别控制三路家用电气设备，其硬件框图如图 2-2 所示。继 电 器控 制 电 路CC2530最 小 系 统触 摸 检 测 电 路 负 载图 2-2 智能开关节点硬件电路框图在触摸检测电路中，触摸开关采用电容式开关设计，并使用专门的触摸开关检测芯片检测触摸开关的状态；智能开关的执行机构是继电器，其开关触点端与电气设备串联接入 220V 市电中；继电器的电磁线圈端与一个三极管串联接入 5V 直流电，其基极与CC2530 单片机控制引脚相连。为了获得更好的用户体验，在进行开关操作时触摸面板会有彩色灯光提醒：当进行开启动作时，触摸开关会由绿色变成红色；当进行断开动作时，常熟理工学院毕业设计（论文）6触摸开关由红色变为绿色。在满足基本功能实现的基础上，在实际使用中还要求智能开关系统设计简洁，功耗小。该课题选用的 CC2530 芯片，自带 Zigbee 通信功能且体积小，无论在技术上还是功耗上，都能够满足智能家居的配置要求，因而成为智能家居控制单元的首选。除了对节点的基本功能进行软件设计，在进行程序编写前还需进