基于Zigbee的智能开关的设计及其实现.docx
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1、基于Zigbee智能开关设计和实现摘 要多年来,智能家居是不停被大家提到热点话题,其能够提升家居安全性和舒适性,同时为用户提供了生活便利。除了其出色用户体验,智能家居还有利于实现居住环境节能环境保护,所以成为未来家居发展方向。本文首先提出了一个基于Zigbee技术智能家居系统,该系统由用户手机、网络服务器、网关和若干功效性子节点组成。在此系统架构下,本文针对功效性子节点中智能开关节点部分,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、无线通讯等功效原理,并设计了一个含有以上功效智能开关节点设备。经过对节点调试,该设备成功实现了用户对智能开关当地、远程控制。该智能开关节点便
2、于安装、使用简单、出现故障后能够完成自检,经过长久测试证实,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 Design 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
3、 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 se
4、veral 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 desig
5、n 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 l
6、ong test proved that the node can be normal and stable operation throughout the intelligent switch system.Key Words: Smart Home;Long-distance Control;Zigbee;CC2530目 录1.绪论11.1 智能家居背景和意义11.2 智能家居研究现实状况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
7、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 当地控制程序设计204.4.4 用户查询和通信检验程序设计215.调试和分析225.1 调试方案225.2 底层调试235.3 应用层调试236.总结和展望256.1 总结256.2 展望25参考文件27附录28附录
8、一 系统原理图和PCB28附录二 系统实物图29附录三 系统关键代码30致谢341.绪论1.1 智能家居背景和意义智能家居概念前身最早能够追溯到上世纪80年代美国。建造于1984年“城市大厦”坐落于美国康乃迪克州哈特佛市。此项目对建筑中多种信息进行搜集和整合,发明出了世界上第一座“智能建筑”。该建筑关键功效包含: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信息服务。因为当初网络还未普及,传统智能家居多采取有线技术,布线复杂、造价昂贵、用户体验度很不好,所以在很长一段时间大家并不看好其发展。但伴随互联网技术发展,新一代基于无线通信智能家居利用移动互联网技术、智
9、能终端控制技术,使整个智能家居舒适度提升了上去,智能家居又重新回到了大家视野中。智能家居发明了一个新生活方法,这不仅不会影响用户正常生活,而且能够提升用户生活质量和工作效率。比如,上班之前只要按动遥控器上按键,家里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;黄昏下班,用手机就能够遥控打开客厅里空调和浴室里热水器,回到家中就能够立即享受一个舒适热水澡。另外,智能家居还能衍生出很多新用途用于满足不一样人群需求。现在广泛利用于智能家居系统子节点设备包含智能开关、智能插座、智能窗帘、智能红外转发器等,所以使用前景十分宽广。1.2 智能家居研究现实状况1998年5月,新加坡举行了“98亚洲家庭
10、电器和电子消费品国际展览会”。此次展览会一大亮点,是经过在场内模拟“未来之家”,推出了新加坡模式家庭智能化系统。进入二十一世纪,中国很多传统家电厂商和新兴互联网厂商也主动在智能家居领域施展拳脚,期望分得一杯羹。中国海尔集团,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6月底公布了智能家居发展战略;和此同时,小米企业和华润置业等地产商联合,也在对智能家居领域进行探索。现在,小米企业为智能家居生产商中领军企业,该企业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,这两款产品均采取了现在广泛使用WIFI技术,用户能够经过手机远程控制插座或插线板。插线板和插座全部配有
11、220V插口和USB插口,用户只关键点击手机上图标即可打开或关闭对应插口。除了利用WIFI通信外,应用于智能家居通信方案还有红外通信、Zigbee通信等。其中Zigbee技术能够在家庭中建立一个Zigbee局域网,并对覆盖于该局域网下若干智能家居子节点进行互联。Zigbee技术和WIFI技术相比,即使通信距离短、通信速率没有互联网通信快,但因为其应用于室内控制,对通信距离和通信速率要求较低,基础能满足家庭通信需要,而且其优点被深入放大:设备成本低,使用期间无额外通信费用产生;功耗低,一节干电池能够维持一个Zigbee模块正常运行六个月到十二个月,克服了大多数通信设备对不间断电源依靠性。1.3
12、智能开关概述和上述提及智能插座、智能插线板相比,智能开关在智能家居中使用得愈加普遍。家庭中控制照明设备开关从最初拉线开关、拇指开关,发展到现在常见按键开关,在安全性、可靠性、便利性上全部得到了更大提升。现在市场上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,可经过射频遥控器对家中开关进行单独控制或群控制,起到了一定便利性。该设备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全部胜于按键开关。首先
13、,在外观上其略去了传统机械开关结构,开关面板仅包含一个触摸感应区域,造型更为一体。其次,因为没有机械开关间隙,该类开关能安全应用于浴室、厨房等环境。该类开关缺点在于触摸电路供电复杂,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移动开关和一个220V供电控制器,当用户操作开关面板时,该移动开关能将环境中机械能、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,最终控制器会对对应照明设备进行通电断电操作。该类开关优势在于降低了装修成本,免去家庭装修前期部分开关布线工程;在安置开关时,用户能够个性化选择开关位置,无需对家庭中照明线路进行改造;控制器能够配置成单
14、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。和射频控制开关相比,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换传统面板开关成熟处理方案。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,所以家庭中原先开关盒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照明设备,安装过程愈加便利。在处理供电问题后,该设备还可加入远程控制功效,深入提升开关智能性。 2.系统方案设计智能家居系统关键是建立用户和节点间双向通信关
15、系。本文提出智能家居通信策略和小米插座所使用不一样,在该系统方案中,负担通信任务设备包含手机、服务器、网关和若干节点设备,各设备之间关联图2-1所表示。手机和服务器、服务器和网关间通信在互联网中进行,网关和若干节点通信在Zigbee网络中进行,在该通信网络下,用户能够经过手机进行远程控制或在家中进行当地控制。图2-1 智能家居系统框图2.1 课题设计目标本文研究关键内容选择自智能家居系统中一个关键单元智能开关节点。该节点为了满足用户日常需求,不仅在功效上需要含有当地控制和远程控制功效,在使用过程中还需要考虑人性化原因。总结上述需求,该智能开关节点设计目标包含:1. 对于当地控制,用户能够经过实
16、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消息。2. 对于远程控制,用户能够经过手机软件对家中电气设备进行控制,同时能够监测家中电气设备状态。3. 为方便用户安装使用,该节点在首次开启时,网关能和节点自动配对,断电重启后能自动重连。4. 为确保通信质量,系统能自动检测网关和开关设备间连接状态,并能上报连接失败消息。5. 为了增强该智能开关设备兼容性,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 课题设计方案对于当地控制功效处理方案,直接对开关节点设备进行编程即可实现。对于远程控制功效处理方案,则需要上述系统框图中提及各设备相互配合才能实现。首先,用户使用手机连
17、接互联网,在手机软件中输入操作指令会先发送至服务器,再由服务器发送至特定家庭网关中,最终和家庭中各节点进行Zigbee通信。其中网关关键在互联网通信和Zigbee通信之间起转发作用,在家庭网关接收到用户发来指令后,网关会和家庭中Zigbee设备进行通信并实现对应用户指令,如智能开启家中电气设备。其它设计目标可经过编写代码处理。在软件程序设计方面,该智能开关节点使用TI企业推出Z-stack协议栈进行编程。该节点全部功效实现,是依靠通信中数据包正确收发和单片机对数据包正确分析。开关控制信号和开关状态全部包含在对应数据包中,当接收到完整数据后,程序会依据通信协议分析该数据包含义,最终做出对应处理。
18、在该数据包中,一个字节数据就可控制8个照明设备,且发送数据包长度无限制,所以该智能开关节点含有灵活可扩展性。为了满足上述设计方案实现,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,用于各个元器件供电;一个主控制器最小单元CC2530,用于建立Zigbee网络和实施对应程序操作;另外还包含三路触摸开关,分别控制三路家用电气设备,其硬件框图图2-2所表示。图2-2 智能开关节点硬件电路框图在触摸检测电路中,触摸开关采取电容式开关设计,并使用专门触摸开关检测芯片检测触摸开关状态;智能开关实施机构是继电器,其开关触点端和电气设备串联接入220V市电中;继电器电磁线圈端和一个三极管串联接入
19、5V直流电,其基极和CC2530单片机控制引脚相连。为了取得愈加好用户体验,在进行开关操作时触摸面板会有彩色灯光提醒:当进行开开启作时,触摸开关会由绿色变成红色;当进行断开动作时,触摸开关由红色变为绿色。在满足基础功效实现基础上,在实际使用中还要求智能开关系统设计简练,功耗小。该课题选择CC2530芯片,自带Zigbee通信功效且体积小,不管在技术上还是功耗上,全部能够满足智能家居配置要求,所以成为智能家居控制单元首选。除了对节点基础功效进行软件设计,在进行程序编写前还需进行其它配置,如选择网络拓扑结构、Zigbee通信方法等。在Zigbee网络拓扑结构选择上,该课题为了更方便地添加其它开关设
20、备,最终选择网型拓扑结构。考虑到家庭中有众多待检测和待控制设备,该课题通信方法既包含点对点通信,又包含广播通信。当网关对全部节点设备发送操作指令时,采取广播通信方法;当节点向网关上报设备信息时,采取点播通信方法。2.3 Zigbee网络概述智能家居系统本质是一个多节点网络,对于节点设备控制关键经过Zigbee模块之间通信实现。依据不一样Zigbee设备在网络中所饰演角色划分,包含协调器、路由器和设备终端。(1)协调器。一个Zigbee网络需要协调器来建立,在系统开启初始,协调器关键负责建立和配置网络。在网络建立后,协调器和路由器作用相同。(2)路由器。路由器是信息传输枢纽,其既能接收周围节点上
21、报信息,也能发送控制信息控制周围节点。(3)设备终端。设备终端作为整个网络末端,不能再延伸出节点,对整个网络建立和维护没有贡献,且本身只做接收信号功效,无法上报信息。终端不需要连续供电,在系统设计时可在需要它时和它通信,在其它时间终端能够处于休眠状态,能很好地延长使用寿命。在该智能家居系统中,网关用于建立Zigbee网络,其作为协调器使用。因为该智能开关节点在方案设计中已指出需要双向通信功效,所以为需要将开关节点作为路由器使用,依据以上分析,该系统不包含到设备终端。2.4 论文章节安排1. 绪论。关键介绍了智能家居背景、研究现实状况,并对现在智能开关中衍生出基础种类进行简明概述。2. 系统方案
22、设计。关键介绍了智能开关节点设计目标和设计方案,并简明介绍了Zigbee网络基础组成。3. 硬件电路设计。关键介绍了CC2530最小系统和智能开关电路设计,并对芯片选择和外设电路进行了分析。4. 软件程序设计。首先简明梳理了智能开关节点软件设计思绪,以后结合实际功效关键叙述了应用层软件设计。5. 调试和分析。首先简明分析了部分功效模块具体调试过程,以后关键叙述开关节点运行调试情况,并给出最终调试图片。6. 总结和展望。关键是对该课题在研究过程中碰到问题进行总结,并提出该作品不足之处和其它需要改善优化方面。3.硬件电路设计由智能开关节点硬件电路框图2-2可知,该节点硬件电路设计关键分为四个部分:
23、微控制器最小系统、触摸检测电路、继电器控制电路和负载部分,除此以外还有为各电路供电电源转换电路。智能开关节点硬件设计为了满足易安装、结构简单要求,应尽可能缩小设备体积。在实际使用中,该开关节点用于控制负载上火线通断,所以仅需在节点负载端引出对应端子和负载相连,本章关键介绍其它四部分电路。3.1 微控制器最小系统设计现在市场上主营三种Zigbee芯片,分别是:德州仪器CC2530 、飞思卡尔MC1321X系列和意法企业EM250。CC2530采取标准8051处理器,能够和2.4GHZZigbee无线收发电路配合工作。现在德州仪器提供Z-stack协议栈,且已经开放无偿下载,而其它几家企业情况以下
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