基于Zigbee的智能开关的设计与实现

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. 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ZigbeeCC2530

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. Design and Implementation of Smart Switch Based on Zigbee

Abstract

Smart 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.

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Key Words:Smart Home;Long-distance Control;Zigbee;CC2530

目录

1.绪论 (1)

1.1 智能家居背景与意义 (1)

1.2 智能家居研究现状 (1)

1.3 智能开关概述 (2)

2.系统方案设计 (4)

2.1 课题设计目标 (4)

2.2 课题设计方案 (5)

2.3 Zigbee网络概述 (6)

2.4 论文章节安排 (6)

3.硬件电路设计 (8)

3.1 微控制器最小系统设计 (8)

3.2 触摸检测电路设计 (11)

3.3 继电器控制电路设计 (12)

3.4 电源转换电路设计 (13)

4.软件程序设计 (14)

4.1 程序设计方案 (14)

4.2 CC2530程序架构 (15)

4.2.1 Z-stack协议栈 (15)

4.2.2 操作系统抽象层 (16)

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4.3 底层程序设计 (16)

4.3.1 设备组网入网 (16)

4.3.2 串口配置 (17)

4.4应用层程序设计 (18)

4.4.1 通信协议设计 (19)

4.4.2 远程控制程序设计 (20)

4.4.3 本地控制程序设计 (21)

4.4.4 用户查询与通信检查程序设计 (21)

5.调试与分析 (23)

5.1 调试方案 (23)

5.2 底层调试 (24)

5.3 应用层调试 (24)

6.总结与展望 (26)

6.1 总结 (26)

6.2 展望 (26)

参考文献 (28)

附录 (29)

附录一系统原理图和PCB (29)

附录二系统实物图 (30)

附录三系统核心代码 (31)

致谢 (34)

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. 1.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

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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.

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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。

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