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毕业设计论文基于Zigbee的智能开关的设计与实现
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
DesignandImplementationofSmartSwitchBasedonZigbee
Abstract
SmartHomeisahottopicinrecentyears,whichcanenhancehomesecurityandcomfort,whileprovidingconvenientlife.Inadditiontoitsexcellentuserexperience,smarthomealsocontributestoenergysavingandenvironmentalprotectionofthelivingenvironment,thusbecomingthefuturedirectionofhome.
ThispaperpresentsatechniquebasedonZigbeesmarthomesystem,thesystemconsistsofmobilephoneusers,networkservers,gateways,andseveralfunctionaltempernodes.Inthissystemarchitecture,thispaperfunctiontemperintelligentswitchingnodesection,fromhardwareandsoftwareprogramanalyzestheclasstwonodenetworkautomatically,breakingtheprincipleofself-test,wirelesscommunicationsandotherfunctions,anddesignoftheintelligentswitchingnodeapparatushavingtheabovefunctions.Bynodedebugging,thesuccessfulimplementationofthelocaldevice,remotecontroluserintelligentswitches.
Theintelligentswitchnodeiseasytoinstall,simpletouse,afterafailuretocompletetheself-test,afteralongtestprovedthatthenodecanbenormalandstableoperationthroughouttheintelligentswitchsystem.
KeyWords:
SmartHome;Long-distanceControl;Zigbee;CC2530
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。
2.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。
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。
5.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。
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，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行其他配置，如选择网络拓扑结构、Zigbee通信方式等。
在Zigbee网络拓扑结构的选取上，该课题为了更方便地添加其他开关设备，最终选用网型拓扑结构。
考虑到家庭中有众多待检测和待控制的设备，该课题的通信方式既包括点对点通信，又包括广播通信。
当网关对所有节点设备发送操作指令时，采用广播通信方式；当节点向网关上报设备信息时，采用点播通信方式。
2.3Zigbee网络概述
智能家居系统的本质是一个多节点网络，对于节点设备的控制主要通过Zigbee模块之间的通信实现。
根据不同Zigbee设备在网络中所扮演的角色划分，包括协调器、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，在系统启动初始，协调器主要负责建立和配置网络。
在网络建立后，协调器与路由器的作用相同。
（2）路由器。
路由器是信息传递的枢纽，其既能接收周围节点上报的信息，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的末端，不能再延伸出节点，对整个网络的建立和维护没有贡献，且本身只做接收信号功能，无法上报信息。
终端不需要持续供电，在系统设计时可在需要它时与它通信，在其余时间终端可以处在休眠状态，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。
由于该智能开关节点在方案设计中已指出需要双向通信功能，因此为需要将开关节点作为路由器使用，根据以上分析，该系统不涉及到设备终端。
2.4论文章节安排
1.绪论。
主要介绍了智能家居的背景、研究现状，并对目前智能开关中衍生出的基本种类进行简要概述。
2.系统方案设计。
主要介绍了智能开关节点的设计目标和设计方案，并简要介绍了Zigbee网络的基本组成。
3.硬件电路设计。
主要介绍了CC2530最小系统和智能开关电路的设计，并对芯片的选取和外设电路进行了分析。
4.软件程序设计。
首先简要梳理了智能开关节点的软件设计思路，之后结合实际功能重点阐述了应用层的软件设计。
5.调试与分析。
首先简要分析了一些功能模块的具体调试过程，之后重点阐述开关节点的运行调试情况，并给出最终的调试图片。
6.总结与展望。
主要是对该课题在研究过程中遇到的问题进行总结，并提出该作品的不足之处以及其他需要改进优化的方面。
3.硬件电路设计
由智能开关节点的硬件电路框图2-2可知，该节点的硬件电路设计主要分为四个部分：
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的电源转换电路。
智能开关节点的硬件设计为了满足易安装、结构简单的要求，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的通断，因此仅需在节点的负载端引出相应端子与负载相连，本章主要介绍其他四部分电路。
3.1微控制器最小系统设计
目前市场上主营三种Zigbee芯片，分别是：
德州仪器的CC2530、飞思卡尔的MC1321X系列和意法公司的EM250。
CC2530采用标准的8051处理器，可以和2.4GHZ的Zigbee无线收发电路配合工作。
目前德州仪器提供Z-stack协议栈，且已经开放免费下载，而其他几家公司的情况如下：
飞思卡尔Zigbee开发套件3个月自动失效，购买正版需要1200美元；EMBERRZIGBEE2006软件的报价为10000美元。
此外CC2530是包括闪存存储器和Zigbee射频收发模块的集成芯片，是真正的单芯片解决方案。
飞思卡尔的芯片采用两个硅片和SIP技术共同包装，在大量生产情况下，肯定不及单芯片方案。
综上所述，CC2530无论从性能上还是成本上都具有极大的优势，因此本课题最终选择德州仪器的CC2530芯片作为主控芯片。
该芯片包含128KB的系统内可编程闪存，8KB的RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力。
在外设电路上，该芯片具有5路DMA通道和21个通用I/O引脚CC2530芯片最小系统电路示意图如图3-1所示，其外围电路包括时钟电路、复位电路和射频收发电路。
图3-1CC2530最小系统电路示意图
1.时钟电路
在微处理器单元的晶振接口两端跨接一个高速石英晶体振荡器，再并联电容和电阻组成谐振电路。
由于石英晶体起振较慢，需要将晶体尽可能靠近OSC_IN和OSC_OUT两个引脚。
32kHz晶振能为系统提供稳定的时钟信号。
具体电路见图3-2。
图3-2时钟电路
2.复位电路
CC2530上的20号RESET引脚为是复位引脚，当该引脚为低电平时单片机复位，该管脚接一个10K的上拉电阻，以保持高电平的状态。
并联接入一个0.01uF的电容可以起到滤波的作用。
具体电路见图3-3。
图3-3复位电路
3.射频收发电路
射频收发电路用于收发数据。
在对天线的设计中，虽然PCB板印制天线可以减少电路板的空间，但在设计过程中由于受板材的介电常数，参考地的大小，层叠间距等等因素的影响，该课题最终选择外接天线。
为了增加信号接收发送的可靠性，该课题选用CC2591芯片作为前端功率放大电路。
根据德州仪器公司提供的2.4GHz射频电路参考原理图，在天线的设计上采用分离的电容电感元件进行射频收发信号的匹配电路，CC2530的RF_P和RF_N管脚是一对差分输入输出信号。
为了达到最好的发送接收效果，外围电路参数应严格按照德州仪器公司官方提供的典型参数值。
具体电路见图3-4。
图3-4射频收发电路
4.CCDebugger程序下载接口
CC2530程序下载需要外部仿真下载器CCDebugger，单片机与仿真器的接线如图3-5所示。
表3-1给出了下载器引脚的名称：
表3-1CCDebugger接线说明
1.GND
地线
6.SCLK
下载时钟线P1.5
2.VDD
设备电源线
7.RESET
复位线
3.DC
调试时钟线P2.2
8MOSI
数据输出线P1.6
4.DD
调试数据线P2.1
9.3.3V
仿真器输出电压
5.CSN
下载片选P1.4
10.MISO
数据输入线P1.7
CCDebugger提供两组接口，一组是SPI通信接口，最高传输速率可以达到50Mbps，用于分析数据和抓包使用。
此外还提供程序下载接口，需要使用GND、VDD、RESET、DC和DD四个引脚。
当仿真器上的指示灯由红变绿，表示仿真器检测到单片机，可以开始下载。
图3-5CCDebugger下载接口
3.2触摸检测电路设计
该课题设计的智能开关节点包含三路触摸开关。
触摸开关的设计来源于电容的工作原理，触摸开关实际是一块金属电极。
由于人是导体，当人手靠近金属电极时，在手指与金属电极之间会产生微弱电场，此时金属电极与人手便成为电容的两极，用户在触摸过程中会改变原来电容的容值。
BS813A-1是触摸开关检测芯片，该芯片能感应到触摸区域的电容变化从而识别用户是否操作了开关。
C12、C13、C14三者功能相同，用于调整各路开关的灵敏度，当该电容的容值增大时，灵敏度变低，该芯片使用手册推荐选取的容值范围为0-25pF。
由电路原理图3-6所示，触摸信号检测引脚KEYX与输出响应信号OUTX依次对应，下面以触摸开关K1为例阐述硬件电路运行机制。
当检测到用户触摸K1时，OUT1保持在高电平，松开后变为低电平，电平的变化会引起单片机执行响应操作。
对触摸开关K2或K3操作与此相同。
触摸区域上方有一块塑料导光板，其将电极与人手隔离，6个发光二极管两两一组，由单片机控制。
布线时，将发光二极管贴近导光板，能使面板呈现不同颜色便于用户分辨开关状态。
下面以触摸开关K1为例阐述硬件电路运行机制，假设此时开关控制的用电设备处于断电状态。
当触摸开关操作一次，触摸开关背光灯由绿色变为红色，设备启动；当再进行一次操作，触摸开关背光灯由红色变为绿色，设备断电。
对触摸开关K2或K3操作时有相同的现象，具体电路如图3-7所示。
图3-6触摸检测电路图3-7灯光指示电路
3.3继电器控制电路设计
继电器控制电路用于控制220V交流回路的通断，是触摸检测电路的执行机构，执行通断任务的器件是继电器。
HRS3FNH-S-DC5V继电器的触点最大可承受250V的交流电，额定电流可达10A，满足设计目标。
线圈吸合触点所需的电压为5V，因此增加S8050三极管作为开关管使用。
并联在线圈两端的二极管能为电感线圈提供泄放回路从而保护三极管。
该系统中共包含三个继电器控制电路，分别用于控制三路负载。
单片机输出引脚P1.6、P1.7、P2.0用于输出高低电平控制三极管，其电平变化分别与K1、K2、K3有关。
为防止开关在动作时产生电弧，该电路在继电器的触点端并联了灭弧装置，该装置等效为一个RC串联电路。
为防止电网电压波动损坏负载，须在负载端并联气体放电管、压敏电阻和瞬态抑制二极管，保护电压选择市电的1.3至1.4倍。
这三类原件均为过压保护原件，当电压过大时，其内阻会急剧减小造成短路效应，从而保护家庭用电设备。
下面以触摸开关K1为例分析其电路原理，电路如图3-8，其中Load表示负载。
当开关K1按下时，P1.6置为高电平，三极管导通，此时触点间吸合；当再次按下K1时，P1.6为低电平，三极管关断，磁场消失使触点弹回，此时电路开路。
由于线圈的储能作用，线圈中的电流使线圈与二极管形成回路，该残余电流在回路阻抗中被消耗。
对触摸开关K2或K3操作时，分析方法一致。
图3-8继电器控制电路
3.4电源转换电路设计
电源转换电路是为单片机最小系统、触摸检测电路和继电器控制电路供电。
根据实际需求，该智能开关节点需要以下两种电压：
1.5V直流电压：
为触摸检测电路、继电器控制电路提供5V的高电平。
2.3.3V直流电压：
为CC2530最小系统和射频功率放大电路CC2591供电。
由220V交流电转为5V直流电选用集成的AC-DC模块电源HZ025S05。
该方案无需外围电路且具有过温、过流、短路保护等功能，安全可靠。
电路图如图3-9所示。
为了更安全地保证各用电设备在极端情况下不会损坏，在整流模块的输入端并联了突波吸收器07D471K，突波吸收器又称为压敏电阻，当电压在正常范围内时，压敏电阻两端的电阻极大，能达到十几兆欧姆。
当有大的尖峰电压出现时，电阻阻值会急剧变小，产生类似“短路”的效果，从而起到吸收过大尖峰电压的作用。
考虑到电阻标称值与电阻实际值之间的误差（1.1到1.2倍）、以及交流电峰值与有效值之间的偏差（1.4倍），最后选取压敏电阻吸收电压是额定电压的2到2.2倍。
经整流降压模块得到的5V直流电压再通过LM1117转为3.3V直流电压。
LM1117是常用的低电压线性稳压器，稳压效果好且价格低廉，电路图如图3-10所示。
图3-9交流转直流降压模块图3-10降压线性稳压电路
4.软件程序设计
系统方案设计章节已对课题设计目标中的软件部分作了简要概括，本章将以程序分析为主，首
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