无线窗帘开关控制系统设计V11赵国朋.docx

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无线窗帘开关控制系统设计V11赵国朋

摘要

随着生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。

信息化社会改变了人们的生活方式与工作习惯，使得家居系统的智能化成为一种消费需求，智能家居系统越来越被重视。

因此，将家庭中各种通信设备、家用电器和家庭安保装置通过家居控制系统进行整合，并进行远程控制和管理，已经成为近年来一个热门研究课题。

首先，本文在概述了智能家居系统和ZigBee的基础上提出了以ZigBee无线传感器网络为家庭控制子网，以家用PC机作为家庭网关和家居控制中心，以嵌入式系统为终端的智能家居系统设计方案。

与传统家居系统相比，利用ZigBee技术实现智能家居系统，具有免布线，维护方便，运行费用低，功耗小，对家居内部各种数据进行无线采集和传输等特点。

其次，本文对ZigBee无线通信技术做了全面的研究分析，介绍了ZigBee技术的由来、发展历程及其特点。

在对比了几种短距离无线网络的基础上确定了使用ZigBee无线通信技术实现智能家居的可行性。

再次，本文介绍了以ATmega16和顺舟科技生产的SZ05嵌入式模块组成的窗帘控制终端的设计过程，以此终端配合驱动电机实现窗帘的开、关、停等动作。

该项目是通过ZigBee无线传输技术实现窗帘控制系统的设计。

主要包括驱动电机的控制与无线数据传输功能。

其中ZigBee传输技术，实现了物联网中设备与设备的通信；嵌入式开发技术主要是为了实现物联网中设备的控制。

关键词：

智能家居；物联网；单片机；无线窗帘

Abstract

Alongwiththequalityoflifeimprovingandacceleratingthepaceoflife,people'sworkandlifeisbecomingmoreandmoreinformation.Informationsocietyhaschangedpeople'slifestyleandworkinghabits,makestheintelligenthouseholdsystemhasbecomeakindofconsumptiondemand,thesmarthomesystemismoreandmoreattention.Willbeinthefamily,therefore,allkindsofcommunicationequipment,householdappliancesandhomesecuritydevicesthroughthehomecontrolsystemintegration,andremotecontrolandmanagement,hasbecomeahotresearchtopicinrecentyears.

Atfirst,thisarticleprovidesanoverviewandZigBeesmarthomesystembasedonZigBeewirelesssensornetworkisproposedbasedonhomecontrolsubnet,withhouseholdPCasthefamilygatewayandhomecontrolcenter,intelligenthouseholdsystembasedonembeddedsystemterminaldesign.Comparedwiththetraditionalhouseholdsystem,intelligenthouseholdsystemwithZigBeetechnology,andhasnowiring,easymaintenance,lowoperatingcost,lowconsumption,thehouseholdwithinthevariouscharacteristicsofdataacquisitionandwirelesstransmission.

Secondly,basedonZigBeewirelesscommunicationtechnologyhasmadethecomprehensiveresearchandanalysis,introducestheorigin,developmentprocessandcharacteristicsoftheZigBeetechnology.Incontrastaredeterminedonthebasisofseveralshort-rangewirelessnetworkusingtheZigBeewirelesscommunicationtechnologytorealizethefeasibilityofintelligenthousehold,

Again,thispaperintroducestheATmega16andboatSZ05embeddedmoduleofscienceandtechnologyproductionofcurtaindesignprocessofthecontrolterminal,tocooperateterminaldrivemotortoachieveopenandcloseofthecurtain,stopmotion,etc.

ThisprojectisthroughtheZigBeewirelesstransmissiontechnologycanrealizethefunctionofthecurtaincontrolsystemdesign.Mainlyincludesthemotordriverandtherealizationofthefunctionofwirelessdatatransmission.TheZigBeetransmissiontechnology,realizedthecommunicationdevicesandequipmentintheInternetofthings;EmbeddeddevelopmenttechnologyismainlyinordertorealizetheInternetofthingsinthecontroloftheequipment.

Keywords：

Smarthome;TheInternetofthings;Singlechipmicrocomputer;Wirelesscurtain

1绪论

1.1课题背景

随着社会经济的发展、生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作、生活日益信息化。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的家庭住宅系统提出了挑战。

人们对于家居的要求已经不仅仅是物理意义上的生存空间，更为关注的是一个高度安全性、方便、舒适的生活环境、先进的通讯设备、完备的信息终端、自动化和智能化的家用电器、信息资源使用的网络化的需求等等，现代的家居设计理念越来越追求便捷化、高效化与智能化，家居设备的高度智能化已经成为一种强烈的消费需求。

同时在科学技术的快速发展的推动下，实现这种需求已经不再是天方夜谭。

由于电子技术的进步，家居产品已与计算机、网络通信技术紧密地结合在一起，智能化的家用电子电器产品应运而生，智能家居系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化势在必然。

迄今为止，智能家居还没有一个普遍认同的统一的定义。

通常智能家居系统利用先进的计算机和网络通讯技术将与家居生活有关的各种各样的子系统，通过特定的网络有机地结合在一起，通过科学管理，让家居生活更加舒适、有效、安全和节能。

与传统的家居相比，智能家居不仅仅具有传统的居住和实用功能，还提供了舒适安全、高品位的宜人的家庭生活空间，并且提供全方位的信息交换功能，确保家庭内部与外界之间保持良好的交流与沟通，增强家居生活的安全性，节约能耗，帮助人们有效安排时间，优化人们的生活和工作方式。

智能家居网络通常能够分为家庭数据网络和家庭控制网络两种：

家庭数据网络，提供高速率的数据传输服务，如家用计算机和数字电视、视频和音频播放器、资源共享及高速上网等；家庭控制网络，提供便捷的和低速率的控制和互连网络，用于灯光照明控制、家电控制、家居安防、家居环境监测以及家庭应急求助等功能。

智能家庭控制网络是智能住宅系统的重要组成部分，家庭控制网络子网和远程管理是该系统的重点和难点。

与家居数据通信网络的应用目的不一样，数据通信网络中音、视频等大数据传输需要高速的数据通信接口，而家居控制系统需要的是经济、低功耗的控制网络，该控制网络的主要功能在于设备的连接与控制，基本上无需高速的通信方式来支撑。

在智能家居网络中，我们要考虑以下特点：

（1）低成本：

大量的家电和传感器终端节点是家庭控制网络中控制的主要对象，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。

（2）跨平台：

智能家居系统的使用环境是一个家居环境，整个系统中有着错综复杂的平台，不能强制要求用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得非常重要。

（3）可扩展性：

能够在系统主架构不做改动的情况下进行维护和扩展，加入新的家居设备。

（4）远程控制：

移动终端设备能够接入Internet并登录到智能家居控制系统中，进行信息交互，实现远程监控和控制。

传统的家居智能控制系统一般采用有线方式来组建，如同轴电缆、USB、CAN总线等。

但有线网络具有布线麻烦，可扩展性差等固有的缺点，限制了有线网络技术在智能家居系统中的发展。

因此，将无线网络技术应用于家庭网络己成为大势所趋。

这不仅仅因为无线网络具有更大的灵活性、流动性，省去了布线的麻烦，更重要的是它符合家居控制网络的通讯特点。

无线家居网络将人们生活与工作的广袤空间浓缩于人类的双手可以掌控的距离。

红外、蓝牙、ZigBee、WiFi等一系列无线网络技术的进一步发展，必将大大促进家居设备无线化、智能化的进程。

本文研究设计的智能家居系统中的无线窗帘控制在家庭组网中采用ZigBee技术，它是一种近距离、低成本、低能耗、低数据速率的无线网络技术，它符合IEEE802.15.4标准，是IEEE工作组专门为短距离通讯制定的标准。

[1]

1.2研究现状及发展趋势

智能家居的概念起源较早，但一直没有具体的实现案例。

世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现，美国联合科技公司在美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造中将智能建筑的概念应用于大楼的供电、安保、照明等设备，使用计算机对大厦进行监测和控制，并提供了先进的语音、数据通信和资讯等方面的信息服务，该栋智能型建筑的诞生，揭开了智能家居发展的序幕。

此后，一些经济、技术比较发达的国家先后提出了各种各样的智能家居解决方案。

智能家居系统在法国、加拿大、日本等国都有广泛应用。

1998年5月，在新加坡举办的“家庭电器与电子消费品国际展览会”上，“未来之家”进行了现场演示，该系统是一套完善的家庭智能化系统。

它的系统功能主要包括三表远程抄送功能、安保报警功能、家电控制功能、高速数据传输功能、家庭智能控制面板等。

在展会上参与演示的家庭智能化系统距离真正的市场应用还尚需时日，但是科学技术的发展使得人们更加坚定了追求高品质生活方式的信心，智能家居作为高品质信息生活的代表得到越来越多的瞩目。

智能家居网络技术在国内的发展始于20世纪90年代末，到2000年左右智能家居概念开始得到大范围的宣传，使我国的普通居民开始了解并接受了智能家居的概念。

如今各小区的开发商在住宅小区和住宅的设计阶段也已经较多地考虑了智能化基础设施的建设，少数高档的住宅小区己经配套了相当完善的智能家庭网络，很多开发商已经将住宅“智能化”作为一个“亮点"在房地产销售的广告中大量宣传。

从消费者的角度来看，智能家居的需求就是以实用为核心，力求家具设备的实用化、易用化和人性化，这就决定了家居智能控制系统的发展方向：

无线化、网络化。

对普通用户来说，最为使用方便的应用就是在家庭之外的任何地方通过手机等移动终端在手中可远程控制家庭中的一切电器设备，这正是远程移动通信技术在智能家居领域大受青睐的原因。

1.3课题研究的目的和意义

智能家居网络技术的发展使得我国居民对智能家居的需求得以增加，同时对智能家居也有了更高的要求。

本着智能家居的需求就是以实用为核心，以家居设备的实用化、易用化和人性化为原则，本文针对智能家居系统中的无线窗帘进行了研究。

本课题是基于ATmega16和顺舟科技生产的ZigBee无线数传模块组成的窗帘控制终端，以此终端配合驱动电机实现窗帘的开、关、停等动作。

可以实现智能家居系统中的上位机与控制终端的无线通信。

1.4本文结构内容安排

本文针对基于ZigBee无线通信技术的智能家居系统进行了研究，主要工作是对无线遥控窗帘的控制终端进行硬件和软件的设计，以实现通信ZigBee通信来控制窗帘的开、关、停等动作。

本论文的结构安排如下：

第一章：

绪论。

主要论述了本论文的选题背景，课题研究的意义及国内智能家居系统的现状和发送趋势。

第二章：

ZigBee技术的演变与进展。

主要对ZigBee技术的由来、发展、特点进行论述，对本课题设计使用到的ZigBee无线数传模块进行技术参数进行详细描述。

对AVR单片机的特点进行概述，并对本课题设计中使用到的AVR单片机技术分模块进行详细描述。

第三章：

系统硬件设计。

本章具体完成系统的硬件设计，详细描述了各硬件模块的技术参数，硬件设计中的设计技巧，并对设计电路图进行讲解。

第四章：

系统软件设计。

本章具体完成系统的软件设计，论述了使用C语言进行软件开发的优、缺点，对软件开发工具ICCAVR的特点进行概述。

使用结构化编程，基于编写的软件设计流程图进行分模块设计。

对各个子函数的功能、设计进行了详细的编写说明。

最后对本课题设计的上位机软件功能进行了简单介绍。

2ZigBee技术与AVR单片机概述

2.1ZigBee技术的演变与进展

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，它是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（ZigBee技术标准）。

ZigBee不只是802.15.4的名字。

因为IEEE仅规范了低级媒体控制层（MAC）层和物理层协议所以ZigBee联盟对其网络显示屏协议和API进行了标准化。

IEEE802.15.4完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4KB，或者作为Hub或路由器的协调器的32KB。

每个协调器可连接多达255个节点，几个协调器则可形成一个网络，而对路由器传输的数目则没有限制。

ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

ZigBee联盟成立于2001年8月。

2002年下半年，英国Invensys公司、日本Mitsubishi公司、美国Motorola公司及荷兰Philips半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准。

这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

2.1.1ZigBee技术的由来

在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管在许多优点，但仍存在着许多缺陷。

对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，且功耗大、距离近、组网规模太小等，因此这些领域对无线通信的需求越来越强烈。

正因为如此，经过人们的长期努力，ZigBee协议于2004年正式制定。

ZigBee是一个由可多达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有移动通信的CDMA网或GSM网。

其中每一个ZigBee网络数传类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几公里。

另外，整个ZigBee网络还可以与现胡的其他各种网络链接。

例如，可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。

不同的是，ZigBee网络主要为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要为语音通信而建立。

每个移动基站价值一般都在百万人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象连接，例如与传感器连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。

除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点（RFD）无线连接。

每个ZigBee网络节点（FFD和RFD）可支持多达31个的传感器和受控设备，并且每一个传感器和受控设备还可以有8种不同的接口方式。

另外，ZigBee可以采集和传输数字量和模拟量。

2.1.2ZigBee技术的发展历程

ZigBee是以IEEE802.15.4标准为基础发展起来的无线通信技术。

2000年12月，工作小组成立，负责起草IEEE802.15.4标准。

2002年10月，ZigBee联盟当时的成员有PhilipsSemiconductor、Honeywell、Mitsubishi、Invensys和Motorola等。

2004年12月，ZigBee1.0标准（又称为ZigBee2004）出台，之后于2005年9月公布并提供下载。

2006年12月又对ZigBee1.0进行了修订，推出了ZigBee1.1版（又称为ZigBee2006）.ZigBee1.1对原有ZigBee1.0作了若干修改，例如新增ZCL（ZigBeeClusterLibrary）、群化式装置（GroupDevice）、多播（Multicast）功效，以及直接通过无线方式（OverTheAir，OTA）进行组态配置。

此外还移除了KVP（KeyValuePair）的信息格式。

然而ZigBee1.1依然无法达到最初的理想，此标准又于2007年10月完成再次修订（称为ZigBee2007/PRO，或者ZigBeePRO或ZigBee2007），推出了ZigBeeProFeatureSet（简称ZigBeePRO）的新标准。

此新标准ZigBee联盟更专注3种应用类型的拓展，包括家庭自动化（HomeAutomation，HA）、建筑/商业大楼自动化（BuildingAutomation，BA）和先进抄表基础建设（AdvancedMeterInfrastructure，AMI）。

经过多年的发展，ZigBee技术已经趋于成熟，软硬件方面的发展也非常迅速，并有免费公开的协议栈供大家使用，如TI公司推出的ZigBee协议栈（Z-Stack）提供免费下载。

本课题中使用的是上海顺舟科技有限公司生产的SZ05系列ZigBee嵌入式无线数传模块。

2.2ZigBee技术特点及应用领域

2.2.1ZigBee技术特点

ZigBee技术特点包括以下几方面：

可靠：

采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

时延短：

针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，通常时延都在15~30ms之间。

网络容量大：

可支持高达65000个节点。

安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。

高保密性：

采用64位出厂编号，并支持AES-128加密

数据传输速率低：

只有10－250KB/s，更专注于低传输应用。

功耗低：

在低功耗待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

这也是ZigBee的支持者一起引以为傲的独特优势。

成本低：

因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，且ZigBee协议免收专利费，所以大大降低了成本。

优良的网络拓扑能力：

ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力，因此通过ZigBee无线网络拓扑能简单地覆盖广阔范围。

有效范围大：

有效覆盖范围为10~75m（通过功放可以在低功耗条件实现1000m以上的通信距离），具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室事环境。

工作频段灵活：

使用的频段为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免护照频段。

表2.1ZigBee与其他技术的比较

IrDA

蓝牙

Wi-Fi

ZigBee

工作频率

红外线

2.4G

2.4G

2.4G/868/915MHz

有效物理范围

20cm－1.2m

10m左右

25－100m

10m－100m

最大传输速率

16Mbps

1Mbps

11Mbps

250kbps,20/40kbps

网络节点

2

7

32

65000

最大功耗

数mw

100mw

100mw

30mw

主要用途

直线短距离遥控

个人网络

无线局域网

家庭网络

传感器网络

表2.1给出了上述几种短距离无线通信技术在通信距离、功耗、传输速率、连接设备数上的差别和性能比较。

不难看出，无论是红外技术、蓝牙技术、无线局域网技术还是ZigBee技术，它们都具有各自的优缺点，能够适用于不同的应用场合。

从表2.1中几种无线传输的属性中我们可以看到ZigBee的应用范围是低速率远距离的。

这造就了ZigBee低功耗信息传输的优势。

两节普通的5号干电池可以使用6个月到2年的时间，免去充电和更换电池的麻烦。

ZigBee节点所属类别主要分3种，分别是协调器（Coodinator）、路由器（Router）、终端（EndDevice）。

统一网络中至少需要一个协调器，也只能有1个协调器，负责各个节点16位地址分配（自动分配）。

理论上可以连接65536个节点。

组网方式千变万化，如图2-1所示。

图2-1ZigBee组网形式

2.2.2ZigBee技术的应用领域

ZigBee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。

另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

ZigBee的应用领域很广，这里就不一一列举了。

随着技术日益成熟以及价格的下降，ZigBee在大多领域取代原始的无线是毋庸置疑的。

举个最简单的例子，终端节点和协调器的最大通讯距离为200米，我们在200米的地方加入1个点作为路由器，那么终端就可以通过路由器转发，也就是说通讯距离可达400米。

而且新节点加入现有网络极为方便。

我们姑且可以先把ZigBee当成普通的无线模块应用。

[2]

2.3SZ05-L-STD无线数传模块概述

顺舟科技SZ05-L系列ZigBee无线串口通信模块，采用了加强型的ZigBee无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网