基于ZIGBEE的智能窗簾控制系統(tǒng)

1、河南科技學(xué)院2015-2016學(xué)年第二學(xué)期期終考試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)題目：基于ZIGBEEF智能窗簾控制系統(tǒng)專業(yè)班級：成員：（包括學(xué)號、姓名）教師：曲培新完成時(shí)間：目錄1. 需求分析 32. 總體設(shè)計(jì) 32.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 42.2微控制器模塊 52.3電源模塊 52.4光敏傳感器模塊 52.5 joystick 設(shè)計(jì) 62.6直流電機(jī) 63主要軟件設(shè)計(jì) 73.1初始化函數(shù) 73.2按鍵函數(shù) 83.3周期性發(fā)送函數(shù) 103.4點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送函數(shù) 124總結(jié) 145參考文獻(xiàn) 151.需求分析基于Zigbee技術(shù)的智能窗簾控制器作為物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的核心部分，可以大大提 高智能家居系統(tǒng)給用戶帶來的體驗(yàn)

2、度。它可以定義為一個(gè)過程或者一個(gè)系統(tǒng)，通過無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)等，將物理世界中的實(shí)體連接到因特網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)智能識 別和管理。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，人們可以通過各種設(shè)備全天候獲得特定服務(wù)。不僅僅是通過 個(gè)人電腦，那些連接到互聯(lián)網(wǎng)的智能終端也可以方便地為人們提供信息和執(zhí)行決策。作為 物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，智能家居業(yè)務(wù)發(fā)展備受矚目。智能家居可以讓用戶有更便捷的方式來 管理家用設(shè)備，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動；而且，智能家居中的各個(gè)設(shè)備可以相互間通信，在 沒有用戶指揮的時(shí)候也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動的運(yùn)行，從而為用戶帶來更高效、舒適、方 便和安全的家居環(huán)境?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】以往的智能家居系統(tǒng)以及各類智能傳感

3、模塊都PC為控制心，采用有線的方式連接。每次安裝智能家居系統(tǒng)都需要做大量的布線工作。隨著 我國物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)發(fā)展的快車道，Zigbee正逐步被國內(nèi)越來越多的用戶接受，并在部分智能傳 感器場景應(yīng)用。簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線 數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和 GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站，通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、千米，并且支持無限擴(kuò)展。Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、高速率、低成本 的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù) 據(jù)傳輸以及典型的有周期性、間歇性和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸。基于Zigbee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智 能

4、家居系統(tǒng)與以前的主機(jī)式集中控制系統(tǒng)的最大區(qū)別是采用基于Zigbee組網(wǎng)通信方式，省去了復(fù)雜、困難的布線工作，降低了成本，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以嵌 入式家庭網(wǎng)關(guān)為核心，采用基于 Zigbee無線方式對系統(tǒng)中的各類智能模塊進(jìn)行通信?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于基于Zigbee技術(shù)的智能窗簾控制系統(tǒng)作為智能家居的有機(jī)組成部分，在其中加入基于Zigbee模塊，使得該智能窗簾控制系統(tǒng)可以和整個(gè)智能家居系統(tǒng)組成 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到對家庭窗簾環(huán)境的全天候、多手段的監(jiān)視和控制2.總體設(shè)計(jì)CC2530 是用于2.4-GHz、ZIGBEE和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC解決方 案。它能夠以非常

5、低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 CPU,系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它 強(qiáng)大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee?協(xié)議棧(Z-Stack?)，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決 方案。CC2530F64結(jié)合了德州儀器的黃金單元

6、RemoTI更好地提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的 ZigBee RF4CE?遠(yuǎn)程控制解決方案。圖1 CC2530原理圖系統(tǒng)的射頻通信采用Chipon公司的CC2530通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用簇狀連 接方式組網(wǎng)。中心控制節(jié)點(diǎn)定期檢測光照強(qiáng)度，避免陽光直射辦公區(qū)域。系統(tǒng)硬件框圖如 圖2所示。 電機(jī)WZigbee射微處理器一 傳感器圖2系統(tǒng)硬件框圖2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)智能窗簾控制器由5個(gè)模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示：O CC2530無線收發(fā)微控制器模塊，該模塊負(fù)責(zé)采集無線控制信號、輸出與客戶操作動作相對應(yīng)的控制信號并可 以與Zigbee智能網(wǎng)關(guān)交互信息，禾U用其接收到的用戶指令轉(zhuǎn)換成窗簾控制

7、相關(guān)信息； 電源模塊，主要負(fù)責(zé)將輸入的市電轉(zhuǎn)換成電路各模塊及元器件工作點(diǎn)電壓；過零信號檢 測模塊主要是檢測市電的過零點(diǎn)信號，將檢測到的過零點(diǎn)信號輸入到CC2530微控制器模塊供其使；開關(guān)量驅(qū)動模塊由3個(gè)按鍵構(gòu)成，按下后產(chǎn)生一個(gè)低電平信號，CC2530微控制器檢測此觸號并判斷其是開窗簾信號還是關(guān)窗簾信號亦或是停止運(yùn)行信號，驅(qū)動可控硅 導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)窗簾正反轉(zhuǎn)。過零信號檢測模塊圖3 硬件結(jié)構(gòu)與框架2.2微控制器模塊本系統(tǒng)微控制器模塊選擇的是 CC2530芯片，CC2530是用于Zigbee的一個(gè)真正的片 上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 支持無限擴(kuò)展，

8、同時(shí)結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它 強(qiáng) 大 的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式， 每種模式耗電量不同，并且根據(jù)模塊實(shí)時(shí)工作狀態(tài)進(jìn)行自動切換，使得它尤其適應(yīng)超低功 耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。因此CC2530可以理想用于智能窗簾控制系統(tǒng)中，該微控制器模塊好比人體的大腦，完成對各個(gè)模塊的控制 和協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。CC2530微控制器模塊也是整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)和控制的核心，其主時(shí)鐘 晶振采用的是32MHz無源晶振和32.768kMz晶振，天線設(shè)計(jì)采用PCB天線形式。微控制器 模塊電路如圖

9、4所示。圖4 微控制器模塊電路2.3電源模塊由于窗簾旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用的是市電供電，因此智能窗簾控制器輸入端需輸入市電220V,而CC2530芯片需要直流3.3V供電，所以就必須設(shè)計(jì)電源模塊將市電 220V降壓到3.3V。 將交流市電采用整流濾波后再由變壓器降壓，并在電壓輸出末端采用電源穩(wěn)壓調(diào)整器件 ZR431進(jìn)行電壓的采樣、比對及反饋后 得到末端輸出電壓VDD為3.3V，即可為 CC2530芯片供電。電源模塊電路如圖5所示。圖5電源電路2.4光敏傳感器模塊在一塊光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其它絕緣材料基板上， 兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。光敏面作成蛇形

10、，電極作成梳狀，這樣即可以保證有較大的受光表面，也可以減小電極之間距離，從而減小極間電子渡 越時(shí)間，提高靈敏度。如圖6所示圖6光敏電阻2.5 joystick 設(shè)計(jì)Joystick 遙桿）也稱為“五向鍵“導(dǎo)航鍵”，可以表示上、下、左、右及中間的joy_push五個(gè)方位。Joystick的中間鍵joy_push和0K按鈕并聯(lián)連接至P0. 5引腳，其他 四個(gè)方向經(jīng)過運(yùn)算放大器調(diào)理后，通過一個(gè)ADC!道（P0. 6）輸人CC2430 o Joystick撥向不同的方位（上下左右）就會產(chǎn)生不同的電壓，經(jīng) ADC采樣計(jì)算后得出其方位狀態(tài)。Cancel 按鈕接P0. 1 ,按下Cancel按鈕時(shí)P0. 1

11、變?yōu)榈碗娖?，通過P0. 1的電平判斷Cancel鍵 的狀態(tài)。2.6直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制（pwm是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù) 器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。之后詳細(xì)設(shè)計(jì) 了基于MCS-51單片機(jī)的直流小電機(jī) PWM調(diào)速的系統(tǒng)硬件電路以及各電路硬件說明目前單 片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航 裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實(shí)時(shí)控 制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機(jī)、攝象 機(jī)、全自動洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、

12、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用 說自動控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將 造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用 電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，；最后是實(shí)現(xiàn)直 流小電機(jī)PWM1流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。3主要軟件設(shè)計(jì)CC2530微控制器模塊作為系統(tǒng)的核心模塊，主要完成發(fā)出驅(qū)動信號、檢測按鍵信號及 與Zigbee智能網(wǎng)關(guān)通信等工作。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行過零檢測程序后將檢測后的過零時(shí)間點(diǎn)作為 延時(shí)定時(shí)器的起點(diǎn)，系統(tǒng)一直檢測是否有按鍵消息或者來自 Zigbee智能網(wǎng)關(guān)接收的控制信 號。如果檢測到

13、該類信號，將控制可控硅的導(dǎo)通，窗簾電機(jī)開始動作。由于ZigBee模塊的標(biāo)準(zhǔn)通訊距離是在75 m,很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)加入路由節(jié)點(diǎn)，由控制 單元發(fā)送指令到最近的路由節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過算法選擇下一個(gè)路由或者終端節(jié)點(diǎn)通過對環(huán)境 的光照強(qiáng)度、濕度的變化以及紅外遙控來對智能窗簾網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進(jìn)行測試窗簾關(guān)起；濕度低時(shí)，窗簾關(guān)起，反之開啟光照強(qiáng)度強(qiáng)按下紅外遙，電機(jī)取反。ZigBee術(shù)傳輸距離，測試結(jié)果。微控制器模塊程序流程如圖 8所示。開始端口初始化驅(qū)動電機(jī)圖8微控制器模塊程序流程3.1初始化函數(shù) void SampleAppnit( ui nt8 task_id )SampleApp_Tas

14、klD = task_id;SampleApp_NwkState = DEV_INIT;SampleApp_Tra nsID = 0;MT_UartI ni t();/串口初始化MT_UartRegisterTasklD(task_id); / 注冊串口任務(wù)P0SEL &= 0X20;P0DIR |= 0X20;P0SEL &= 0X10;P0DIR &= 0X10;3.2按鍵函數(shù)void SampleApp_Ha ndleKeys( uint8 shift, uint8 keys )(void)shift;/ I nte ntio nally un refere ne

15、ed parameterif ( keys & HAL_KEY_SW_6 )#if defi ned(ZDO_COORDINATOR)SampleApp_Se ndPeriodicMessage();#else#en difif ( keys & HAL_KEY_SW_1 )/* The Flashr Comma nd is sent to Group 1.* This key toggles this device in and out of group 1.* If this device does n't bel ong to group 1, this appl

16、icati on* will not receive the Flash comma nd sent to group 1.*/aps_Group_t *grp;grp = aps_Fi ndGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP );if ( grp )/ Remove from the groupaps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP ); else/ Add to the flash groupaps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOI

17、NT, & SampleApp_Group );3.3周期性發(fā)送函數(shù)void SampleApp_Se ndPeriodicMessage( void )LedState = LedState;SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,if ( AF_DataRequest( & SampleApp_Periodic_DstAddr, & SampleApp_epDesc,& LedState,& SampleApp_Tra nsID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCES

18、S )if(LedState = 0)HalLedSet(HAL_LED_1, HAL_LED_MODE_ON);elseHalLedSet(HAL_LED_1, HAL_LED_MODE_OFF);else/ Error occurred in request to send.3.4點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送函數(shù)void SampleApp_Se nd_P2P_Message( void )uin t8 data=""if(DATA_MQ = 0&&LedState1 = 0)if ( AF_DataRequest( & SampleApp_P2P_DstAddr

19、, & SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,1,data,& SampleApp_Tra nsID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DISCV_ROUTE,HalLedSet(HAL_LED_2, HAL_LED_MODE_ON);else/ Error occurred in request to send.if(DATA_MQ = 1&&LedState1 = 0)if ( AF_DataRequest( & SampleApp_P2P_DstAddr, & SampleApp_epDesc,

20、SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,1,data,& SampleApp_Tra nsID,AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS )HalLedSet(HAL_LED_2, HAL_LED_MODE_OFF);else/ Error occurred in request to send.4總結(jié)本智能窗簾設(shè)計(jì)采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息融合技術(shù)，從系統(tǒng)硬件、軟件兩方面入手，通過搖桿按鈕不同的操作方式，從而實(shí)現(xiàn)不同的操作模式的轉(zhuǎn)換， 如向上可以增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速，向下則是降低轉(zhuǎn)速，向左則是啟動，向右則是關(guān)閉等等，我 們相信智能窗簾一定會讓人們的生活更加舒適。隨著生活品質(zhì)的不斷提高，人們越來越追 求家居環(huán)境的智能化和舒適性。本文采用的基于Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能窗簾控制器可以實(shí) 現(xiàn)利用智能終端對家居窗簾進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。經(jīng)測試,系統(tǒng)各模塊均正常工作，且實(shí)現(xiàn)了通 過手機(jī)和平板電腦安裝客戶端軟件后對