基于ZIGBEE的智能窗簾控制系統(tǒng)

河南科技學(xué)院2023-2023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ZIGBEE的智能窗簾控制系統(tǒng)專業(yè)班級：成員：〔包括學(xué)號、姓名〕教師：曲培新完成時間：目錄1.需求分析22.總體設(shè)計32.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計42.2微控制器模塊52.3電源模塊62.4光敏傳感器模塊72.5joystick設(shè)計72.6直流電機73主要軟件設(shè)計83.1初始化函數(shù)93.2按鍵函數(shù)93.3周期性發(fā)送函數(shù)103.4點對點發(fā)送函數(shù)114總結(jié)125參考文獻12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)智能家居中的核心局部，可以大大提高智能家居系統(tǒng)給用戶帶來的體驗度。它可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識別技術(shù)等，將物理世界中的實體連接到因特網(wǎng)上，從而實現(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)備全天候獲得特定效勞。不僅僅是通過個人電腦，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)開展備受矚目。智能家居可以讓用戶有更便捷的方式來管理家用設(shè)備，使多個設(shè)備形成聯(lián)動；而且，智能家居中的各個設(shè)備可以相互間通信，在沒有用戶指揮的時候也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動的運行，從而為用戶帶來更高效、舒適、方便和平安的家居環(huán)境?！厩叭搜芯窟M展】以往的智能家居系統(tǒng)以及各類智能傳感模塊都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)進開展的快車道，Zigbee正逐步被國內(nèi)越來越多的用戶接受，并在局部智能傳感器場景應(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，并且支持無限擴展。Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、高速率、低本錢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、間歇性和低反響時間數(shù)據(jù)傳輸?；赯igbee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)與以前的主機式集中控制系統(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，降低了本錢，實現(xiàn)了家居的智能化?！颈狙芯壳腥朦c】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行通信。【擬解決的關(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組成局部，在其中參加基于Zigbee模塊，使得該智能窗簾控制系統(tǒng)可以和整個智能家居系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡(luò)，到達對家庭窗簾環(huán)境的全天候、多手段的監(jiān)視和控制2.總體設(shè)計CC2530是用于2.4-GHz、ZIGBEE和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)〔SOC〕解決方案。它能夠以非常低的總的材料本錢建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。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)的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強大的功能。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具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進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?)，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。CC2530F64結(jié)合了德州儀器的黃金單元RemoTI，更好地提供了一個強大和完整的ZigBeeRF4CE遠程控制解決方案。圖1CC2530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)點定期檢測光照強度，防止陽光直射辦公區(qū)域。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。電機電機微處理器Zigbee射頻收發(fā)器微處理器Zigbee射頻收發(fā)器傳感器傳感器圖2系統(tǒng)硬件框圖2.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計智能窗簾控制器由５個模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)框架如圖2所示：eq\o\ac(○,1)CC2530無線收發(fā)微控制器模塊，該模塊負責(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，利用其接收到的用戶指令轉(zhuǎn)換成窗簾控制相關(guān)信息；②電源模塊，主要負責(zé)將輸入的市電轉(zhuǎn)換成電路各模塊及元器件工作點電壓；③過零信號檢測模塊主要是檢測市電的過零點信號，將檢測到的過零點信號輸入到CC2530微控制器模塊供其使；④開關(guān)量驅(qū)動模塊由３個按鍵構(gòu)成，按下后產(chǎn)生一個低電平信號，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行信號，驅(qū)動可控硅導(dǎo)通節(jié)點，實現(xiàn)窗簾正反轉(zhuǎn)。電源模塊電源模塊CC2530無線收發(fā)控制器模塊開關(guān)量CC2530無線收發(fā)控制器模塊開關(guān)量驅(qū)動模塊過零信號檢測模塊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的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料本錢建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并且各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點支持無限擴展，同時結(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)的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，每種模式耗電量不同，并且根據(jù)模塊實時工作狀態(tài)進行自動切換，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進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，完成對各個模塊的控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作。CC2530微控制器模塊也是整個系統(tǒng)組網(wǎng)和控制的核心，其主時鐘晶振采用的是32MHz無源晶振和32.768kMz晶振，天線設(shè)計采用PCB天線形式。微控制器模塊電路如圖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進行電壓的采樣、比對及反響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，電極作成梳狀，這樣即可以保證有較大的受光外表，也可以減小電極之間距離，從而減小極間電子渡越時間，提高靈敏度。如圖6所示圖6光敏電阻2.5joystick設(shè)計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五個方位。Joystick的中間鍵joy_push和OK按鈕并聯(lián)連接至P0.5引腳，其他四個方向經(jīng)過運算放大器調(diào)理后，通過一個ADC通道(P0.6)輸人CC2430oJoystick撥向不同的方位(上下左右)就會產(chǎn)生不同的電壓，經(jīng)ADC采樣計算后得出其方位狀態(tài)。Cancel按鈕接P0.1，按下Cancel按鈕時P0.1變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^P0.1的電平判斷Cancel鍵的狀態(tài)。2.6直流電機脈沖寬度調(diào)制〔PWM〕是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。之后詳細設(shè)計了基于MCS-51單片機的直流小電機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滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的平安保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機廣泛應(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，；最后是實現(xiàn)直流小電機PWM直流調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計。3主要軟件設(shè)計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間點作為延時定時器的起點，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。如果檢測到該類信號，將控制可控硅的導(dǎo)通，窗簾電機開始動作。由于ZigBee模塊的標(biāo)準(zhǔn)通訊距離是在75m，很難實現(xiàn)遠距離通訊，所以在系統(tǒng)設(shè)計時參加路由節(jié)點，由控制單元發(fā)送指令到最近的路由節(jié)點，節(jié)點通過算法選擇下一個路由或者終端節(jié)點通過對環(huán)境的光照強度、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)進行測試窗簾關(guān)起;濕度低時，窗簾關(guān)起，反之開啟光照強度強按下紅外遙，電機取反。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。開始開始端口初始化端口初始化是否檢測到按鍵信號或Zigbee控制信號是否檢測到按鍵信號或Zigbee控制信號否。驅(qū)動電機驅(qū)動電機圖8微控制器模塊程序流程3.1初始化函數(shù)voidSampleApp_Init(uint8task_id){SampleApp_TaskID=task_id;SampleApp_NwkState=DEV_INIT;SampleApp_TransID=0;MT_UartInit();//串口初始化MT_UartRegisterTaskID(task_id);//注冊串口任務(wù)P0SEL&=~0X20;P0DIR|=0X20;P0SEL&=~0X10;P0DIR&=~0X10;}3.2按鍵函數(shù)voidSampleApp_HandleKeys(uint8shift,uint8keys){(void)shift;//Intentionallyunreferencedparameterif(keys&HAL_KEY_SW_6){#ifdefined(ZDO_COORDINATOR)SampleApp_SendPeriodicMessage();#else#endif}if(keys&HAL_KEY_SW_1){/*TheFlashrCommandissenttoGroup1.*Thiskeytogglesthisdeviceinandoutofgroup1.*Ifthisdevicedoesn'tbelongtogroup1,thisapplication*willnotreceivetheFlashcommandsenttogroup1.*/aps_Group_t*grp;grp=aps_FindGroup(SAMPLEAPP_ENDPOINT,SAMPLEAPP_FLASH_GROUP);if(grp){//Removefromthegroupaps_RemoveGroup(SAMPLEAPP_ENDPOINT,SAMPLEAPP_FLASH_GROUP);}else{//Addtotheflashgroupaps_AddGroup(SAMPLEAPP_ENDPOINT,&SampleApp_Group);}}}3.3周期性發(fā)送函數(shù)voidSampleApp_SendPeriodicMessage(void){LedState=~LedState;if(AF_DataRequest(&SampleApp_Periodic_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,1,&LedState,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){if(LedState==0){HalLedSet(HAL_LED_1,HAL_LED_MODE_ON);}else{HalLedSet(HAL_LED_1,HAL_LED_MODE_OFF);}}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}}3.4點對點發(fā)送函數(shù)voidSampleApp_Send_P2P_Message(void){uint8data[]="";if(DATA_MQ==0&&LedState1==0){if(AF_DataRequest(&SampleApp_P2P_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,1,data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){HalLedSet(HAL_LED_2,HAL_LED_MODE_ON);}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}}if(DATA_MQ==1&&LedState1==0){if(AF_DataRequest(&SampleApp_P2P_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,1,data,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE,AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS){HalLedSet(HAL_LED_2,HAL_LED_MODE_OFF);}else{//Erroroccurredinrequesttosend.}}4總結(jié)本智能窗簾設(shè)計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，從而實現(xiàn)不同的操作模式的轉(zhuǎn)換，如向上可以增加電機的轉(zhuǎn)速，向下那么是降低轉(zhuǎn)速，向左那么是啟動，向右那么是關(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)計的智能窗簾控制器可以實現(xiàn)利用智能終端對家居窗簾進行控制和調(diào)節(jié)。經(jīng)測試,系統(tǒng)各模塊均正常工作，且實現(xiàn)了通過和平板電腦安裝客戶端軟件后對測試環(huán)境中的窗簾進行調(diào)節(jié)操。智能窗簾控制器安裝方便，無需重新布線，可擴展性強，具有很強的實用性，適合家庭住宅、公寓、公司寫字樓等場所推廣使用，具有很好的市場前景。辦公大樓外，也可應(yīng)用于住宅小區(qū)，實現(xiàn)對小區(qū)整棟住宅樓的集中控制管理，使