李鑫，胡旭暉

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

基于ZigBee的遠程智能開關系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李鑫，胡旭暉

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇 常熟 215500）

提出了一種基于ZigBee技術(shù)的智能開關系統(tǒng)方案，介紹了智能開關系統(tǒng)的組成框架、實現(xiàn)原理和軟件及硬件設計方案.該系統(tǒng)實現(xiàn)了家用電器的自動化與智能化控制，使用簡單、安裝方便、兼容性強，具有廣泛的開發(fā)和應用前景.

ZigBee技術(shù)；智能家居；智能開關

在網(wǎng)絡還未普及的年代，傳統(tǒng)智能家居采用有線技術(shù)，布線復雜，造價昂貴，且用戶體驗不好，因此在很長一段時間人們并不看好它的發(fā)展.但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，新一代基于無線通信的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)，利用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能終端遠程控制技術(shù)，使整個用戶體驗的舒適度得到明顯提升，智能家居又重新回到人們的視野中.ZigBee技術(shù)是一種短距離無線通信技術(shù)，它在使用期間無額外通信費用，組網(wǎng)穩(wěn)定、通信可靠，已廣泛用于智能家居系統(tǒng)中.

1 智能開關系統(tǒng)的總體方案

現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的核心是實現(xiàn)用戶對家庭用電設備的遠程控制.用戶首先通過移動客戶端（手機，平板等）連接網(wǎng)絡服務器，在手機軟件中輸入的操作指令會先發(fā)送至服務器，并由服務器經(jīng)過家庭上網(wǎng)設備發(fā)送至無線網(wǎng)關中.無線網(wǎng)關在接收到用戶發(fā)來的指令后，通過ZigBee網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)至智能開關，最后由智能開關完成對家電的開關控制.系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

本文研究的主要內(nèi)容是智能家居系統(tǒng)中的底層設備——基于Zig-Bee的智能開關系統(tǒng)，下文就該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)作詳細介紹.

圖1 系統(tǒng)設計總體結(jié)構(gòu)框圖

2 智能開關系統(tǒng)的硬件設計

該系統(tǒng)的硬件設計由4部分組成：

1）電源管理電路：為整個系統(tǒng)提供合適的電源；

2）主控制器最小系統(tǒng)：系統(tǒng)的控制核心，負責數(shù)據(jù)處理、射頻收發(fā)等功能；

3）觸摸檢測電路：檢測觸摸信號，本地控制家用電器的開關；

4）繼電器控制電路：控制家用電器電源線路的通斷；

2.1 電源管理電路

本系統(tǒng)用于控制家用電器設備，因此接入電壓為AC 220 V.硬件設計需要為系統(tǒng)提供DC 5 V和DC 3.3 V電壓.本設計DC 5 V電壓由AC 220 V電壓轉(zhuǎn)換而來，采用成熟的AC/DC電源模塊HZ025S05直接得到DC 5 V電壓.該方案最大輸出功率達2.5 W，模塊自帶過溫、過流、短路保護，滿足本設計要求.為了進一步保證電路工作的穩(wěn)定性，在模塊輸入端并聯(lián)了壓敏電阻，用于吸收過壓沖擊，電路原理如圖2（a）所示. 3.3 V電源主要給控制器供電，因此對該電源的紋波抑制要求較高.本設計采用低壓差線性穩(wěn)壓器AP1117-3.3將5 V電壓線性降壓到3.3 V電壓.相比于開關電源，線性穩(wěn)壓器可有效提升紋波抑制比，適用于對電壓波動較敏感的器件.詳細電路見圖2（b）.

圖2 電源管理電路

2.2 主控制器最小系統(tǒng)（a）AC 220 V轉(zhuǎn)D

本系統(tǒng)主控制器選用TI公司的CC2530芯片，該芯片是TI公司設計的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee標準的第二代片上系統(tǒng)方案.芯片內(nèi)部嵌入8051內(nèi)核，并集成了ZigBee射頻收發(fā)系統(tǒng)，外設資源豐富，滿足本設計需求.該芯片市場成熟度較高，在家庭自動化領域中應用廣泛.

圖3 射頻收發(fā)電路

圖4 觸摸檢測電路

CC2530芯片最小系統(tǒng)包括時鐘電路、復位電路和射頻收發(fā)電路.為了提高射頻發(fā)射功率，增加信號傳輸距離，系統(tǒng)選用CC2591芯片作為前端射頻功率放大器，射頻收發(fā)電路如圖3所示.

2.3 觸摸檢測電路設計

觸摸芯片采用BS813A-1，該芯片支持3路觸摸開關設計，具有自動校準功能，電路設計如圖4（a）所示.由電路原理圖可知，觸摸信號檢測引腳KEYX與輸出響應信號OUTX依次對應，以觸摸開關K1為例：當檢測到用戶觸摸K1時，OUT1保持在高電平，反之為低電平.OUTX分別連接控制器的IO端口，用以判斷3路觸摸開關的輸入狀態(tài).

觸摸區(qū)域上方覆蓋一層導光板，它將電極與人手隔離.6個發(fā)光二極管兩兩一組，分布在導光板下方，能使面板呈現(xiàn)不同顏色便于用戶分辨開關狀態(tài)，電路如圖4（b）所示.

2.4 繼電器控制電路

繼電器控制電路用于控制交流回路的通斷，進而控制家用電器的打開和關閉，是觸摸檢測電路的執(zhí)行機構(gòu).繼電器型號為HRS3FNH-S-DC5 V，該款繼電器觸點最大可承受AC 250 V電壓，額定電流可達10 A，基本滿足所有家庭用電設備的功率需求.線圈供電電壓為DC 5 V，使用三極管驅(qū)動繼電器的吸合與關閉.并聯(lián)在線圈兩端的二極管能為感性線圈提供泄放回路，提高電路安全性，延長繼電器使用壽命.該系統(tǒng)中共包含3個繼電器控制電路，分別用于控制3路電氣設備.單片機輸出引腳P1.6用于控制三極管開關，其開關動作（本地操作）由觸摸電路輸出信號決定.圖5為繼電器控制原理圖.

圖5 繼電器控制電路

3 智能開關系統(tǒng)軟件設計

智能開關系統(tǒng)的軟件設計分為本地控制和遠程控制兩部分.

本地控制在操作上類似于傳統(tǒng)家用開關.與傳統(tǒng)開關不同的是，采用電子觸摸開關代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械開關，且每次開關動作后，都要及時上報開關狀態(tài)，保證和服務器的數(shù)據(jù)同步，避免出現(xiàn)錯亂.

遠程控制的基礎是無線網(wǎng)絡的搭建以及通信協(xié)議的制定.無線網(wǎng)絡由以太網(wǎng)和ZigBee網(wǎng)絡組成，其中ZigBee網(wǎng)絡通過軟件編程完成.通信協(xié)議分為下行協(xié)議和上行協(xié)議：下行協(xié)議，用戶通過客戶端（手機、平板等）發(fā)出操作指令，經(jīng)服務器、網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)至智能開關設備，使繼電器動作，控制家用電器；上行協(xié)議，智能開關需要反饋當前家電設備的開關狀態(tài)，將信息上報至網(wǎng)關，然后由服務器發(fā)送到用戶客戶端，并在客戶端顯示.

3.1 ZigBee的網(wǎng)絡架構(gòu)

ZigBee是為低數(shù)據(jù)速率、短距離無線網(wǎng)絡通信定義的一系列通信協(xié)議標準.ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以組成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu).通過編程可將Zig-Bee設置為Coordinator（協(xié)調(diào)器）、Router（路由器）和End Device（終端）節(jié)點：協(xié)調(diào)器負責組建ZigBee網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組建完成后協(xié)調(diào)器具有和路由器相同的功能；路由器的功能主要是協(xié)助其他設備加入網(wǎng)絡，作為數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)、協(xié)助終端設備通訊，路由器亦可以作為終端設備使用；終端設備加入ZigBee網(wǎng)絡后主要作為執(zhí)行機構(gòu)，是網(wǎng)絡的一個子節(jié)點.根據(jù)本系統(tǒng)的實際需要，用協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關設備，智能開關被編程為終端設備，它們之間采用點對點的星型連接，網(wǎng)絡架構(gòu)如圖6所示.

圖6 ZigBee星型網(wǎng)絡架構(gòu)

3.2 ZigBee的軟件執(zhí)行機制

TI公司提供了用于執(zhí)行ZigBee協(xié)議的Z-Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧是運行在OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）上的程序代碼，因此本設計所有的軟件實現(xiàn)都是基于OSAL的應用層編程.OSAL可簡單理解為一個小型的操作系統(tǒng)，它是基于輪詢機制的一個非實時性操作系統(tǒng).其工作原理是：當有一個事件發(fā)生時，OSAL負責將此事件分配給能夠處理此事件的任務，然后此任務判斷事件的類型調(diào)用相應的事件處理程序進行處理.執(zhí)行流程見圖7.

圖7 OSAL的執(zhí)行流程

3.3 智能開關系統(tǒng)應用層軟件

智能開關系統(tǒng)的應用層程序運行流程為：程序運行時，不斷的循環(huán)檢測圖中的3個判斷條件.當觸摸開關動作時，代表執(zhí)行本地控制，此時無需經(jīng)過通信環(huán)節(jié)即可直接控制繼電器動作；當接收到網(wǎng)關發(fā)來的Zig-Bee數(shù)據(jù)包后，程序會對數(shù)據(jù)包進行解析，判斷用戶具體執(zhí)行何種操作，包括遠程控制、檢測開關狀態(tài)和檢測連接狀態(tài)等；當定時器中斷到來，表示需要進行心跳數(shù)據(jù)包發(fā)送，該數(shù)據(jù)包用于檢測通信是否正常.圖8為軟件架構(gòu)流程圖.

圖8 應用層軟件架構(gòu)流程圖

3.3.1 本地控制

本地控制程序?qū)崿F(xiàn)了用戶在家中通過觸摸動作控制家用電器的通斷.觸摸開關動作后，控制器CC2530引腳會捕捉到電平高低變化，觸發(fā)相應的邏輯事件.以開關K1為例，當其動作時，P1.5引腳置高，檢測到這一事件后，控制器改變繼電器控制引腳的輸出狀態(tài)，從而控制用電設備的通斷.這一過程執(zhí)行后，智能開關上報當前用電設備的狀態(tài)至服務器，保持和服務器的數(shù)據(jù)同步.

3.3.2 遠程控制

遠程控制程序?qū)崿F(xiàn)了用戶利用客戶端軟件遠程控制家用電器的通斷，或通過客戶端查看家用電器當前的開關狀態(tài).所有這些操作都在上行協(xié)議和下行協(xié)議的框架內(nèi)進行，通信協(xié)議的制定最大程度地保證了通信數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性，同時也增加了數(shù)據(jù)存儲的便利性.

3.4 通信協(xié)議制定與分析

通信協(xié)議分為上行協(xié)議和下行協(xié)議，具體操作就是將數(shù)據(jù)按照一定的格式封裝成數(shù)據(jù)包，ZigBee在通信過程中主要包括上行消息數(shù)據(jù)包、下行消息數(shù)據(jù)包.

3.4.1 上行消息數(shù)據(jù)包

上行數(shù)據(jù)包用于上報當前的開關狀態(tài)或者智能開關設備的其他信息，數(shù)據(jù)包格式見表1.

幀頭0xFB用于識別數(shù)據(jù)的傳輸方向為上行消息；數(shù)據(jù)長度0x07表示數(shù)據(jù)包所有字節(jié)的總長度；設備地址為上報設備（智能開關）的短地址，由兩個字節(jié)組成，該地址在Zig-Bee組網(wǎng)時分配；命令用于區(qū)分不同的操作，如心跳包指令、讀數(shù)據(jù)指令、控制開關狀態(tài)等；數(shù)據(jù)字節(jié)的內(nèi)容由命令字節(jié)決定，當命令字節(jié)表示讀指令時，數(shù)據(jù)字節(jié)為空，用0x00表示，當命令字節(jié)表示寫指令（如打開家電）時，數(shù)據(jù)字節(jié)表示要操作的對象，具體含義見表2.

表1 上行數(shù)據(jù)包格式

表2 數(shù)據(jù)字節(jié)含義

FSC為校驗字節(jié)，其含義為數(shù)據(jù)包所有字節(jié)的異或和，用于檢測數(shù)據(jù)包的正確性，避免由外界干擾等因素導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e亂.

3.4.2 下行消息數(shù)據(jù)包

下行數(shù)據(jù)包格式如表3所示.

下行數(shù)據(jù)包格式與上行數(shù)據(jù)包格式基

本一致，只是改變了數(shù)據(jù)包幀頭，用以區(qū)分.

表3 下行數(shù)據(jù)包格式

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

在完成了硬件電路設計和軟件程序編寫后，還需要對智能開關系統(tǒng)進行調(diào)試.主要是驗證和網(wǎng)關之間的通信功能.具體實施：將智能開關設備配置為ZigBee終端設備，將另一ZigBee設備配置為協(xié)調(diào)器.協(xié)調(diào)器串口連接計算機，用以模擬網(wǎng)關設備.在計算機上通過上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸效果.

4.1 系統(tǒng)底層調(diào)試

首先測定終端設備（智能開關）與協(xié)調(diào)器之間的通信是否已經(jīng)建立.在調(diào)試時采用上位機模擬網(wǎng)關發(fā)送指令，按照通信格式輸入數(shù)據(jù)包：0xFE，0x01，0xFF，0xFF，0x02，0x00.數(shù)據(jù)包發(fā)送后，如果通信成功收到智能開關返回的特定信息，見圖9.圖中顯示已收到智能開關的返回信息，表示通信成功，數(shù)據(jù)傳輸正常.

圖9 ZigBee網(wǎng)絡通訊測試

4.2 系統(tǒng)應用層調(diào)試

為方便觀察實驗現(xiàn)象，用電設備選用額定電壓為220 V、功率為3 W的LED射燈.首先測試觸摸開關的控制功能：在LED射燈熄滅時，觸摸開關的背光顏色為綠色或藍色.當用戶手指觸摸感應區(qū)域，相應LED燈點亮，觸摸板背光燈變紅，再次操作LED燈熄滅，觸摸區(qū)域背光燈恢復藍色，在控制過程中3路開關之間無影響，開關響應及時無卡頓.之后通過上位機發(fā)送指令控制LED的狀態(tài)：在計算機上位機中輸入“打開”指令數(shù)據(jù)包使LED射燈亮起，此時原本熄滅的LED燈被點亮，且觸摸開關的背光燈也作相應的變化.經(jīng)過多次操作，以及長期供電測試，該智能開關系統(tǒng)的靜態(tài)功耗≤0.3 W，且工作穩(wěn)定可靠，滿足工業(yè)產(chǎn)品設計指標.

5 總結(jié)

本設計從智能開關系統(tǒng)的軟、硬件設計出發(fā)，給出了具體的設計方案，并結(jié)合實物調(diào)試，模擬了小型智能家居系統(tǒng)的控制流程，具有實際的商業(yè)價值.該智能開關系統(tǒng)不僅繼承了用戶對傳統(tǒng)開關的使用習慣，又結(jié)合了現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，符合智能家居設計理念的趨勢，具有廣泛的應用前景.

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The Design and Implementation of a Remote Intelligent Switch System Based on ZigBee

LI Xin,HU Xuhui
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

This paper presents an intelligent switch system based on ZigBee technology,and the system realizes the home automation and intelligent control.The papermainly introduces the framework and implementation of the intelligent switch system,and focuses on the design scheme of the software and hardware of the intelligent switch device.This system is easy to use and to install,and it also has a strong compatibility,and a good prospect of extensive development and application.

ZigBee technology;smart home;intelligent switch

TP29

A

1008-2794（2017）02-0049-06

2016-02-25

江蘇省科技計劃項目“智能網(wǎng)絡生鮮自提柜控制系統(tǒng)研究”（BY2015043）

李鑫，實驗師，碩士，研究方向：計算機先進控制技術(shù)與現(xiàn)代檢測技術(shù)，E-mail：lixin_cx@163.com.