基于ZigBee的智能家居聯(lián)網(wǎng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u4386摘要 219550第一章緒論 2263681.1課題的研究意義 2273371.2國內(nèi)外的發(fā)展概況 3313191.3課題的研究任務(wù) 331007第二章ZigBee技術(shù)研究 5148152.1ZigBee技術(shù)簡介 5122952.2ZigBee技術(shù)的特點 55447（1）高可靠性 531628（2）低成本、低功耗 532548（3）高安全性 510202（4）低數(shù)據(jù)速率 5202682.3CC2530開發(fā)板簡介 52622.4ZigBee和IEEE802.15.4的關(guān)系 639602.5ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 7260662.7ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 8216662.8本章小結(jié) 93532第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計 10327543.1電源輸入電路圖 1013443.2電源穩(wěn)壓電路 1110323.3CC2530最小系統(tǒng) 12137723.4UART通信串口 12183263.5DEBUG下載接口 13185963.6步進電機接口 13243613.7DHT11溫濕度傳感器 14224583.8有害氣體傳感器 14240913.5光線傳感器 15198173.6門磁傳感器 15164113.7照明電路 1536803.13照明電路 16143223.8排風扇 16101923-14排風扇 16218643.9本章小結(jié) 1719509第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計 17172834.1ZigBee協(xié)議 17315314.2IAR開發(fā)平臺 17106044.3下位機軟件設(shè)計 22218084.4上位機軟件設(shè)計 22193864.5本章小結(jié) 2425163第五章系統(tǒng)實物演示 25145905.1整體實物圖 2527825.2各模塊功能 26255385.3本章小結(jié) 2815419第六章總結(jié)與未來展望 30238916.1總結(jié) 30160516.2未來展望 30參考文獻 摘要隨著當今社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水品也逐漸提高。在家庭生活中人們的要求也越來越高，不再滿足于普通的家電設(shè)備，更多的考慮在家居生活中追求一個更加舒適、便捷和高安全性的環(huán)境。所以智能家居應(yīng)運而生，它不僅具有完美的傳統(tǒng)家居功能，也運用了現(xiàn)代科技發(fā)展的多種技術(shù)，將功能與服務(wù)結(jié)合，為人們提供一個安全、愜意、多功能的生活環(huán)境。本文主要研究了使用ZigBee作為通信技術(shù)，cc2530為主芯片，搭建了ZigBee協(xié)調(diào)器和終端的硬件設(shè)備，其中包含了溫濕度檢測、光線檢測控制，有害氣體檢測排放、門禁開關(guān)控制功能。同時也使用IAR開發(fā)工具對下位機進行軟件開發(fā)，使用VisualStudioCommunity軟件制作了上位機界面。下位機先傳遞信息，上位機負責發(fā)出指令，再交給下位機操控。最終設(shè)計出了一套自主多功能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了家庭生活的智能化、便捷化。關(guān)鍵詞：ZigBee；智能家居；CC2530；IAR；第一章緒論1.1課題的研究意義近幾年來，隨著智能電子不斷的發(fā)展，各種各樣的智能電子產(chǎn)品問世，人們越來越能感受到智能電子產(chǎn)品為其帶來的便利感甚至對其產(chǎn)生了依賴感。如現(xiàn)在人們已經(jīng)離不開手機電腦等智能設(shè)備，以后智能家居的普及也是理所當然的，智能家居對人們的生活有很多的優(yōu)質(zhì)影響，如果你的家庭實裝了智能家居，那你就可以隨時的在家里享受到全自動的服務(wù)，它會在你感覺寒冷的時候為你打開暖氣，在你需要睡覺的時候幫你關(guān)燈關(guān)窗，它還可以時刻保護你在家里的人生財產(chǎn)安全，它可以監(jiān)測氣體是否泄漏和是否發(fā)生火災(zāi)并做出相應(yīng)的保護動作，你也可以通過智能手機等電子設(shè)備來控制你的所有家用電器，這樣出門再也不用帶鑰匙，家里只需要一個控制器就可以控制所有的電器，真正的做到了智能方便。而且像這樣的智能家居系統(tǒng)也可以節(jié)省你許多的生活時間，這樣多出來的時間你就可以用來工作或者放松一下，時間就是金錢，這樣看起來智能家居的意義，體現(xiàn)在方方面面。1.2國內(nèi)外的發(fā)展概況雖然智能家居理念的提出很早，但是它在一段時間內(nèi)都沒有被人們運用于真正的家居系統(tǒng)中。1984年，美國制造了世界上第一棟智能家居，是利用計算機技術(shù)來檢測和控制整棟樓的電器設(shè)備。到目前為止，智能家居在許多國家已經(jīng)開始使用了。因為還是屬于一個新興產(chǎn)業(yè)，智能家居的市場還是非常廣闊的，所以許多有名的公司都重金投入到智能家居系統(tǒng)的研究中，其中松下，英特爾等公司發(fā)展最為迅速。即使國外很多在智能家居的研究開發(fā)有了很多的進展，但是智能家居并沒有普及也是可以預(yù)期的。其中最重要的原因就是智能家居安裝和維護的成本居高不下。因為智能家居的系統(tǒng)很復(fù)雜，如果在安裝的過程中沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議，就很可能使各個模塊之間的不兼容，最終就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)出現(xiàn)紊亂的局面。而且智能家居的維修也是需要專業(yè)的技術(shù)人員，這就使得維修費用變得非常高昂，所以大多數(shù)家庭都是負擔不起一套智能家居的使用。其次就是我國的智能家居行業(yè)規(guī)范并沒有落實好，無論是從管理還是推廣來說，不同地方不同階級對于其定位都并不相同，所以這使得智能家居的發(fā)展變得緩慢。最后，因為智能家居系統(tǒng)需要和房屋建筑聯(lián)系起來，但我國的房地產(chǎn)開發(fā)競爭激烈，很難做到統(tǒng)一兼容，所以對智能家居的實裝加大的難度。[1]但即便我國智能家居行業(yè)起步晚，基礎(chǔ)薄弱。在進入21世紀以后，隨著通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家居概念出現(xiàn)在國內(nèi)市場，加上借鑒其他國家的經(jīng)驗，經(jīng)過十幾年的努力，我國智能家居發(fā)展也取得了一定的成果，特別是最近幾年房地產(chǎn)行業(yè)的迅猛發(fā)展和數(shù)字化智能時代的來臨，智能家居理念開始深入心，智能家居開始慢慢滲透到人們的日常生活中。1.3課題的研究任務(wù)本課題主要是研究如何將ZigBee技術(shù)和智能家居相結(jié)合，設(shè)計出一套完整的智能家居系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)化的時代，希望能夠通過利用ZigBee的無線通信技術(shù)，加上對cc2530芯片的開發(fā)利用，合理利用各種傳感器的檢測功能和相應(yīng)設(shè)備的執(zhí)行能力，傳感器能夠檢測并傳輸在家居生活中對我們很重要信息，然后通過ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送到上位機，上位機可自動可手動發(fā)送指令再到終端進行某種適宜人們生活的動作，比如可燃氣泄露需要打開排風扇進行排氣，不然可能就會煤氣中毒；如果檢測到室內(nèi)光線太暗也會影響到人的正常生活，這時候就需要控制燈打開了，還有許許多多的功能都是平常生活中需要用到的。所以本文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：緒論。主要介紹了課題的研究意義，國內(nèi)外的發(fā)展概況以及課題的研究任務(wù)。第二章：ZigBee技術(shù)研究。主要介紹ZigBee技術(shù)及其特點，淺談關(guān)于CC2530開發(fā)板的一些知識，說明了ZigBee和IEEE802.15.4的關(guān)系，舉出了兩種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，闡述了ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。第三章：硬件系統(tǒng)設(shè)計。主要介紹硬件的電路設(shè)計，包括使用的儀器原件，和這種原件的優(yōu)缺點。第四章：軟件系統(tǒng)設(shè)計。詳細介紹了軟件設(shè)計需要安裝的軟件，介紹了上下位機的開發(fā)環(huán)境，了解了IAR開發(fā)平臺和VisualStudioCommunity軟件。第五章：系統(tǒng)實物演示。介紹了硬件實物和上位機界面操作，對終端模塊的控制，通過實物演示圖可以清楚的看出該套智能家居系統(tǒng)的工作方式。第六章總：總結(jié)與展望。對整個畢業(yè)設(shè)計過程的回顧與總結(jié)，并對未來基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)的期望。第二章ZigBee技術(shù)研究2.1ZigBee技術(shù)簡介隨著科技的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)作為其中的一部分也得到了快去發(fā)展。有發(fā)展自然就有新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，所以不同的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸標準應(yīng)運而生。但是不同的無線傳輸協(xié)議標準適用于不同的行業(yè)領(lǐng)域，其中ZigBee則在近距離傳輸時大放光彩，主要還是其低成本低消耗的優(yōu)點。ZigBee是基于標準的一種無線局域網(wǎng)協(xié)議。它是由當時幾個不同國家的不同公司合力開發(fā)的一種技術(shù)，其中包括當時名聲很大的摩托摩拉，三菱電氣等公司。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，現(xiàn)如今的ZigBee技術(shù)已經(jīng)很成熟了。不僅如此，它的軟件和硬件資源都有著飛速發(fā)展。隨著無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的興起，ZigBee的軟件協(xié)議的開發(fā)，使得人們可以更加簡單的利用這些工具進行ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)運用。[2]2.2ZigBee技術(shù)的特點 （1）高可靠性在無線通信中，是通過電磁波進行傳播的，但是這種傳播會遇到很多的干擾。而ZigBee在制定的時候就已經(jīng)考慮到這個問題了，所以制定者采取了許多措施去努力加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?）低成本、低功耗ZigBee的協(xié)議非常簡化，所以需要的代碼更少，就更節(jié)省成本。而且ZigBee無協(xié)議專利費，芯片也更加便宜。而在待機模式下，非常省電，在同等電源條件下ZigBee待機的時長可能是藍牙的數(shù)十倍，是WiFi的千倍左右，對比一下就知道ZigBee是有多么的低耗了。（3）高安全性ZigBee還有一個AES-128加密技術(shù)，一般可通過該方法對數(shù)據(jù)傳輸進行加密，可保證數(shù)據(jù)不被竊取破解。（4）低數(shù)據(jù)速率ZigBee的傳輸速度很低，只能進行低傳輸應(yīng)用，這對它的部分組網(wǎng)方法也有些限制效果。2.3CC2530開發(fā)板簡介如果想要對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)利用，首先要了解它所使用的芯片有什么要求和特點。芯片就是機械的大腦，它是整個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者。cc2530是一款很好的芯片，它可以完美適用于ZigBee協(xié)議的開發(fā)使用。如圖2-1所示即為一塊開發(fā)板，如果說芯片是大腦，那他的開發(fā)板就是整個身體，它的硬件資源就是各種肢干。首先，開發(fā)板肯定是需要有電的，所以就需要一個電源接口，一般不宜過高。其次，它還有一個天線接口，是用來接收無線信號的，即收集通信過程中的各種信息。它的仿真接口也很重要，是用來對程序進行仿真，調(diào)試和下載的。而且它還預(yù)留了一個擴展接口，顧名思義就是用來額外增加一些傳感器模塊，然后可以接受傳感器數(shù)據(jù)。圖2-1cc2x30開發(fā)板2.4ZigBee和IEEE802.15.4的關(guān)系一般如果要設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)軟件框架，都是將每一個分層分割開。然后每一層只能負責本層的內(nèi)容，這樣可以避免層次混亂，造成系統(tǒng)內(nèi)部卡住。但是每層之間都是可以互相傳遞信息的，這樣一層層的傳過去，有條不紊。如圖2-2所示為OSI七層參考模型，是由ISO國際化標準組織提出的。圖2-2OSI參考模型如圖2-3所示為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)每一層的示意圖，從中我們可以看出甚至有多個層都負責一項服務(wù)，比如安全服務(wù)。圖2-3ZigBee曲線網(wǎng)絡(luò)各層示意圖從圖2-4可以看出，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)共分為5層:物理層（PHY)、介質(zhì)訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用程序支持子層(APS)和應(yīng)用層(APL)。不同的分層有不同的好處，如果有一部分的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)生了改變，如果沒有分層的話就需要全部改變。但分了層之后，就只需要改那些與變化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)的層就好了，這樣更加方便快捷。[3]2.5ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，如圖2-4和2-5所示。不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲對應(yīng)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的配置有不同的要求（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的類型可以使協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點，具體配置需要根據(jù)配置文件決定)。[4]圖2-4星型網(wǎng)絡(luò)拓撲圖圖2-5網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)拓撲2.7ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要還是ZigBee通信協(xié)議的傳輸距離較近，所以其還是大多運用于小型無線網(wǎng)絡(luò)。而且在智能家居高速發(fā)展的今天，ZigBee技術(shù)又可以對其有這很好的作用，而且自身價格便宜，所以ZigBee的未來發(fā)展空間還很廣闊。其中也有很多領(lǐng)域可以讓ZigBee技術(shù)大放異彩:（1）需要進行數(shù)據(jù)采集和控制的節(jié)點較多;（2）應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸速率和成本要求不高;（3）設(shè)備需要電池供電幾個月的時間，且設(shè)備體積較小;（4）野外布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，進行簡單的數(shù)據(jù)傳輸。[5]雖然本課題主要說的是ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，我們也了解了很多智能化家居系統(tǒng)的快捷，方便。但其在其他領(lǐng)域也有這很大的作用。比如，可以通過ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，將傳感器置于危險的地方或者人們很到達的地方，這樣就可以通過無線數(shù)據(jù)傳輸檢測到這些地方的各種參數(shù)，這種作用主要還是用于工業(yè)控制。其實，只要了解到ZigBee技術(shù)的優(yōu)缺點，和其工作的性質(zhì)，就可以知道它適用于哪些環(huán)境，適用于什么工作。目前，該通信網(wǎng)絡(luò)主要還是用來監(jiān)控各種各樣的地方，檢測各種各樣的數(shù)據(jù)，幫助人類獲得許多重要的信息。2.8本章小結(jié)本章主要講述了ZigBee技術(shù)到底是一種怎樣的無線通信技術(shù)，也詳細闡述了ZigBee技術(shù)的特點，做成的開發(fā)板的特點，及和IEEE802.15.4的關(guān)系，并且介紹了它的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，最后說明了適合使用ZigBee技術(shù)的一些領(lǐng)域，對以后的研究方向都有著很大的引導(dǎo)作用。第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計硬件部分作為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)平臺，必須要先于軟件部分搭建，設(shè)計好其原理圖。系統(tǒng)總體電路采用Protel電路繪圖軟件繪制，并采用模塊化的方式繪制，并通過電路網(wǎng)絡(luò)名進行電氣連接。如圖3-1所示，從圖中可以看出本系統(tǒng)硬件部分主要包括兩個CC2530傳輸處理模塊、溫濕度采集模塊、照明系統(tǒng)模塊，有害氣體檢測排放模塊，門禁控制模塊。圖中詳細標明了使用的硬件名稱和cc2530每個引腳連接是哪一個模塊哪一個硬件部分，下面會詳細的介紹每一個硬件模塊的功能作用。圖3-1系統(tǒng)總體電路圖3.1電源輸入電路圖圖3-2電源輸入電路電源輸入電路如圖3-2所示，圖中的USB口為5V輸入，需要連接電源，C3為電容，可用來濾波和蓄能，對整個電源供電線路可起到穩(wěn)定電源的效果。3.2電源穩(wěn)壓電路圖3-3AMS1117.3.3穩(wěn)壓電路如圖3-3所示，AMS1117.3V3是一款專門用于電源電壓轉(zhuǎn)換的芯片，其具有寬電壓輸入的特點，可輸入范圍為12V~4.2V，穩(wěn)定輸出3.3V電壓，最高可輸出1A電流。由于其使用方便，被廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品上。C1、C2電容用于穩(wěn)壓與抗干擾。電容對于電源的作用十分重要。作為儲能元器件，電容理論上不消耗能量，但由于實際中電容存在一定的內(nèi)阻，使其必然消耗一部分的能量。相比消耗的能量而言，其儲能的效果卻能夠起到穩(wěn)壓、濾波的作用。電容就好比是一座水塔，而電路中的電源就是供水的水源和一條條水管，當電路中的某一個元器件突然需要極大的電能時，電源產(chǎn)生的瞬間壓降有可能導(dǎo)致其他元器件宕機或重啟，因此為穩(wěn)定電源電壓，通常會在大功率元器件的電源輸入位置并上一個大電容，其主要作用可在電源產(chǎn)生瞬間壓降的瞬間，通過電容的放電效應(yīng)來彌補這部分的電壓差，以此達到一個穩(wěn)壓的效果。如圖3-2所示的C3即為大電容，將其并于AMS1117的輸入端，可起到對電源輸入的穩(wěn)壓作用。這樣AMS1117便能較為穩(wěn)定的輸出3.3V電壓。而輸出3.3V電壓后，再次通過一個C2標稱值為104的小電容進行穩(wěn)壓，為后續(xù)使用3.3V電壓的元器件做一定的穩(wěn)壓保護作用。3.3CC2530最小系統(tǒng)圖3-4CC2530最小系統(tǒng)CC2530單片機是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE802.15.4協(xié)議的曲線射頻單片機。CC2530可以建立一個強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并且不會消耗很多的材料。它有很多的優(yōu)點，比如有這極高的接受靈敏度和抗干擾性，功耗低更省能量。同時，該芯片運行在-40~125℃和供電電壓2~3.6v之間工作效果最好。該芯片多用于工業(yè)控制和監(jiān)控和醫(yī)療保健等場所。[6]3.4UART通信串口圖3-5UART通信串口如圖3-5所示，UART通信接口主要用于程序的打印信息調(diào)試，為異步通訊，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。3.5DEBUG下載接口圖3-6DEBUG下載接口如圖3-6所示，DEBUG主要用于程序的下載。首先在ZigBee上安裝配套的下載器，然后將下載器連接到電腦上，打開IAR開發(fā)軟件，分為協(xié)調(diào)器和終端兩個下載位置，如果是協(xié)調(diào)器的話就選擇CoordinatorEB-Pro,如果是終端就選擇EndDeviceEV-Pro。之后點擊MAKE編譯，沒有錯誤的話，就可以點擊下載。等到下載完畢后，這時一定要點擊全速運行才可以真正的下載進去，即可完成。3.6步進電機接口圖3-7步進電機接口如圖3-7所示，步進電機，顧名思義就是一種電動機，他可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或者線位移，通俗點說就是通電自己里面的轉(zhuǎn)子可以旋轉(zhuǎn)。但是它轉(zhuǎn)動的角度和輸入的脈沖信號有關(guān)，而且是成正比的關(guān)系。即輸入了一定的脈沖它就會旋轉(zhuǎn)一定的角度，而她的轉(zhuǎn)速與脈沖有關(guān)。本課題使用的是24BYJ-48步進電機，其驅(qū)動方法及參數(shù)如圖3-8所示。圖3-8驅(qū)動方法及參數(shù)3.7DHT11溫濕度傳感器圖3-9DHT11溫濕度傳感器如圖3-9所示，這是一個溫濕度傳感器模塊。它有一個溫濕度一體的探頭，那就是它的傳感器。這個探頭可以將環(huán)境中的溫濕度信號給采集出來，然后經(jīng)過一系列處理，就能夠轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號。溫度傳感器主要分為兩類，第一類是接觸式溫度傳感器，又稱溫度計，另一類則是非接觸式測溫儀表。本課題使用的就是非接觸式測溫儀表，它的優(yōu)點是測量的上限不會被感溫原件的耐溫程度所限制。3.8有害氣體傳感器圖3-10有害氣體傳感器如圖3-10所示，氣體傳感器的本質(zhì)是一種轉(zhuǎn)換器，它可以將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的電信號。有一種氣體傳感器被廣泛運用，叫做紅外氣體傳感器，它可以適用于監(jiān)測幾乎所有的氣體。它的優(yōu)點是精度很高、可靠性好高、受環(huán)境干擾因素減小等等。本課題使用的是MQ135空氣質(zhì)量檢測傳感器，其尺寸為:長32mm，寬22mm，高30mm。主要芯片為LM393、MQ135氣體感應(yīng)探頭，工作電壓為直流5V。該傳感器主要用于家庭，它可以檢測出于氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等氣體有害氣體。其氣體敏感元件測試濃度范圍:10ppm~1000ppm。3.5光線傳感器圖3-11光線傳感器如圖3-11所示，本課題中光線傳感器使用了光敏電阻5516，該光敏電阻隨光線變化阻值會發(fā)生變化。當光敏電阻和一個10K電阻串聯(lián)，并且接法如我們的原理圖時，我們檢測到的ADC值就是光敏電阻的分壓值，如果光線暗，光敏的阻值大。分壓就大，這樣測得的ADC值比較大。反過來測到的ADC值就比較小。然后使用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換，51是8位的，也就是2的8次方等于256，假設(shè)你獲取到的光線的模數(shù)轉(zhuǎn)換值是123.那百分比就是100/256=48%，但是由于5516光線越暗，光敏電阻越大，分壓也越大，因此需用100-48=52%。這就是模數(shù)轉(zhuǎn)換值為123的真實光線百分比。由于小數(shù)點對于單片機不容易處理，因此我們通常將小數(shù)點去掉，直接再乘以100倍，得到數(shù)值52,再與光線閾值比較。3.6門磁傳感器圖3-12門磁傳感器如圖3-12所示，磁傳感器是把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起\t"/item/%E7%A3%81%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/_blank"敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。磁傳感器現(xiàn)在應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)是傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支。在電機工業(yè)、電力電子技術(shù)和能源管理等領(lǐng)域都有著產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用。3.7照明電路3.13照明電路LED就是發(fā)光二極管，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化成光能。LED有著許多的優(yōu)點，最主要的優(yōu)點有節(jié)能長壽、可以工作在高速狀態(tài)下、更加環(huán)保。在本課題中使用的白色LED燈的最低電壓是2.8V-3.2V，施加5V電壓需要限流電阻，因此均采用1K的限流電阻進行限流處理。三極管選用NPN型三極管，并在其集電極引出一個接口，發(fā)射極接地。當在基級施加一個高電平時，即可導(dǎo)通集電極到地。由此可作為開關(guān)管對接入集電極的負載進行開關(guān)控制。通過此原理，即可實現(xiàn)對燈的控制。3.8排風扇3-14排風扇排風扇是一種由電能驅(qū)動電動機帶動風葉旋轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的氣體排到室外的電器。排風扇的作用主要是去除室內(nèi)污濁的空氣，也可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度。排風扇的換氣方式有排出式、吸入式和并用式三種。3.9本章小結(jié)本章主要介紹硬件的電路設(shè)計以及電路設(shè)計過程中的細節(jié)，包括在設(shè)計中使用了哪些儀器原件，使用的是這些原件的哪一種信號，這種型號原件的優(yōu)缺點等等都有說明，同時通過這些儀器硬件的使用，可以更加清晰的了解到該套智能家居的使用范圍和能力。第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1ZigBee協(xié)議ZigBee協(xié)議適應(yīng)\t"/item/Zigbee%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"無線傳感器的低花費、低能量、高\t"/item/Zigbee%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"容錯性等的要求。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗\t"/item/Zigbee%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"局域網(wǎng)協(xié)議。但IEEE僅處理低級MAC層和\t"/item/Zigbee%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線\t"/item/Zigbee%E5%8D%8F%E8%AE%AE/_blank"連接。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。4.2IAR開發(fā)平臺IAR開發(fā)平臺是一款優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，其可支持眾多微處理器的開發(fā)。使用IAR開發(fā)CC2530可以支持軟硬件調(diào)試仿真，便于開發(fā)者開發(fā)程序，并且IAR相對穩(wěn)定，編譯高效也是選擇使用IAR開發(fā)平臺的原因。Zigbee協(xié)議棧龐大卻又十分復(fù)雜，首先我們對zigBee軟件協(xié)議棧的目錄樹做一點介紹，通過目錄樹逐步學(xué)習協(xié)議棧的使用與程序的流向。如圖4-1所示，這是一個IAR開發(fā)環(huán)境提供的zigbee協(xié)議棧目錄樹。從目錄樹中，我們可以看到最上面的文件夾為App,其次是HAL等等一直到Output。這些目錄里面的所有代碼共同組成了zigBee協(xié)議棧的實現(xiàn)。ZigBee組網(wǎng)協(xié)議十分復(fù)雜，對于協(xié)議棧而言，就好比操作系統(tǒng)，而我們主要的目的在于開發(fā)應(yīng)用程序，因此通常只需要修改App位置的代碼即可實現(xiàn)程序的設(shè)計。當然，最重要的是懂得調(diào)用ZigBee無線數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。圖4-1ZigBee軟件協(xié)議棧目錄樹除了App這個文件夾，其他代碼幾乎無需做修改，只需懂得調(diào)用zigbee協(xié)議棧中的API函數(shù)即可。以下主要介紹zigbee協(xié)議棧中非常重要的API函數(shù)。首先我們來看一下目錄樹App文件夾內(nèi)部的代碼文件的含義。如圖4-2所示，App文件夾中包含了app.c、cc2530_it.c、OSAL_SampleApp.c、SampleApp.c、SampleAppHw.c。app.c是應(yīng)用程序開發(fā)的主要代碼文件,而cc2530_it.c是CC2530的中斷管理代碼文件、OSAL_SampleApp.c是抽向系統(tǒng)的樣例代碼文件，這個文件用得比較少。接下來是SampleApp.c，該文件同樣非常重要，因為ZigBee協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)收發(fā)事件均在這個代碼文件下實現(xiàn)。最后一個是ZigBee協(xié)議棧自帶的硬件樣例代碼文件。圖4-2目錄樹-App接下來，如圖4-3所示，打開app.c即可看到有個名為APP_Config(void)的函數(shù)，該函數(shù)的主要作用就是初始化用戶自定義的外設(shè)，如UART串口初始化、TIMER定時器初始化、GPIO初始化、ADC初始化、PWM初始化或者OLED屏幕初始化等一系列初始化工作，均可在該函數(shù)中實現(xiàn)。圖4-3App用戶配置初始化我們知道，在學(xué)習51單片機時，我們總是寫一個main主函數(shù)，然后對各種外設(shè)初始化完畢后，就進入一個死循環(huán)執(zhí)行程序的主邏輯，而ZigBee協(xié)議棧為了實現(xiàn)快速的系統(tǒng)響應(yīng)，采用的是抽向系統(tǒng)的思想，并以事件作為系統(tǒng)的響應(yīng)對象，如按鍵事件、定時器事件、無線接收事件、發(fā)送事件等。使用該方法實現(xiàn)ZigBee協(xié)議棧的響應(yīng)機制能夠加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度、并盡量騰出系統(tǒng)資源，使程序的執(zhí)行效率最大化。但由于采用事件的形式進行邏輯處理，使得編程上難度加大，且自由度不高，因此ZigBee協(xié)議棧同時也支持輪詢的形式實現(xiàn)程序的邏輯。如圖4-4所示的APP(unsignedchartask)用戶輪詢進程，該進程函數(shù)可實現(xiàn)如同51單片機下的while(1)無限循環(huán)的效果，而又不占用系統(tǒng)資源，因為該函數(shù)采用了任務(wù)的形式進行輪詢，每次只輪詢一個任務(wù)，從而使ZigBee協(xié)議棧在不受效率影響的情況下正常運行。我們可在APP(unsignedchartask)函數(shù)中輪詢自己的進程，實現(xiàn)更多的功能。圖4-4App用戶輪詢app.c中還集成了無線命令發(fā)送函數(shù)rf_send_command(unsignedchar*s)，通過調(diào)用無線命令發(fā)送函數(shù),即可將數(shù)據(jù)*s發(fā)送至目的地址，該函數(shù)可實現(xiàn)將無線數(shù)據(jù)從ZigBee終端發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，也可實現(xiàn)從ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送至ZigBee終端。而該發(fā)送函數(shù)的使用方法則是將數(shù)據(jù)壓入一個數(shù)組中，如temp[a]數(shù)組，由于該無線命令發(fā)送函數(shù)的發(fā)送對象為一個unsignedchar*s指針類型，因此只需將temp[a]數(shù)組寫入該函數(shù)的參數(shù)中即可將templa]發(fā)送至目標地址。由于數(shù)組名表示數(shù)組的指針地址，因此可簡寫為rf_send_command(temp);圖4-5無線發(fā)送函數(shù)app.c中還具有無線接收函數(shù)rf_receive_command(afIncomingMSGPacket_t*pkt),該函數(shù)實際上被調(diào)用于SampleApp.c的ZigBee協(xié)議棧無線數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)voidSampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)，如圖4-6,4-7所示。該函數(shù)是zigbee協(xié)議棧中非常重要的一個函數(shù)，因為一旦有無線數(shù)據(jù)接收事件，就是通過調(diào)用該函數(shù)進行處理的。圖4-6APP無線接收函數(shù)圖4-7協(xié)議棧無線接收函數(shù)前面提到的voidSampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t*pkt)無線數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)，實際上正是被SampleApp.c中的SampleApp_ProcessEvent(uint8task_id,uint16events)協(xié)議棧事件處理函數(shù)所調(diào)用的，當協(xié)議棧產(chǎn)生無線數(shù)據(jù)接收事件時，便會進入如圖4-8所示的第142行中的caseAF_INCOMING_MSG_CMD:/l無線數(shù)據(jù)接收事件,以此調(diào)用無線數(shù)據(jù)接收處理函數(shù)，從而實現(xiàn)了對無線數(shù)據(jù)接收的處理能力。圖4-8協(xié)議棧事件處理函數(shù)至此，整個ZigBee協(xié)議棧的框架介紹到此結(jié)束，ZigBee協(xié)議棧中，開發(fā)只需了解app.c和SampleApp.c即可完成大部分的軟件設(shè)計。[7]4.3下位機軟件設(shè)計下位機程序設(shè)計分為兩個部分，由于ZigBee使用的是zstack無線軟件協(xié)議棧，由此下位機的程序設(shè)計又分為ZigBee發(fā)射端和ZigBee接收端。從本質(zhì)上來看，實際上不論是發(fā)射端還是接收端都是收發(fā)一體的，并且ZigBee協(xié)議中，二者的聯(lián)網(wǎng)特性使得二者均需無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，以保持聯(lián)網(wǎng)通信。4.4上位機軟件設(shè)計首先下載VisualStudioCommunity軟件并安裝，完成上位機界面的制作，如圖4-9所示。圖4-9上位機界面在上位機界面中將每一個控件都連上源碼，可得圖4-10。圖4-10上位機控件的源碼源碼的風格與C語言是基本一致的，因此可輕松上手。上位機的代碼框架是上位機自動生成的，也就是每個函數(shù)名基本都是自動生成的，但是函數(shù)里面的代碼需要我們完成，上位機是通過UART串口通信和下位機通信的，因此我們使用了UART串口通信代碼，搭建了基礎(chǔ)通信，此后，從得到的串口數(shù)據(jù)中進行命令分析，帶“\r\n”的數(shù)據(jù)都是命令。因此一收到這個回車換行符就進行判斷，再處理顯示部分。4.5本章小結(jié)本章節(jié)詳細介紹了在本課題軟件設(shè)計需要安裝的軟件，介紹了上下位機的開發(fā)環(huán)境，了解了IAR開發(fā)平臺和VisualStudioCommunity軟件，如果是一個系統(tǒng)硬件身體，那軟件就是靈魂，軟件系統(tǒng)可以幫助用戶手動或自動控制整個智能家居系統(tǒng)，這個是非常重要的。第五章系統(tǒng)實物演示5.1整體實物圖根據(jù)第三章的硬件系統(tǒng)設(shè)計，搭建硬件部分。如圖5-1所示，為本系統(tǒng)的ZigBee協(xié)調(diào)器，它由一個cc2530最小系統(tǒng)構(gòu)成，它是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，就像人的大腦一樣，控制著整個網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備的通信。他是通過接口直接連到上位機，將終端采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機，并將上位機的指令再傳給終端，對終端的各個模塊進行精準控制。圖5-1ZigBee協(xié)調(diào)器如圖5-2所示為本系統(tǒng)的ZigBee終端，它是執(zhí)行外界數(shù)據(jù)采集和內(nèi)部傳輸?shù)囊粋€設(shè)備。它包括溫濕度采集器、光敏傳感器、LED燈、有害氣體傳感器、風扇、步進電機、門磁感應(yīng)裝置各一個。它需要接通一個5v的電源，然后和ZigBee協(xié)調(diào)器連接完成后，就可以將各傳感器檢測出來的數(shù)據(jù)傳送到上位機，再通過ZigBee協(xié)調(diào)器將指令傳回來，對風扇、電機、LED燈按指令進行控制。圖5-2Zigbee終端5.2各模塊功能將各部件按圖5-2連接完成后，將協(xié)調(diào)器接入上位機，連接終端電源，打開上位機，就會出現(xiàn)圖5-3的上位機界面圖。在這里，我們可以清楚的看出當前環(huán)境下的溫度、濕度、亮度、門磁、氣體濃度以及是否聯(lián)網(wǎng)成功，然后也可以得到當前燈和門的開關(guān)狀態(tài)及排氣風扇是否啟動。圖5-3上位機界面圖在本系統(tǒng)中我們可以設(shè)置可燃氣和亮度的閾值，這樣在自動狀態(tài)下，系統(tǒng)便可根據(jù)閾值自動的控制燈和風扇的開關(guān)。當環(huán)境中可燃氣密度大于最大可燃氣閾值時，排氣系統(tǒng)就會啟動，及終端打開風扇將有害氣體排出當前環(huán)境（即室內(nèi)），如圖5-4所示為風扇打開的狀態(tài)，直到氣體檢測器檢測出的氣體密度小于最小設(shè)定閾值即可關(guān)閉風扇；當環(huán)境中光線亮度小于最小亮度設(shè)定閾值時LED燈就會打開進行照明功能，如圖5-5所示LED打開的情形，當環(huán)境中光線亮度大于最大設(shè)定閾值時就無須再使用LED燈進行環(huán)境照明，這時LED的就會關(guān)閉。圖5-4風扇開啟狀態(tài)圖5-5LED燈開啟狀態(tài)我們還可以通過上位機控制步進電機進行開關(guān)門，當我們點擊開門按鈕時，步進電機逆時針旋轉(zhuǎn)一周，門被打開，同時也代表著裝在門和門框上的兩個磁鐵感應(yīng)器相應(yīng)的分離開來，這時會在上位機界面顯示門磁觸發(fā)；相反，當我們點擊關(guān)門按鈕，步進電機順時針旋轉(zhuǎn)，門關(guān)閉，磁鐵感應(yīng)器結(jié)合，上位機界面顯示門磁正常。同時該系統(tǒng)也可以從自動切為手動狀態(tài)，只需點擊上位機界面的手動按鈕即可。在手動模式下，我們可以通過按鈕隨意的控制LED燈、門及風扇的開關(guān)，更加的方便快捷和自主。5.3本章小結(jié)本章節(jié)介紹了硬件實物和上位機界面操作，對終端模塊的控制，通過實物演示圖可以清楚的看出該套智能家居系統(tǒng)的工作方式，介紹了通過上位機的兩種控制方式，自動控制更加便捷，手動控制更加隨性。第六章總結(jié)與未來展望6.1總結(jié)智能家居系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成熟起來了，相信以當今科技的發(fā)展，在未來不會很久的時間里利用ZigBee技術(shù)的無線通信協(xié)議會更加完善，而其運用在智能家居系統(tǒng)上也更加的得心應(yīng)手。相信不久之后，智能家居系統(tǒng)不再是一個高端產(chǎn)品，它也會飛入尋常百姓家。到那時候，技術(shù)也更加成熟，不僅人們的生活將變得更加智能化。本文將ZigBee無線通信技術(shù)和智能家居系統(tǒng)相結(jié)合，利用了cc2530芯片以及眾多的傳感器等模塊，設(shè)計出了一套基于ZigBee的智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。ZigBee雖然傳輸距離近，但是在生活的房間中是足夠的，而且它有著很好的優(yōu)點，那就是低成本、低消耗。所以可以說ZigBee和智能家居系統(tǒng)互相成就，都依賴著彼此，也都發(fā)揮著彼此的作用。本問設(shè)計的系統(tǒng)可以有效的檢測控制家居系統(tǒng)中的許多環(huán)境參數(shù)，包括溫濕度的采集、光線強度的檢測和開關(guān)燈的控制、有害氣體的檢測和排放控制。而且不僅可以自動設(shè)置閾值由程序控制，還可以通過手動控制門的開關(guān)。這些都是屬于在家里生活的必須要經(jīng)歷的，有的是每天都要經(jīng)歷的瑣事，有些則是可以危及家居主人生命安全。想一想，如果這些智能家居能夠時候陪在身邊，不僅生活的更加便捷，也更加安全。6.2未來展望通過本次基于ZigBee智能家居聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，也認識到了學(xué)術(shù)研究的高深莫測，同時也非常喜歡研究的感覺，在整個過程中每一次小成就都是繼續(xù)向前的動力，只有一步一步攀登才能登上最高峰。同時在研究學(xué)習在也認識到了自己的許多不足之處，希望以后能夠不停地完善自己。雖然設(shè)計出了一套智能家居系統(tǒng)，但后面的發(fā)展會越來越快，ZigBee也是需要一直研發(fā)更新的。1.希望在未來的基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計的智能家居可以更加的安全，畢竟安全永遠都是排在第一位的。安全也包括很多種類，首先當然是系統(tǒng)本身一