基于ZigBee的遠程智能開關系統的設計與實現

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的設計與實現

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技術的智能開關系統方案，介紹了智能開關系統的組成框架、實現原理和軟件及硬件設計方案.該系統實現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，具有廣泛的開發和應用前景.

ZigBee技術；智能家居；智能開關

在網絡還未普及的年代，傳統智能家居采用有線技術，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展.但隨著互聯網技術的發展，新一代基于無線通信的現代智能家居系統，利用移動互聯網技術、智能終端遠程控制技術，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技術是一種短距離無線通信技術，它在使用期間無額外通信費用，組網穩定、通信可靠，已廣泛用于智能家居系統中.

1 智能開關系統的總體方案

現代智能家居系統的核心是實現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）連接網絡服務器，在手機軟件中輸入的操作指令會先發送至服務器，并由服務器經過家庭上網設備發送至無線網關中.無線網關在接收到用戶發來的指令后，通過ZigBee網絡轉發至智能開關，最后由智能開關完成對家電的開關控制.系統總體框圖如圖1所示.

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

圖1 系統設計總體結構框圖

2 智能開關系統的硬件設計

該系統的硬件設計由4部分組成：

1）電源管理電路：為整個系統提供合適的電源；

2）主控制器最小系統：系統的控制核心，負責數據處理、射頻收發等功能；

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定性，在模塊輸入端并聯了壓敏電阻，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（a）AC 220 V轉D

本系統主控制器選用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方案.芯片內部嵌入8051內核，并集成了ZigBee射頻收發系統，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 射頻收發電路

圖4 觸摸檢測電路

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

觸摸區域上方覆蓋一層導光板，它將電極與人手隔離.6個發光二極管兩兩一組，分布在導光板下方，能使面板呈現不同顏色便于用戶分辨開關狀態，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行機構.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，使用三極管驅動繼電器的吸合與關閉.并聯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 智能開關系統軟件設計

智能開關系統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家用開關.與傳統開關不同的是，采用電子觸摸開關代替傳統機械開關，且每次開關動作后，都要及時上報開關狀態，保證和服務器的數據同步，避免出現錯亂.

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

3.1 ZigBee的網絡架構

ZigBee是為低數據速率、短距離無線網絡通信定義的一系列通信協議標準.ZigBee技術具有強大的組網能力，可以組成星型、樹型和網狀網，可以根據實際項目需要來選擇合適的網絡結構.通過編程可將Zig-Bee設置為Coordinator（協調器）、Router（路由器）和End Device（終端）節點：協調器負責組建ZigBee網絡，網絡組建完成后協調器具有和路由器相同的功能；路由器的功能主要是協助其他設備加入網絡，作為數據跳轉、協助終端設備通訊，路由器亦可以作為終端設備使用；終端設備加入ZigBee網絡后主要作為執行機構，是網絡的一個子節點.根據本系統的實際需要，用協調器作為網關設備，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，網絡架構如圖6所示.

圖6 ZigBee星型網絡架構

3.2 ZigBee的軟件執行機制

TI公司提供了用于執行ZigBee協議的Z-Stack協議棧，該協議棧是運行在OSAL（操作系統抽象層）上的程序代碼，因此本設計所有的軟件實現都是基于OSAL的應用層編程.OSAL可簡單理解為一個小型的操作系統，它是基于輪詢機制的一個非實時性操作系統.其工作原理是：當有一個事件發生時，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用相應的事件處理程序進行處理.執行流程見圖7.

圖7 OSAL的執行流程

3.3 智能開關系統應用層軟件

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

圖8 應用層軟件架構流程圖

3.3.1 本地控制

本地控制程序實現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，從而控制用電設備的通斷.這一過程執行后，智能開關上報當前用電設備的狀態至服務器，保持和服務器的數據同步.

3.3.2 遠程控制

遠程控制程序實現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.所有這些操作都在上行協議和下行協議的框架內進行，通信協議的制定最大程度地保證了通信數據的穩定性與可靠性，同時也增加了數據存儲的便利性.

3.4 通信協議制定與分析

通信協議分為上行協議和下行協議，具體操作就是將數據按照一定的格式封裝成數據包，ZigBee在通信過程中主要包括上行消息數據包、下行消息數據包.

3.4.1 上行消息數據包

上行數據包用于上報當前的開關狀態或者智能開關設備的其他信息，數據包格式見表1.

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

表1 上行數據包格式

表2 數據字節含義

FSC為校驗字節，其含義為數據包所有字節的異或和，用于檢測數據包的正確性，避免由外界干擾等因素導致數據傳輸的錯亂.

3.4.2 下行消息數據包

下行數據包格式如表3所示.

下行數據包格式與上行數據包格式基

本一致，只是改變了數據包幀頭，用以區分.

表3 下行數據包格式

4 系統調試與分析

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進行調試.主要是驗證和網關之間的通信功能.具體實施：將智能開關設備配置為ZigBee終端設備，將另一ZigBee設備配置為協調器.協調器串口連接計算機，用以模擬網關設備.在計算機上通過上位機監測數據傳輸效果.

4.1 系統底層調試

首先測定終端設備（智能開關）與協調器之間的通信是否已經建立.在調試時采用上位機模擬網關發送指令，按照通信格式輸入數據包：0xFE，0x01，0xFF，0xFF，0x02，0x00.數據包發送后，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，數據傳輸正常.

圖9 ZigBee網絡通訊測試

4.2 系統應用層調試

為方便觀察實驗現象，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.之后通過上位機發送指令控制LED的狀態：在計算機上位機中輸入“打開”指令數據包使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.經過多次操作，以及長期供電測試，該智能開關系統的靜態功耗≤0.3 W，且工作穩定可靠，滿足工業產品設計指標.

5 總結

本設計從智能開關系統的軟、硬件設計出發，給出了具體的設計方案，并結合實物調試，模擬了小型智能家居系統的控制流程，具有實際的商業價值.該智能開關系統不僅繼承了用戶對傳統開關的使用習慣，又結合了現代的物聯網技術，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“智能網絡生鮮自提柜控制系統研究”（BY2015043）

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