常熟理工学院毕业设计（论文）
插口，用户只要点击手机上的图标即可打开或关闭相应插口。
除了利用WIFI通信外，应用于智能家居的通信方案还有红外通信、Zigbee通信等。其中Zigbee技术可以在家庭中建立一个Zigbee局域网，并对覆盖于该局域网下的若干智能家居子节点进行互联。Zigbee技术与WIFI技术相比，虽然通信距离短、通信速率没有互联网通信快，但由于其应用于室内控制，对通信距离和通信速率的要求较低，基本能满足家庭通信需要，并且其优点被进一步放大：设备成本低，使用期间无额外通信费用产生；功耗低，一节干电池可以维持一个Zigbee模块正常运行半年到一年，克服了大多数通信设备对不间断电源的依赖性。
1.3 智能开关概述
与上述提及的智能插座、智能插线板相比，智能开关在智能家居中使用得更加普遍。家庭中控制照明设备的开关从最初的拉线开关、拇指开关，发展到如今常见的按键开关，在安全性、可靠性、便利性上都得到了更大提升。目前市场上的智能开关除了有触摸开关、射频控制开关，还有免布线开关、单火线给电开关等，这类智能设备正向易安装和人性化方面继续发展。
1.射频控制开关
射频控制开关利用射频通信原理，可通过射频遥控器对家中的开关进行单独控制或群控制，起到了一定便利性。该设备的缺点在于射频信号通信距离较短，当有障碍物遮挡时，遥控灵敏度会降低。
2.触摸开关
触摸开关利用触摸传感器控制开关动作，在安全性和美观性上都胜于按键开关。一方面，在外观上其略去了传统的机械开关结构，开关面板仅包含一个触摸感应区域，造型更为一体。另一方面，由于没有机械开关的间隙，该类开关能安全应用于浴室、厨房等环境。该类开关的缺陷在于触摸电路的供电复杂，须对家庭原先电气线路进行改造。
3.免布线开关
免布线开关包含一个无需外部供电的移动开关和一个220V供电的控制器，当用户操作开关面板时，该移动开关能将环境中的机械能、光能转化为电能，然后利用无线通信技术将触摸信号发送给控制器，最终控制器会对相应照明设备进行通电断电操作。该类开关的优势在于降低了装修成本，免去家庭装修前期的一些开关布线工程；在安置开关时，用户可以个性化选择开关位置，无需对家庭中的照明线路进行改造；控制器可以配置成单个
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开关控制多路照明设备，或多路开关控制同一照明设备，在卧室床头灯开关应用上使用广泛。与射频控制开关相比，该类开关遥控距离更远，当有障碍物遮挡时信号稳定。
4.单火线给电开关
单火线给电开关是替代传统面板开关的成熟解决方案。传统开关在进行线路设计时，往往只引出了火线，然后再将各用电设备连接至零线上，因此家庭中原先开关盒的引线仅包含了火线输入口和火线输出口。该单火线给电开关利用火线即可完成取电工作，优势在于无需对家庭线路进行改造、无需控制器即可控制家中的照明设备，安装过程更加便利。在解决供电问题后，该设备还可加入远程控制功能，进一步提升开关的智能性。
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2.系统方案设计
智能家居系统的核心是建立用户与节点间的双向通信关系。本文提出的智能家居通信策略与小米插座所使用的不同，在该系统方案中，承担通信任务的设备包括手机、服务器、网关和若干节点设备，各设备之间的关联如图2-1所示。手机与服务器、服务器与网关间的通信在互联网中进行，网关与若干节点的通信在Zigbee网络中进行，在该通信网络下，用户可以通过手机进行远程控制或在家中进行本地控制。
互联网手机1手机2. . . . . . 服务器网关1网关2智能窗帘智能开关. . . . . . . . . . 家庭2. . . . . . 家庭1
图2-1 智能家居系统框图
2.1 课题设计目标
本文研究的核心内容选取自智能家居系统中的一个重要单元——智能开关节点。该节点为了满足用户的日常需求，不仅在功能上需要具备本地控制和远程控制功能，在使用过程中还需要考虑人性化因素。总结上述需求，该智能开关节点的设计目标包括：
1. 对于本地控制，用户可以通过实体开关在家中对电气设备进行控制，此时手机上
可同时接收到开关状态更新的消息。
2. 对于远程控制，用户可以通过手机软件对家中的电气设备进行控制，同时能够监
测家中电气设备的状态。
3. 为方便用户安装使用，该节点在首次启动时，网关能与节点自动配对，断电重启
后能自动重连。
4. 为保证通信质量，系统能自动检测网关与开关设备间的连接状态，并能上报连接
失败的消息。
5. 为了增强该智能开关设备的兼容性，在对电路元器件进行选型时应考虑提升其带
负载能力。
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2.2 课题设计方案
对于本地控制功能的解决方案，直接对开关节点设备进行编程即可实现。对于远程控制功能的解决方案，则需要上述系统框图中提及的各设备相互配合才能实现。
首先，用户使用手机连接互联网，在手机软件中输入的操作指令会先发送至服务器，再由服务器发送至特定家庭的网关中，最终与家庭中的各节点进行Zigbee通信。其中网关主要在互联网通信和Zigbee通信之间起转发作用，在家庭网关接收到用户发来的指令后，网关会和家庭中的Zigbee设备进行通信并实现相应的用户指令，如智能开启家中的电气设备。
其余设计目标可通过编写代码解决。在软件程序设计方面，该智能开关节点使用TI公司推出的Z-stack协议栈进行编程。该节点所有功能的实现，是依靠通信中数据包的正确收发以及单片机对数据包的正确分析。开关的控制信号和开关状态都包含在相应数据包中，当接收到完整数据后，程序会根据通信协议分析该数据包的含义，最终做出相应的处理。在该数据包中，一个字节的数据就可控制8个照明设备，且发送数据包的长度无限制，因此该智能开关节点具有灵活的可扩展性。
为了满足上述设计方案的实现，在硬件电路设计方面，该智能开关节点包含一个电源转换电路模块，用于各个元器件的供电；一个主控制器最小单元CC2530，用于建立Zigbee网络和执行相应的程序操作；此外还包括三路触摸开关，分别控制三路家用电气设备，其硬件框图如图2-2所示。
触摸检测电路CC2530最小系统继电器控制电路负载 图2-2 智能开关节点硬件电路框图
在触摸检测电路中，触摸开关采用电容式开关设计，并使用专门的触摸开关检测芯片检测触摸开关的状态；智能开关的执行机构是继电器，其开关触点端与电气设备串联接入220V市电中；继电器的电磁线圈端与一个三极管串联接入5V直流电，其基极与CC2530单片机控制引脚相连。为了获得更好的用户体验，在进行开关操作时触摸面板会有彩色灯光提醒：当进行开启动作时，触摸开关会由绿色变成红色；当进行断开动作时，触摸开关由红色变为绿色。
在满足基本功能实现的基础上，在实际使用中还要求智能开关系统设计简洁，功耗小。
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该课题选用的CC2530芯片，自带Zigbee通信功能且体积小，无论在技术上还是功耗上，都能够满足智能家居的配置要求，因而成为智能家居控制单元的首选。
除了对节点的基本功能进行软件设计，在进行程序编写前还需进行其他配置，如选择网络拓扑结构、Zigbee通信方式等。在Zigbee网络拓扑结构的选取上，该课题为了更方便地添加其他开关设备，最终选用网型拓扑结构。考虑到家庭中有众多待检测和待控制的设备，该课题的通信方式既包括点对点通信，又包括广播通信。当网关对所有节点设备发送操作指令时，采用广播通信方式；当节点向网关上报设备信息时，采用点播通信方式。
2.3 Zigbee网络概述
智能家居系统的本质是一个多节点网络，对于节点设备的控制主要通过Zigbee模块之间的通信实现。根据不同Zigbee设备在网络中所扮演的角色划分，包括协调器、路由器和设备终端。
(1)协调器。一个Zigbee网络需要协调器来建立，在系统启动初始，协调器主要负责建立和配置网络。在网络建立后，协调器与路由器的作用相同。
(2)路由器。路由器是信息传递的枢纽，其既能接收周围节点上报的信息，也能发送控制信息控制周围节点。
(3)设备终端。设备终端作为整个网络的末端，不能再延伸出节点，对整个网络的建立和维护没有贡献，且本身只做接收信号功能，无法上报信息。终端不需要持续供电，在系统设计时可在需要它时与它通信，在其余时间终端可以处在休眠状态，能很好地延长使用寿命。
在该智能家居系统中，网关用于建立Zigbee网络，其作为协调器使用。由于该智能开关节点在方案设计中已指出需要双向通信功能，因此为需要将开关节点作为路由器使用，根据以上分析，该系统不涉及到设备终端。
2.4 论文章节安排
1. 绪论。主要介绍了智能家居的背景、研究现状，并对目前智能开关中衍生出的基
本种类进行简要概述。
2. 系统方案设计。主要介绍了智能开关节点的设计目标和设计方案，并简要介绍了
Zigbee网络的基本组成。
3. 硬件电路设计。主要介绍了CC2530最小系统和智能开关电路的设计，并对芯片
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