智能家居控制系统的研究与设计
【】近年来，由于无线接入技术具有全面普适的特性，这就使得无线通信和无线网络的应用深入到了人类日常生活的方方面面，不仅仅包括高端服务业，还在工业、农业、手工业，甚至是业余爱好者中都有一定的实际应用，可以说，智能引领而改变生活，而推动这一改变的重要例子正是无线网络和无线通信，例如智能导航、GPS定位、伺服系统等。中国大力推广的物联网，也主要依托于ZigBee无线通信技术，由于其具备简单低功耗的优势，在数字化物流、智能仓库、工业智能化等方面具有得心应手的应用，而物联网也掀起了第三产业新的发展浪潮。本文探讨了现在智能家居产品的发展现状，研究当中的网络通信类别和特点，综合分析得出ZigBee无线通讯技术更符合本文对智能家居控制系统的内部要求，通过对ZigBee无线网络通信技术了解，从搭建ZigBee开发平台到智能家居系统整体的硬件设计到系统完成了该智能家居的软件部分分析，并对ZigBee的各网络层协议，以及其自身的特点进行了深入的研讨研究，最终完成实物中以ZigBee为中心的网络智能家居，实现了远程对智能家居的温湿度控制与监测，远程控制LED灯的开关，监测家中是否有人，对现代化的家庭安全提供了重要的保障。
目 录
引言 1
（一）课题研究的背景 1
（二）国内外智能家居的发展现状 1
一、ZigBee技术 2
（一）ZigBee和IEEE 802.15.4 的关系 2
（二）ZigBee技术的综合评估简介 2
（三）ZigBee 的无线网络传输通信 3
（四）ZigBee的无线网络基本拓扑模型 4
二、开发平台的构建 5
（一）实验设备 5
（二）IAR 集成软件开发环境介绍 5
（三）IAR新建工程与工程设置 5
三、智能家居系统硬件设计 12
（一）ZigBee的常用芯片选择 12
（二）核心功能模块 16
（三）串口通信接口 17
（四）状态输出显示电路 17
（五）传感器电路设计 18
（六）供电电源电路设计 18
四、智能家居系统软件设计 19
（一）系统主程序设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
19
（二）温湿度采集子程序设计 22
（三）红外收发子程序设计 22
五、系统硬件测试与实验过程 24
（一）硬件电路综合调试 24
（二）智能家居网络通信 24
（三）温湿度调试 27
（四）控制终端测试 27
（五）系统整体调试 28
结束语 30
致 谢 33
附录一 原理图 34
附录二 PCB图 36
附录三 元器件清单 37
附录四 ZigBee源程序 38
引言
（一）课题研究的背景
智能化的社会必然是能够为人类带来高效快捷的社会，具体到生活中，可以是体现在远程遥控家中家电上，在未到家之前，可以用APP远程打开家中的空气净化器和中央空调，智能调节房间内的温度和湿度;预热淋浴水，不必等待加热水所需要的时间;远程启动电压力锅或做菜机器人，在回到家的一刻，便能够享受一顿菜肴;在室内活动时，还可以通过智能定时或手动调节，让室内的灯光保持在节能、照明、熄灭等状态，也可以通过机器的内置芯片，根据芯片对机器状况的评估结果，对机器采取报废处理、零件更换、定期保养等行为。综合来看，智能化的生活方式是要以独立于人体外的运算体能够辅助人类智能处理一些繁琐必要的行为为基本要求，而这也是智能家居(Smart Home)的服务理念，具体来看，智能家居要求将一个家庭系统里的所有有必要的家电设备使用无线通讯系统、智能控制系统等进行连接，从而可以借数据处理终端，对统一网络内的设备进行远程遥控管理。智能家居系统与普通的家居系统最大的不同是智能家居系统更符合现代社会要求，体现高效、快捷、环保等特点，还可以将因人为不确定因素而产生的负面影响，例如设备的不正当人为磨损、热能扩散流失、食物不正当烹饪而产生的营养流失或食物中毒等尽可能减少，使居住者每日营养摄取量、设备的综合情况、设备能耗等得到智能化的控制。科技改变而引领生活，科技的进步正一点一滴的改变着人类的日常生活，智能化的生活方式正以着其高效的跨时代特性，区别于传统家居方式，而以目前的科技水平来看，智能家居的大范围的普及只是时间上的问题。
（二）国内外智能家居的发展现状
严格意义上的第一栋智能建筑系统出现在1984年美国康涅迪格州，而这也仅仅是一种改造系统。改造过程是先将建筑内的电梯系统、空调系统、照明系统等设备在同一网络下连接，之后使用中央处理器对各个系统所必要承担的预定行为进行智能运算，随之对各个设备进行遥控管理，此外，该网络还支持邮件互传、信息共享等服务。在该领域相继发展的国家还有德、日、新加坡等，截止到目前，在智能家居领域，这些国家仍旧是具有较高的普及率。由于各国在智能家居领域的发展各有特色，这也就使得我国在借鉴引入的过程中，存在很多的技术或地域限制，我国因而无法完全的照搬国外的现成家居系统，现在智能家居系统主要从娱乐中心、家电设备智能管理、室内安防等多方面表达产品的理念。智能家居依托于物联网系统而存在，是新一代信息技术走近人类生活的一次重大应用，作为一个跨时代的信息科技应用理念，其以着其理想般的生活展示着高精尖科学技术的魅力。我国在2000年就指出了智能的小区是日后居住小区的发展趋势，可以作为日后科技发展的指导性方向，但相较于国外，我国仍旧是落后数十年，如今我国具有一定实力的家电企业中，创维、科龙、海尔、海信、TCL等基本都向着智能家居领域迈进，也都相继推出具有各自特色的智慧型家居产品，例如，清华同方的“e．home数字家园”系统在联动家庭设备，并进行统协管理上，已然具有一定程度的实际应用，而这也就使得该公司在这个行业拥有一定的发展经验。综上所述，国内智能家居在以后的发展会越来越好。
一、ZigBee技术
（一）ZigBee和IEEE 802.15.4 的关系
1.IEEE 802.15.4 标准的优点
（1）低功耗，消耗电量极低，可长时间连续性使用；
（2）低价格，价格较低，结构简单，成本费较低；
（3）低数据传输率，数据传输率相比WiFi蓝牙较低，但足够用于数据传输。
2.IEEE 802.15.4 标准制定小组的任务
（1）物理层：主要负责数据的解析发送和接收解调，介质的选择，信道的选择；
（2）MAC 层：主要负责产生网络的信标和支持设备使用的安全性等。
3.ZigBee 网络协议的规范
ZigBee网络协议建立在IEEE802.15.4的根底上，IEEE802.15.4国家范例只是规范的要求了物理层和Mac层，而ZigBee的网络协议里还额外要求了API接口和网络层，而且树立安全层，保护数据传输的安全性层，如图1。
/
图1 ZigBee网络协议
（二）ZigBee技术的综合评估简介
1.ZigBee的特点
（1）技术优势
① 低功耗，ZigBee芯片结构优化程度强，使用两节五号电池就可以续航使用高达六个月；
② 低成本，功率低结构简单，无论使用还是制造，成本都比较低；
目 录
引言 1
（一）课题研究的背景 1
（二）国内外智能家居的发展现状 1
一、ZigBee技术 2
（一）ZigBee和IEEE 802.15.4 的关系 2
（二）ZigBee技术的综合评估简介 2
（三）ZigBee 的无线网络传输通信 3
（四）ZigBee的无线网络基本拓扑模型 4
二、开发平台的构建 5
（一）实验设备 5
（二）IAR 集成软件开发环境介绍 5
（三）IAR新建工程与工程设置 5
三、智能家居系统硬件设计 12
（一）ZigBee的常用芯片选择 12
（二）核心功能模块 16
（三）串口通信接口 17
（四）状态输出显示电路 17
（五）传感器电路设计 18
（六）供电电源电路设计 18
四、智能家居系统软件设计 19
（一）系统主程序设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
19
（二）温湿度采集子程序设计 22
（三）红外收发子程序设计 22
五、系统硬件测试与实验过程 24
（一）硬件电路综合调试 24
（二）智能家居网络通信 24
（三）温湿度调试 27
（四）控制终端测试 27
（五）系统整体调试 28
结束语 30
致 谢 33
附录一 原理图 34
附录二 PCB图 36
附录三 元器件清单 37
附录四 ZigBee源程序 38
引言
（一）课题研究的背景
智能化的社会必然是能够为人类带来高效快捷的社会，具体到生活中，可以是体现在远程遥控家中家电上，在未到家之前，可以用APP远程打开家中的空气净化器和中央空调，智能调节房间内的温度和湿度;预热淋浴水，不必等待加热水所需要的时间;远程启动电压力锅或做菜机器人，在回到家的一刻，便能够享受一顿菜肴;在室内活动时，还可以通过智能定时或手动调节，让室内的灯光保持在节能、照明、熄灭等状态，也可以通过机器的内置芯片，根据芯片对机器状况的评估结果，对机器采取报废处理、零件更换、定期保养等行为。综合来看，智能化的生活方式是要以独立于人体外的运算体能够辅助人类智能处理一些繁琐必要的行为为基本要求，而这也是智能家居(Smart Home)的服务理念，具体来看，智能家居要求将一个家庭系统里的所有有必要的家电设备使用无线通讯系统、智能控制系统等进行连接，从而可以借数据处理终端，对统一网络内的设备进行远程遥控管理。智能家居系统与普通的家居系统最大的不同是智能家居系统更符合现代社会要求，体现高效、快捷、环保等特点，还可以将因人为不确定因素而产生的负面影响，例如设备的不正当人为磨损、热能扩散流失、食物不正当烹饪而产生的营养流失或食物中毒等尽可能减少，使居住者每日营养摄取量、设备的综合情况、设备能耗等得到智能化的控制。科技改变而引领生活，科技的进步正一点一滴的改变着人类的日常生活，智能化的生活方式正以着其高效的跨时代特性，区别于传统家居方式，而以目前的科技水平来看，智能家居的大范围的普及只是时间上的问题。
（二）国内外智能家居的发展现状
严格意义上的第一栋智能建筑系统出现在1984年美国康涅迪格州，而这也仅仅是一种改造系统。改造过程是先将建筑内的电梯系统、空调系统、照明系统等设备在同一网络下连接，之后使用中央处理器对各个系统所必要承担的预定行为进行智能运算，随之对各个设备进行遥控管理，此外，该网络还支持邮件互传、信息共享等服务。在该领域相继发展的国家还有德、日、新加坡等，截止到目前，在智能家居领域，这些国家仍旧是具有较高的普及率。由于各国在智能家居领域的发展各有特色，这也就使得我国在借鉴引入的过程中，存在很多的技术或地域限制，我国因而无法完全的照搬国外的现成家居系统，现在智能家居系统主要从娱乐中心、家电设备智能管理、室内安防等多方面表达产品的理念。智能家居依托于物联网系统而存在，是新一代信息技术走近人类生活的一次重大应用，作为一个跨时代的信息科技应用理念，其以着其理想般的生活展示着高精尖科学技术的魅力。我国在2000年就指出了智能的小区是日后居住小区的发展趋势，可以作为日后科技发展的指导性方向，但相较于国外，我国仍旧是落后数十年，如今我国具有一定实力的家电企业中，创维、科龙、海尔、海信、TCL等基本都向着智能家居领域迈进，也都相继推出具有各自特色的智慧型家居产品，例如，清华同方的“e．home数字家园”系统在联动家庭设备，并进行统协管理上，已然具有一定程度的实际应用，而这也就使得该公司在这个行业拥有一定的发展经验。综上所述，国内智能家居在以后的发展会越来越好。
一、ZigBee技术
（一）ZigBee和IEEE 802.15.4 的关系
1.IEEE 802.15.4 标准的优点
（1）低功耗，消耗电量极低，可长时间连续性使用；
（2）低价格，价格较低，结构简单，成本费较低；
（3）低数据传输率，数据传输率相比WiFi蓝牙较低，但足够用于数据传输。
2.IEEE 802.15.4 标准制定小组的任务
（1）物理层：主要负责数据的解析发送和接收解调，介质的选择，信道的选择；
（2）MAC 层：主要负责产生网络的信标和支持设备使用的安全性等。
3.ZigBee 网络协议的规范
ZigBee网络协议建立在IEEE802.15.4的根底上，IEEE802.15.4国家范例只是规范的要求了物理层和Mac层，而ZigBee的网络协议里还额外要求了API接口和网络层，而且树立安全层，保护数据传输的安全性层，如图1。
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图1 ZigBee网络协议
（二）ZigBee技术的综合评估简介
1.ZigBee的特点
（1）技术优势
① 低功耗，ZigBee芯片结构优化程度强，使用两节五号电池就可以续航使用高达六个月；
② 低成本，功率低结构简单，无论使用还是制造，成本都比较低；
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