基于ZigBee的智能窗帘控制系统

时间：2020-09-18 13:47:29 来源：东东创业网 本文已影响人

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摘 要 由于我国经济水平不断突飞猛进，人们的物质生活也得到了极大的提升，并且在科技告高速发达的今天，人们也越来越依赖于科技，并且将这种科技的便捷植入到家庭窗帘当中。在最近几年，智能窗帘从之前的口号已经实打实进入到人们的实际生活中，基于各种技术开发的窗帘控制系统越越来越多。本文就设计了一套基于ZigBee系统开发的智能窗帘控制系统。这套系统通过使用ZigBee技术进行开发设计，ZigBee技术的具有低成本、距离短以及功耗低等特点，十分适合于1000平方米以下的智能化窗帘系统使用。本文创新点在于本文设计的这套智能窗帘控制系统具有自动监督、调节、警报的功能，非常贴近于实际生活需求，同时也在使用中非常可靠和便捷，是一套理想的智能窗帘解决办法，在实际应用中和扩展性具有很好的应用前景。

关键词 ZigBee，智能窗帘，系统设计 Abstact As China＇s economic level continues to advance by leaps and bounds,with the rapid development of science and technology, people are increasingly relying on science and technology and implanting the convenience of this technology into family curtains.In recent years, smart curtain from the previous slogan has been real into the actual life of people, based on a variety of technology developed curtain control system more and more.This paper designs a set of intelligent curtain control system based on ZigBee system.This system is developed and designed by using ZigBee technology. ZigBee technology has the characteristics of low cost, short distance and low power consumption, and is very suitable for the intelligent curtain system below 1000 square meters.The innovation of this paper is that the intelligent curtain control system designed in this paper has the functions of automatic supervision, adjustment and alarm, which is very close to the needs of real life. At the same time, it is very reliable and convenient in use. It is an ideal solution for intelligent curtain, and has a good application prospect in practical application and expansion. Key words ZigBee, intelligent curtain, system design 目录 第一章 绪论 7 （一）研究意义 7 （二）研究目的意义 7 第二章 设计关键技术 8 （一）物联网网络模块 8 （二）协议转换模块 10 （三）通信模块技术 11 第三章 系统需求分析 13 (一) 系统功能需求分析 14 （二）性能需求分析 14 （三）用户界面及其他需求分析 14 第四章 系统总体架构设计 15 第五章 系统硬件平台设计 17 （一）系统主控制器 17 (二) ZigBee通信模块 18 （三） 设计电路 19 （四） 室内环境检测模块 19 （五）家电控制器模块 19 第六章 系统软件设计实现 20 （一）嵌入式家庭网络的实现 20 (二）ZigBee无线通信网络的实现 21 （三）温度控制模块软件设计 21 第七章 结束语 23 参考文献 24 第一章 绪论 （一）研究意义 在信息时代的今天，计算机技术和网络技术的日新月异，各种新技术、新理论每天都有新的发展。寻常百姓也在这种技术“红利”下享受到了前所未有的便捷和舒适，并且这种技术在窗帘应用领域中也越来越成熟。在最近今年，基于无数开发技术的智能化窗帘系统也受到了人们的关注和欢迎。

“智能窗帘”简单来说就是智能化的窗帘生活，通过这种系统，人们可以摆脱通过各种遥控器、按钮来操作家里各种家电的生活习惯，从以往被动式手动对家电属输入各种命令的环境中摆脱出来，而是可以通过手机或电脑就可以轻易设定整个窗帘的环境，从而让窗帘生活更加智能化和简单化。人们甚至可以不必在家里就可以远程设定各种设定从而满足人们的需求，比如设定定时热水器启动、监控摄像头的监控范围、扫地机器人的工作程序等。这些操作在之前的生活中都是不可想象的。

此外，由于物联网技术和智能窗帘理论、技术的不断成熟和完善，基于物联网的智能窗帘系统也是目前非常人们的智能窗帘解决方案之一。本文就通过利用Zigbee来实现基于物联网的智能窗帘系统的开发，从而来实现曾经人们难以企求的理想化窗帘生活。

（二）研究目的意义 利用敏感度较高的光敏电阻感应室内光照强度，利用人体感应模块监测人体变化，同时在系统中引入嵌入式技术和ZigBee技术对 窗帘进行控制，改变了传统的人为控制方式，更加智能、方便，有利于简化我们的生活，让我们感受到科技的魅力。

窗帘的智能控制能有效控制居住环境的潮湿度以及对人规律的生活习惯极为有利，还能减少个人隐私泄露的风险。利用智能系统调控窗帘可以在我们的日常生活当中融入更多的科技元素，提高我们的生活质量。监测装置能够实时采集数据制定更为合理的光线计划，避免光照不科学对用户健康造成影响。除此之外，利用智能系统控制还可以控制室内潮湿度，还可以有效地降低用户隐私泄露几率。

第二章 设计关键技术 （一）物联网网络模块 在智能窗帘系统中，网络部分是连接各个家电的枢纽，由于我国大部分家庭的居住面积都在200平米以下，通过短距离的无线技术即可实现。因此，在智能窗帘系统中，利用无线通讯技术，将窗帘可以用到的各种家电设备、监控设备以及安防设备进行相连，从而就构成一整套的家庭信息采集和控制的网络环境。这套环境可以将家里的厨电、客厅电器、卫生电器、插座、监控装置等进行相连，通过利用无线短距离技术连接，并且并不需要对室内环境进行改造，仅仅是通过调制网络设备即可完成，所以安装调试简单。此外，还可以对未来可能引用的家电进行扩展，所以也有很高的扩展性。通过这套窗帘网络即可实现对整个室内环境的控制和管理。

智能窗帘环境的核心就是利用了短距离无线通信技术得以实现家庭智能化升级，甚至让传统的家电变得 “有生命力”，从而告别了繁琐的逐一指挥控制家电的生活。

目前市场上应用比较广泛的无线通信技术包括了蓝牙、红外技术、WIFI技术、超宽频技术和ZigBee技术。本文就对这些技术进行逐一讲解。

首先是蓝牙技术，这种技术已经非常成熟，每个智能手机都具有蓝牙技术，应用也比较简单，而且使用时并不需要对频段进行申请，而且蓝牙模块得成本也相对便宜，并且体积非常小巧。但是缺点是网络容量小，在智能窗帘中，就面临扩展性困难，同时，安全性也不高，容易被外界所破解，一旦被破解，主人就会失去对整个家的家电的控制权。

红外技术也是一种非常成熟的技术，它是基于点对点的技术。优点是搭建智能环境的成本便宜，并且功耗低。但是缺点是智能点对点，不能点对面。因此从理论上就无法实现智能化窗帘系统的实现。

WIFI技术是通过宽带网络实现的技术，这项技术已经普及到每个家庭中。优点是搭建几乎零成本，通过现有的网络环境可以很简单组成智能化窗帘系统。但是缺点是安全性相对较差，同蓝牙一样，一旦被外界破解，所有窗帘电器就全部丧失控制权，而且WIFI的稳定性要差，对于隔墙的环境中，控制性对不稳定。

UWB也就是超宽频技术，这种技术国内大众用得相对较少，它的特点是速度非常快，并且组网非常快，且稳定性好。但是这项技术还没有在智能窗帘环境中得到有效应用，所以目前也没太好的解决方案。

ZigBee是一种双向无线通信技术，它具有容量大、低功耗、易操作、成本低等特点。理论上可以同时管理控制255个终端，并且稳定性和安全性相对较好。因此非常适合应用在小范围内（300平米以下）的智能化窗帘系统中。

（二）协议转换模块 由于智能窗帘系统中，通常是24小时不间断工作，因此系统中的协议转换模块就必须要长期工作，所以就要求智能化窗帘系统在使用中要具备低功耗的特点，同时对稳定性也有很强的要求。也就是说，低功耗、稳定性强是智能化窗帘系统的基本条件，因此为了达到这一设计要求，整套系统就需要有协议转换模块，利用嵌入式处理器、内存等物理设备以及嵌入式程序来保证模块和整套设备能够正常运行。

嵌入式系统的作用是利用计算机和应用对象相结合的系统。该系统基于计算机硬件、软件为基础，实现对于应用对象的控制管理的系统。嵌入式系统包括了计算机系统、嵌入式模块以及应用设备。只有嵌入式系统相对优良，才能更好的利用计算机来管理和操作各种家具电器等。可以说，嵌入式系统是计算机和各种家电之间的一个窗口。

图1：嵌入技术应用领域 （三）通信模块技术 这篇文章设计的智能窗帘系统主要是利用外网转发服务器实现家庭网关和远程控制端二者之间的通信。通常情况下，家庭内部的IP 地址是由网络运营商利用DHCP 进行分配，外网和家庭网关之间不可以直接进行连接，更无法实现通信。本文设计的系统当中，家庭网关之所以可以通过C/S模式与外网转发服务器取得连接，是因为其通过了TCP/IP 协议；
与此同时，位于以太网另一端的远程客户端同样通过该方式与转发服务器取得连接，致使家庭网关和远程控制客户端二者之间处于通信状态，用户也可以利用远程客户端控制与之连接的相关设备。家庭网关以及远程控制客户端在整个通信环节中扮演着客户端的角色，而转发服务器在该环节中则扮演着服务器端的角色 。

本次设计的智能家具系统，通讯功能是通过外网运营商提供的服务来实现的。由于在普通的家庭中，网络IP地址都是通过网络运营商分配的，这些IP并不能直接连接到家智能窗帘系统并中。所以，在本次设计中，通信模块的设计师利用TCP/IP协议，并且通过C/S模式进行信号传输，然后并连接到外网最后传递到外网服务器上。同时，在外网服务器，远程客户端也是通过相同的传输模式连接到转发服务器，通过这种方式实现远程客户端和家庭智能系统的连接。简单理解就是，智能窗帘系统和远程客户端是常规的客户端，而外网运营商的转发服务器就是服务器端。用户要想实现远程对智能窗帘系统的控制和操作，就需要通过外网运行商的连接中转，最后才能连接到智能窗帘系统中。

C/S模式简单来说可以理解成客户端/服务器端模式，目前开发的软件系统，C/S模式也是常用的开发模式之一，程序理念中，C/S模式的服务器端和客户端的程序是分开运行的，这样能够保证服务器端的符合相对较少，而且C/S模式能够在任何一地的客户端通过网络和服务器端进行连接，而不像B/S模式智能在局域网总使用，所以应用范围有了极大的拓展。

(四） Zigbee技术 Zigbee技术是一种通过无线传输的低速率传输技术。该技术的优点是结构简单、低成本、吞吐数据量大。Zigbee技术根据使用功能分成了两种类型，也就是完全功能的FFD架构以及简化功能的RFD架构。FFD架构可以和任何设备进行通信，并且也可以将自身作为一个传输节点或者一个网络传输设备，从而将RFD架构传输的数据进行中转，从而具备传统路由器的实现功能。RFD架构智能是充当网络的传输节点，并和FFD进行通信，并且将自身获得的网络数据传递到RFD中。

第三章 系统需求分析 本次设计是基于物联网的智能窗帘系统，通过Zigbee技术得以实现。本次设计的系统具备以下特点。

（1）安防功能。这项功能是智能系统对窗帘的安防设备进行管理和控制，并实现对窗帘的安全防范功能，可以随时对窗帘进行检测，一旦发现意外情况，即可自动报警。

（2）舒适度自助调节功能。该功能是智能窗帘对空调设备进行管理和控制，通过实施的监测了解室外和室内的温度和湿度，并且根据需要达到室内自动温度、湿度调节的作用。

（3）调控功能。智能系统通过分析客户的网络或者手机信息发送的各种命令，从而做出的各种反馈行为。

（4）通信/报警功能。如果智能窗帘发生火灾、煤气泄漏等情况，系统即可通过网络或手机像用户发出警报信息。

为了能够实现以上的功能，本次系统通过网络/手机和用户进行通信，并且具有安防检测系统、火警检测系统、室内环境调节系统等。而且本次系统有处理器和内存等计算机设备，因此也具有了信息分析和处理功能，根据实际使用另外可以扩展更多的应用模块。

(一) 系统功能需求分析 （1）在智能手机安装相应的程序就可以控制家电的开关，监测家电工作状况。

（2）住宅门口通常装有4*4键盘，用户只有输入正确密码才可以进入室内。若有不法分子采用非正常手段开门，如撬锁、反复试验密码等，将会触发窗帘系统的报警装置，能够有效地防止不法分子入室盗窃。

（3）室内出现浓烟或者烟雾达到一定密度的时候，将会触发系统开启抽风机将室内烟雾及时排放，必要时还会触发系统的火灾报警装置，能够有效地预防火灾发生，保障人身安全。

（4）若幼年孩童和窗户的距离过近，将会触发系统将窗户关闭，避免出现幼年孩童坠楼事故。

（二）性能需求分析 智能窗帘系统能否在长期运行中处于稳定状态至关重要，系统的容错能力需要不断提高，有利于改善系统性能，提高智能窗帘系统的稳定性、可靠性。

（三）用户界面及其他需求分析 人们在日常生活当中需要使用大量电子设备，所以与系统相连接的设备也在智能窗帘系统当中也扮演着重要角色。为了能够给用户带来更好的使用体验，制作窗帘系统的交互界面时要尽可能与用户使用习惯相贴合，有利于用户迅速适应系统。

第四章 系统总体架构设计 本文设计的系统的要求是低成本、低功耗。由于目前计算机技术和网络技术的飞速发展，各种相关设备的成本有了非常明显的下降，甚至有些设备价格非常低廉。这些相对廉价的硬件设备足够满足本次设计的智能窗帘系统的需要。在实际应用中，本次设计采用的是嵌入式设计，由于这种技术已经非常成熟，在功能应用、性能上都已经非常稳定和成熟，并且相关的可嵌入式设备也非常多，因此就具备了良好的应用基础，并且也使得相关成本有了很好的控制。

本次设计根据Zigbee无线技术、物联网技术以及其他相关技术的要求。Zigbee网络技术是本次设计的主要部分。因此，本文设计的智能窗帘系统主要是通过主控制器、无线传输节点以及通信模块实现。本次系统的总体结构图如图1所示。

PC端 用户终端 基站 智能窗帘 末端采控节点 传感节点 网关 图1：基于物联网的智能窗帘控系统总体结构 实现远程控制，是利用外网网络将用户信息通过终端发送信息到外网进行中转，然后将信息传输到智能窗帘系统，并实现对各种相关窗帘设备的控制和操作。智能窗帘系统的主动报警则是上述过程的逆过程。

在这套智能窗帘系统中，嵌入式处理器和通信组网技术的良好使用起到了关键的作用，从而有效的连接了窗帘各个家电，并且能够通过外网将家中信息实时的传递给用户。

在这套智能化窗帘系统中，所用到的嵌入式设备不仅具有成本低廉、功耗低的特点，而且在使用中稳定性高且能够快速的连接到外网。可以说使用效率得到了明显的提升。同样，Zigbee无线网络传输技术也由于低成本、低功耗、建网快、布局简单等特点，有效的完善和提升了智能窗帘系统的可靠性和安全性，并且由于同一的通信标准，在管理和维护上也非常简单。也正是这些合适的设备，使得整套系统的搭建和应用都比较合理，且扩展性也非常强。

第五章 系统硬件平台设计 本文设计的智能化窗帘系统需要利用主机控制与之连接的家电，通过网络向相关设备发送指令，因此为了实现二者之间的通信，提高信号传输质量，需要在相关的家电当中安装通信模块。从而就使得整个智能窗帘的各个家电、处理器和监控设备能够通过无线网络进行连接并通信，从而构成了本次设计的智能化窗帘系统。在本系统中，是通过外网和用户手机的通信模块进行通信的。用户通过外网中转，从而远程实现和家中智能化系统的连接。

在本次设计中，主要用到的硬件部分包括了主处理器和开发板以及通信硬件模块、外围电路。这些硬件也构成了智能窗帘硬件环境，通过这些硬件提供的各种功能，从而实现智能窗帘系统的稳定运行。

（一）系统主控制器 该设计对处理器进行选择时主要参照STM32F103C8T6处理器方案，利用上述方案选择出的处理器能耗更低、占据空间更小，造价更为低廉。所以，为了保障系统性能，选择MINI2440开发板更适合该设计。

STM32F103C8T6处理器方案的作用是提供了一套完整的通用系统的外设，这样整套系统就不需要再购买额外的外设设备，这样不仅降低了系统构建成本同时也有效的减少了系统设备体积。此外，STM32F103C8T6处理器方案能够处理和分析系统向各个应用家电的各种数据，同时也将各种家电发送的数据进行处理，然后通过网络提交到用户手中。

MINI2440主板是STM32F103C8T6处理器方案的配套主板，该主板性价比极强，该主板具有稳定的内核电源以及复位芯片，这样就保证了整套系统能够24小时不间断稳定工作。此外，MINI2440主板还包括了丰富的接口和外围电路，同时还具有高容量的内存、闪存和内部时钟。可以将大量处理器获得的数据进行存储，此外该主板因为具有丰富的扩展接口，因此使得智能窗帘系统拥有了更多可扩展的硬件基础。而且， MINI2440主板自身还带有LED显示屏，用户借此可以观察硬件工作的情况。可以说，本次智能终端系统的硬件虽然绝对性能不高，但是绝对够用，且具有低成本、高扩展、低功耗的特点，因此非常适合窗帘智能化系统的应用。

(二) ZigBee通信模块 ZigBee通信模块为智能化窗帘无线传输提供了丰富的解决方案，并且ZigBee模块具有高度集成的特点，因此在经济成本上也有了极大的压缩，非常适合低成本、高性能的智能窗帘系统的搭建和应用。

（三） 设计电路 由于本次智能窗帘系统的控制器和通信模块之间的连接必须要用到各种串口，因此在设计电路上就采用了RS-232C的数据传输设计，这种设计也是目前非常成熟的数据传输电路设计，非常适合用来短距离通信设备的连接。

（四） 室内环境检测模块 本次设计系统具有室内温度/湿度检测功能，所以在实现室内环境检测功能时，也必须要用到温度传感器。本次智能系统采用的温度传感器的型号为T9287，这种型号的传感器也是技术非常成熟，且应用领域极为广泛的设备。由于目前智能床干起的技术也在不断进步，也朝着标准化、规范化方向发展，因此也具有了很多总线协议，比如1-Wire、SMBus、12C等。本文这套T9287传感器就采用的是1-Wire总线协议。该传感器特点是电压区间较宽且性能稳定、测温精度高，因此适合不同区域的家庭智能窗帘系统使用。

（五）家电控制器模块 本次设计的系统可以对各种家电进行操控。控制这些家电的设备是通过继电器来完成。本文用到的是固态继电器。在结构上，这种继电器是无触点开关，可以有效实现对各种家电的控制。这种继电器具有可靠性强、开关速度快、使用简单、使用寿命长等特点。

第六章 系统软件设计实现 （一）嵌入式家庭网络的实现 本文设计的窗帘系统引入了嵌入式家庭网络，也是该系统的一大创新点。利用嵌入式家庭网络可以使系统的内部网络、外部网络以及手机之间处于通信状态。首先，系统引入的嵌入式家庭网络需要通过TCP/IP协议，同时也需要支持WEB服务，满足上述条件，用户对智能窗帘系统进行访问时，通过外网就可以实现。除此之外，引入嵌入式家庭网络还可以实现外网与内网二者之间的地址转换，丰富了系统功能。要想在系统中引入嵌入式家庭网络首先需要搭建嵌入式系统平台，之后再建立WEB服务器，完成上述操作之后将嵌入式应用数据库移入其中。选择合适的嵌入式系统需要参考主机型号以及系统型号，有利于无线网络更好地应用其中。首先，在计算机当中引入Linux系统安装以太网卡，通过该系统也可以对主机的IP地址进行设计。完成上述工作之后，可以开始搭建嵌入式WEB服务器。通过该服务器能够对客户端发出的服务请求进行实时监听，同时分析用户发出请求的类别，回复相应的动态页面。发展至今天，实现动态页面方法已经拓展至多种，应用较为广泛的技术由CGI技术、ASP技术以及PHP技术等，均能够满足系统需求。经过试验，CGI和Linux的匹配度更高，在该环境下更为适用，所以此处采用CGI技术。完成上述操作之后就可以引入嵌入式数据库，通常情况下数据库都会和操作系统以及相关程序存放在同一位置，该类型数据库不需要额外配置数据引擎，利用相关程序就可以进行调用其中的数据。相较于普通数据库，该类型数据库最大的特点就是采用了引擎响应模式。

经过分析，SQLited嵌入式数据库更适用于该设计，该类型数据库规模相对较小，可以独立进行操作，灵活度较高，不需要进行额外配置就可以嵌入使用，和本文设计的小型化智能窗帘系统具有较高的匹配度。

(二）ZigBee无线通信网络的实现 和传统的无线网络技术一样，本次用到的ZigBee无线网络技术在构建智能窗帘系统中也需要用到协调器节点和路由节点。通过ZigBee无线技术来构建本次无线网络的流程为：
首先，先确定一个节点为整个智能系统的主控制器节点，也就是协调器。该节点自动会进行信息草庙，并且在2400MHz到2483MHz总共16个通道中选择一个最合适，通常为传输率最快的通道。当协调器向主机发送请求并创建PAN网络，同时，协调器也会创建网络邻接标，作用是存储本网络中其他路由节点的相关数据信息。

其次，当建立好的网络协调器就会对其进行监听。如果发现其他路由器发送的请求时，协调器就会根据路由器提供的信息进行审核，从而决定是否允许该节点可以加入本网络。当节点加入网络后，协调器就会为其分配一个16位PAN网络地址，从而作为唯一身份识别标志，并将该网络节点信息添加到网络邻接表。其他节点的请求、通过流程也以此类推。通过这样的方式，协调器就将家庭中各个家电节点都添加进去。

最后，协调器制定网络统一的协议标准，并将协议标准发送到网络邻接表，从而就可以管理和控制整个智能窗帘网络。

（三）温度控制模块软件设计 智能窗帘系统的温度控制模块工作流程如图2所示。

图2：温度控制模块软件工作流程 温度控制模块的工作流程首先是处理温度芯片JN5121，并将其芯片初始化，然后对总线的相关设备节点进行复位，从而启动芯片。其次是甚至工作模式DSI8B20，并且等待主控制器发出测温命令，当测温命令启动后，温度芯片JN5212开始工作并测量温度，当读取温度值后将信息反馈到控制器后，主控制器就可以根据之前设定对其进行操作。

第七章 结束语 本次设计的基于物联网缓解下的智能窗帘系统是一套结合了ZigBee网络技术、TCP/IP协议和CGI技术的智能系统。本次设计主要包括了：
在已经学到的各种知识的前提下，通过大量文献资料的了解和学习，掌握了ZigBee网络技术的理论和应用，并且对其特点、协议框架、应用开发等内容进行了良好的学习和研究，并且提出了基于ZigBee技术的智能窗帘的设计方案；

根据本次设计的需要，分析了能够快速搭建系统的环境，通过选择和分析后，采用了Linux系统，通过利用STM32F103C8T6处理器以及MINI2440主板等硬件以及嵌入式WEB服务器和嵌入式数据库SQLlte数据库来构建本次智能窗帘系统的软件和硬件环境；

构建了基于Linux系统的嵌入式家庭网络环境，从而较好的实现了用户和家庭网络之间的操作互动，从而实现了用户可以远程对智能窗帘系统的访问和各种操作的要求。

本次设计的智能窗帘系统达到了预期目的，但是依然有很多不足，比如实时控制性能还有待进一步提升、性能还相对不够稳定，功能还相对单一，以后会更新升级。

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