基于ZigBee的智能家居遥控器设计
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智能家居
duced Function D ev ice, RFD ) 。网络协调器实 际 上是 FFD设备的一种, 它具有丰富的系统资源和 完备的功能。相对而言, FFD 比 RFD 拥有更强大 的计算能力和更丰富的系统资源, 可以充当网络 建立者、管理者或网络终端节点设备 [ 5 ] 。R FD 在 网络中通常只能作为终端设备, 从 FFD 接收信息 或将信息传 递给 FFD。应用汇聚层主要负责 把 不同的应用映射到 Z igBee网络上, 具体而言包括 安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现、 业务发现。应用层包括了应用支持子层 ( APL ) 、 Z igBee设备对象 ( ZDO) 及其他应用对象。
中图分类号: TP 872 文献标志码: B 文章编号: 1674 8417( 2010) 10 0013 05
叶兴贵 ( 1985 ), 男, 硕士 研 究 生, 研 究 方 向为建 筑电 器智 能化 技术。
0引 言
目前市场上出售 的很多家用电器都带有 遥 控器, 但绝 大多数 都是基 于红外 射频技 术设 计 的, 如电视机遥控 器、空调 遥控器、DVD 遥控 器 等。基于红外技术设计的遥控 器给人们的生 活 带来了许多便利, 通过这些遥控器人们可以在距 离电器几米之外方 便地操控电器。但这些遥 控 器一般都为直 线遥控, 遥 控信号 无法绕 过障 碍 物, 也无法对电器进行组网控制, 且有效距离短。
图 2 Z igBee硬件设计电路图
图 2 中, MRF24J40的 串行 I/O ( SCK、SDI、 SDO和 CS) 、RESET、WAKE 和 INT 等引脚接 到 单片机相 关引脚 上。其 中, SDO 引 脚信 号通 过 NC7SZ125缓冲器进行三态缓冲, 以解决一个 硅 片勘误, 即在 CS引脚恢复为无效状态后, SDO 引 脚信号不会释 放为高阻 抗状态 [ 2] 。晶振 X 1 为 20 MH z的晶 振, 25 ∀ 时的 频 率容 差为 # 10 ! 10- 6, 满足 IEEE 802. 15. 4标准中 # 40 ! 10- 6 的
产的 MRF24J40。该芯 片通过了美国 ( FCC ) 、加 拿大 ( IC )、欧洲 ( ETSI) 的无线电法规认证, 完全 兼容 IEEE 802. 15. 4规范, 支持 Z igBee、M Wi 、i 及 M Wi i P2P 专有无线网络协 议 [ 1] 。该芯 片与 M i croch ip 单 片 机 ( P IC16F、P IC18F、P IC24F /H、 dsP IC33及 P IC32) 相兼容, 采用简单的 4 线 SP I
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接口, 最大通信范围可达 400 m。芯片的工作频 段为 2. 405~ 2. 480 GH z。电流损耗低, RX 模式 下典型值为 18 mA, TX 模式下典型值为 22 mA, 休眠 模 式 下 耗 电 为 2 A, 其 典 型 灵 敏 度 为 - 94 dBm, 最大输入级为 5 dBm。数据通信速率 为 250 kb / s。该芯 片具有 高动态 范围接 收器 和 RSSI, 硬件 CSMA CA 机制, 自动 ACK 响应及 FCS
制造 的 E2PROM, 其 内 部 存 储 空 间 为 16 KB。 24LC16与单片机通过 SP I总线方式通信。 1. 5 电源模块
基于 Z igB ee正常工作时耗电量小, 系统各个 部件工作电压只有 5 V 和 3. 3 V 两种, 以及遥控 器要求便携等特性, 设计采用 9 V 干电池作为遥 控器供电电源。经过 5 V 低压差、低功耗稳压器 LM 1117 50稳压后为电路提供稳定的 5 V DC 电 源, 再经过 3. 3 V低压差、低功耗稳压器 LM 1117 33稳压后为电路提供平稳的 3. 3 V DC电源。
理和实际设计电路, 并对软件设 计的要 点进行 了介绍。 该遥控 器通 过 5 ! 5 键 盘 人机接口, 对其他无线节点进行设置和控制, 并在 LCD 显示屏 上显示 操作过程 和 控制结果。该遥控器具有低 功耗、低成 本、可远 程控 制、组网灵 活等 特点, 可广 泛 应用于家居智能化等领域。
关键词: 智能家居; ZigB ee技术; 传感器; 组网; 遥控器
智能家居
检查功能, 支持 数据包自动重发, 硬件 安全引擎 ( AES 128) , 具有 CCM、CBC MAC 模式, 支持 所 有的 CCA 模式及 RSS /LQ I等。这些特点方便了 无线收发模块的设计。
设计中将 MRF24J40芯片与 P IC24单片机之 间通过 SP I总线连接, 其硬件外围电路如图 2所 示。
Z igB ee是最近几年兴起的一种低功耗、短距 离、低速率、组网灵活的无线通 信技术。将其 应 用在家电设备的遥控器上, 可实现对家电设备的 组网及远程 控制。本文设 计了一种基于 Z igBee 技术的智能家居遥控器。
1 硬件设计
根据遥控器设计实现的功能要求, 整个硬件 电路主要由 Z igBee无线通信模块、5 ! 5键盘 阵 列模块、LCD显示 模块、外部存储模块及电源 模
符号速率容差。电路中 L1、L3、C2 和 C 14构成巴伦 电路 [ 2] 。 C15 为 DC 模块 电容。 L2 为 MRF24J40 中的 RFP 和 RFN 引脚的 RF 扼流和 上拉电感。 L 4、C16和 C17构成低通滤波器。其余电容用于提 供 RF 和数字旁路。芯 片对应的 PCB 天线是 在
为增加可视化效果, 设计中采用了 LCD液晶 显示 模 块。该 模 块 中 LCD 选 用 OCM J4X8C。 OCM 4X8C 是一款具有串 /并接口, 内部含有中文
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智能家居
字库的图形点阵液晶显示模块。 OCM 4X8C 的液 晶显示屏为 128 ! 64点阵, 可显示 4行, 每行 8个 汉字。为了简单、方便地显示汉字, 该模块具 有 2 MB的中文 字型 CGROM, 该 字型 ROM 中含 有 8 192个 16 ! 16的点阵中文字库。为了便于英文 和其他常用 字符 的显示, 模块 还具有 16 KB 的 16 ! 8点阵的 ASC II字符库。为便于构造用户图 形, 模块提供了一个 64 ! 256点阵的 GDRAM 绘 图区域。为了便于构造用户所需字型, 模块提供 了 4组 16 ! 16点 阵的 造字 空间。利用 上述 特 性, OCM 4X8C可方便地实现汉字、ASC II码、点阵 图形、自造字体的同屏显示。为便于和多种微处 理器、单片机 接口相连, 模块提供了 4 b it并行、 8 bi并t 行、2 线 串 行、3 线 串 行 等 多 种 接 口 方 式 [ 3] 。其硬件电路如图 3所示。
缪希仁 ( 1965 ), 男, 教授, 研究方向为数字家庭技术。 陈伟东 ( 1977 ), 男, 工程师, 从事智能家居技术研发工作。 * 基金项目: 福建省科技项目 ( 2008F5031 )
Baidu Nhomakorabea
块等几个模块构成。遥控器设计 电路总体框图 如图 1所示。
图 1 遥控器设计总体框图
1. 1 ZigBee无线通信模块 该设计采 用的 RF 芯片为 M icroch ip 公司生
由于 P IC24F J256GA108 单 片 机 没 有 自 带 E2PROM, 为了能及时存储网络地址等重要信息, 并防止掉电丢失数据, 设计中选择了采用 SP I总 线接口的外部 E2 PROM 存储芯片 24LC16作为遥 控器的数据库, 以存储重要数据。 24LC16是 M i croch ip公司生产的 一款采用低功耗 CMOS工 艺
设计中将遥控器设置为 FFD, 使其具有组建 网络、管理网络的功能。工作时, Z igBee协议 栈 各种不同的任务在不同层上执行, 各项任务通过 一系列服务原语实现。当建立一个新网络时, 遥 控器通过 NLM E NETWORK FORMAT ION. request 原语来启动新的网 络建立过程。网络层首先 请 求 MAC 层对协议所规定的信道或物理层默认的 有效信道进行能量 扫描。网络 层管理实体收 到 检测扫描结果 后, 网络层 管理实 体将通 过发 送 MLME _SCAN. request原语执行主动扫描。如 果 没有找到合适的信道, 将终止建网过程, 并向 应 用层报告; 如果找到合 适的信道, 就为该网络 选 择一个 PAN 标志符 PAN ID。网络层管理实体通 过 NLME _ SET. request 原 语 将 PAN ID 写 入 MACPAN ID 属 性。 网 络 层 管理 实 体 在 选 定 了 PAN 网络地址后, 就通 过 M LME _START. request
图 4 Z igBee 协议栈结构原理图
物理层规范了 Z igBee通信频率工作范围, 即 2. 4 GH z和 868 / 915 MH z。在 MAC 层上, 主要沿 用 W LAN 中 802. 11系列标准的载波侦听多址接 入 - 冲突避免机制 ( CSMA CA ) , 以提高系统兼容 性。所谓 CSMA CA, 是指所有的传输要在下一个 信标到来之前结束, 以保证数据传输的可靠性。 在网络层方面, Z igBee联盟规定基于 Z igB ee技术 的网络可以采用星状和网状拓扑, 也可以是两者 的组合 ( 即丛集树状拓扑 )。根据节点角色的不 同, 可分为网络协调器 ( Coordinato r) 、全功能设备 ( Fu ll Function Dev ice, FFD )与精简功能设备 ( Re
2 软件设计
软件设计的核心是基于 Z igB ee 协议栈的程 序编写。 Z igBee 协议栈 是在 IEEE 802. 15. 4 标 准基础上建立的, 包括 IEEE 802. 15. 4规范的物 理层、介质访问控制层 ( MAC 层 )和链路控制层。 网络层、应用汇聚层及应用层标准由 Z igB ee联盟 制定。其分层结构原理图如图 4所示。
图 5 建立新网络流 程图
M icrochip 公 司网 站 提 供了 免 费 而完 整 的 Z igBee协议栈 下载。用户 只需 安装 M p _Z igBe eV 1. 0 3. 8. 1, 系统就会在安装目 录下自动生成 Z igBee应用程序的模板, 包括协调器、FFD 设备、 R FD 设 备及 路 由 器 设 备 应 用 模 板 程 序 。 用 户 只 需在这些程序中编写相应的应用代码, 便能使其 完成设计的需要。该设计软件编写环境为 MAT LAB 8. 30, 采用 C 语言编写, 使用 C30编译器编 译。遥控器程序实现流程图如图 6所示。
图 3 LCD液晶显示硬件电路图
图 3中, 74LS245 为双向三态输出的 8 组总 线收发器。A、B 端为数据输入 /输出口, OE 端为 三态允许端, T /R 端控制 数据传 输的 方向, PSB 端接高电平时为并行传输, 接地时为串行传输, RS、R /W、E端分别为数据、读写、使能控制端。 1. 4 外部存储模块
原语开始运行新的个域网。 MAC 层将运行结果 通过 MLM E _START. confirm 原语 返 回网 络层。 当其网络层收到 MLM E _START. con firm 原 语后 就通过 NLME _NETWORK _FORMAT ION. confirm 原语向应用层报告, 开始运行新网络。上述建立 新网络的流程图如图 5所示。
顶层铜箔走线中制作的。为保证通信性能, 天线 下方的 PCB各层都没有铜箔走线。 1. 2 5 ! 5键盘阵列模块
根据设计的需要, 电路中设置了 5 ! 5 的键 盘阵列, 用于输入被遥控对象的网络地址、功能 命令 等。 P IC24F J256GA108 单片 机具有 丰富 的 I /O 口, 设计中将单片机 I /O 口直接与键盘端口 相连, 根据单片机端口电平变化读取键盘状态信 息。 1. 3 LCD显示模块
智能家居
基于 Z igBee的智能家居遥控器设计*
叶兴贵 1, 缪希仁1, 陈伟东 2 ( 1. 福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350108;
2. 福建省冠林科技有限公司, 福建 福州 350015)
摘 要: 介绍了一 种基于 Z igBee技术的遥 控器设计方案。阐述了硬件系统的原
智能家居
duced Function D ev ice, RFD ) 。网络协调器实 际 上是 FFD设备的一种, 它具有丰富的系统资源和 完备的功能。相对而言, FFD 比 RFD 拥有更强大 的计算能力和更丰富的系统资源, 可以充当网络 建立者、管理者或网络终端节点设备 [ 5 ] 。R FD 在 网络中通常只能作为终端设备, 从 FFD 接收信息 或将信息传 递给 FFD。应用汇聚层主要负责 把 不同的应用映射到 Z igBee网络上, 具体而言包括 安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现、 业务发现。应用层包括了应用支持子层 ( APL ) 、 Z igBee设备对象 ( ZDO) 及其他应用对象。
中图分类号: TP 872 文献标志码: B 文章编号: 1674 8417( 2010) 10 0013 05
叶兴贵 ( 1985 ), 男, 硕士 研 究 生, 研 究 方 向为建 筑电 器智 能化 技术。
0引 言
目前市场上出售 的很多家用电器都带有 遥 控器, 但绝 大多数 都是基 于红外 射频技 术设 计 的, 如电视机遥控 器、空调 遥控器、DVD 遥控 器 等。基于红外技术设计的遥控 器给人们的生 活 带来了许多便利, 通过这些遥控器人们可以在距 离电器几米之外方 便地操控电器。但这些遥 控 器一般都为直 线遥控, 遥 控信号 无法绕 过障 碍 物, 也无法对电器进行组网控制, 且有效距离短。
图 2 Z igBee硬件设计电路图
图 2 中, MRF24J40的 串行 I/O ( SCK、SDI、 SDO和 CS) 、RESET、WAKE 和 INT 等引脚接 到 单片机相 关引脚 上。其 中, SDO 引 脚信 号通 过 NC7SZ125缓冲器进行三态缓冲, 以解决一个 硅 片勘误, 即在 CS引脚恢复为无效状态后, SDO 引 脚信号不会释 放为高阻 抗状态 [ 2] 。晶振 X 1 为 20 MH z的晶 振, 25 ∀ 时的 频 率容 差为 # 10 ! 10- 6, 满足 IEEE 802. 15. 4标准中 # 40 ! 10- 6 的
产的 MRF24J40。该芯 片通过了美国 ( FCC ) 、加 拿大 ( IC )、欧洲 ( ETSI) 的无线电法规认证, 完全 兼容 IEEE 802. 15. 4规范, 支持 Z igBee、M Wi 、i 及 M Wi i P2P 专有无线网络协 议 [ 1] 。该芯 片与 M i croch ip 单 片 机 ( P IC16F、P IC18F、P IC24F /H、 dsP IC33及 P IC32) 相兼容, 采用简单的 4 线 SP I
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接口, 最大通信范围可达 400 m。芯片的工作频 段为 2. 405~ 2. 480 GH z。电流损耗低, RX 模式 下典型值为 18 mA, TX 模式下典型值为 22 mA, 休眠 模 式 下 耗 电 为 2 A, 其 典 型 灵 敏 度 为 - 94 dBm, 最大输入级为 5 dBm。数据通信速率 为 250 kb / s。该芯 片具有 高动态 范围接 收器 和 RSSI, 硬件 CSMA CA 机制, 自动 ACK 响应及 FCS
制造 的 E2PROM, 其 内 部 存 储 空 间 为 16 KB。 24LC16与单片机通过 SP I总线方式通信。 1. 5 电源模块
基于 Z igB ee正常工作时耗电量小, 系统各个 部件工作电压只有 5 V 和 3. 3 V 两种, 以及遥控 器要求便携等特性, 设计采用 9 V 干电池作为遥 控器供电电源。经过 5 V 低压差、低功耗稳压器 LM 1117 50稳压后为电路提供稳定的 5 V DC 电 源, 再经过 3. 3 V低压差、低功耗稳压器 LM 1117 33稳压后为电路提供平稳的 3. 3 V DC电源。
理和实际设计电路, 并对软件设 计的要 点进行 了介绍。 该遥控 器通 过 5 ! 5 键 盘 人机接口, 对其他无线节点进行设置和控制, 并在 LCD 显示屏 上显示 操作过程 和 控制结果。该遥控器具有低 功耗、低成 本、可远 程控 制、组网灵 活等 特点, 可广 泛 应用于家居智能化等领域。
关键词: 智能家居; ZigB ee技术; 传感器; 组网; 遥控器
智能家居
检查功能, 支持 数据包自动重发, 硬件 安全引擎 ( AES 128) , 具有 CCM、CBC MAC 模式, 支持 所 有的 CCA 模式及 RSS /LQ I等。这些特点方便了 无线收发模块的设计。
设计中将 MRF24J40芯片与 P IC24单片机之 间通过 SP I总线连接, 其硬件外围电路如图 2所 示。
Z igB ee是最近几年兴起的一种低功耗、短距 离、低速率、组网灵活的无线通 信技术。将其 应 用在家电设备的遥控器上, 可实现对家电设备的 组网及远程 控制。本文设 计了一种基于 Z igBee 技术的智能家居遥控器。
1 硬件设计
根据遥控器设计实现的功能要求, 整个硬件 电路主要由 Z igBee无线通信模块、5 ! 5键盘 阵 列模块、LCD显示 模块、外部存储模块及电源 模
符号速率容差。电路中 L1、L3、C2 和 C 14构成巴伦 电路 [ 2] 。 C15 为 DC 模块 电容。 L2 为 MRF24J40 中的 RFP 和 RFN 引脚的 RF 扼流和 上拉电感。 L 4、C16和 C17构成低通滤波器。其余电容用于提 供 RF 和数字旁路。芯 片对应的 PCB 天线是 在
为增加可视化效果, 设计中采用了 LCD液晶 显示 模 块。该 模 块 中 LCD 选 用 OCM J4X8C。 OCM 4X8C 是一款具有串 /并接口, 内部含有中文
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字库的图形点阵液晶显示模块。 OCM 4X8C 的液 晶显示屏为 128 ! 64点阵, 可显示 4行, 每行 8个 汉字。为了简单、方便地显示汉字, 该模块具 有 2 MB的中文 字型 CGROM, 该 字型 ROM 中含 有 8 192个 16 ! 16的点阵中文字库。为了便于英文 和其他常用 字符 的显示, 模块 还具有 16 KB 的 16 ! 8点阵的 ASC II字符库。为便于构造用户图 形, 模块提供了一个 64 ! 256点阵的 GDRAM 绘 图区域。为了便于构造用户所需字型, 模块提供 了 4组 16 ! 16点 阵的 造字 空间。利用 上述 特 性, OCM 4X8C可方便地实现汉字、ASC II码、点阵 图形、自造字体的同屏显示。为便于和多种微处 理器、单片机 接口相连, 模块提供了 4 b it并行、 8 bi并t 行、2 线 串 行、3 线 串 行 等 多 种 接 口 方 式 [ 3] 。其硬件电路如图 3所示。
缪希仁 ( 1965 ), 男, 教授, 研究方向为数字家庭技术。 陈伟东 ( 1977 ), 男, 工程师, 从事智能家居技术研发工作。 * 基金项目: 福建省科技项目 ( 2008F5031 )
Baidu Nhomakorabea
块等几个模块构成。遥控器设计 电路总体框图 如图 1所示。
图 1 遥控器设计总体框图
1. 1 ZigBee无线通信模块 该设计采 用的 RF 芯片为 M icroch ip 公司生
由于 P IC24F J256GA108 单 片 机 没 有 自 带 E2PROM, 为了能及时存储网络地址等重要信息, 并防止掉电丢失数据, 设计中选择了采用 SP I总 线接口的外部 E2 PROM 存储芯片 24LC16作为遥 控器的数据库, 以存储重要数据。 24LC16是 M i croch ip公司生产的 一款采用低功耗 CMOS工 艺
设计中将遥控器设置为 FFD, 使其具有组建 网络、管理网络的功能。工作时, Z igBee协议 栈 各种不同的任务在不同层上执行, 各项任务通过 一系列服务原语实现。当建立一个新网络时, 遥 控器通过 NLM E NETWORK FORMAT ION. request 原语来启动新的网 络建立过程。网络层首先 请 求 MAC 层对协议所规定的信道或物理层默认的 有效信道进行能量 扫描。网络 层管理实体收 到 检测扫描结果 后, 网络层 管理实 体将通 过发 送 MLME _SCAN. request原语执行主动扫描。如 果 没有找到合适的信道, 将终止建网过程, 并向 应 用层报告; 如果找到合 适的信道, 就为该网络 选 择一个 PAN 标志符 PAN ID。网络层管理实体通 过 NLME _ SET. request 原 语 将 PAN ID 写 入 MACPAN ID 属 性。 网 络 层 管理 实 体 在 选 定 了 PAN 网络地址后, 就通 过 M LME _START. request
图 4 Z igBee 协议栈结构原理图
物理层规范了 Z igBee通信频率工作范围, 即 2. 4 GH z和 868 / 915 MH z。在 MAC 层上, 主要沿 用 W LAN 中 802. 11系列标准的载波侦听多址接 入 - 冲突避免机制 ( CSMA CA ) , 以提高系统兼容 性。所谓 CSMA CA, 是指所有的传输要在下一个 信标到来之前结束, 以保证数据传输的可靠性。 在网络层方面, Z igBee联盟规定基于 Z igB ee技术 的网络可以采用星状和网状拓扑, 也可以是两者 的组合 ( 即丛集树状拓扑 )。根据节点角色的不 同, 可分为网络协调器 ( Coordinato r) 、全功能设备 ( Fu ll Function Dev ice, FFD )与精简功能设备 ( Re
2 软件设计
软件设计的核心是基于 Z igB ee 协议栈的程 序编写。 Z igBee 协议栈 是在 IEEE 802. 15. 4 标 准基础上建立的, 包括 IEEE 802. 15. 4规范的物 理层、介质访问控制层 ( MAC 层 )和链路控制层。 网络层、应用汇聚层及应用层标准由 Z igB ee联盟 制定。其分层结构原理图如图 4所示。
图 5 建立新网络流 程图
M icrochip 公 司网 站 提 供了 免 费 而完 整 的 Z igBee协议栈 下载。用户 只需 安装 M p _Z igBe eV 1. 0 3. 8. 1, 系统就会在安装目 录下自动生成 Z igBee应用程序的模板, 包括协调器、FFD 设备、 R FD 设 备及 路 由 器 设 备 应 用 模 板 程 序 。 用 户 只 需在这些程序中编写相应的应用代码, 便能使其 完成设计的需要。该设计软件编写环境为 MAT LAB 8. 30, 采用 C 语言编写, 使用 C30编译器编 译。遥控器程序实现流程图如图 6所示。
图 3 LCD液晶显示硬件电路图
图 3中, 74LS245 为双向三态输出的 8 组总 线收发器。A、B 端为数据输入 /输出口, OE 端为 三态允许端, T /R 端控制 数据传 输的 方向, PSB 端接高电平时为并行传输, 接地时为串行传输, RS、R /W、E端分别为数据、读写、使能控制端。 1. 4 外部存储模块
原语开始运行新的个域网。 MAC 层将运行结果 通过 MLM E _START. confirm 原语 返 回网 络层。 当其网络层收到 MLM E _START. con firm 原 语后 就通过 NLME _NETWORK _FORMAT ION. confirm 原语向应用层报告, 开始运行新网络。上述建立 新网络的流程图如图 5所示。
顶层铜箔走线中制作的。为保证通信性能, 天线 下方的 PCB各层都没有铜箔走线。 1. 2 5 ! 5键盘阵列模块
根据设计的需要, 电路中设置了 5 ! 5 的键 盘阵列, 用于输入被遥控对象的网络地址、功能 命令 等。 P IC24F J256GA108 单片 机具有 丰富 的 I /O 口, 设计中将单片机 I /O 口直接与键盘端口 相连, 根据单片机端口电平变化读取键盘状态信 息。 1. 3 LCD显示模块
智能家居
基于 Z igBee的智能家居遥控器设计*
叶兴贵 1, 缪希仁1, 陈伟东 2 ( 1. 福州大学 电气工程与自动化学院, 福建 福州 350108;
2. 福建省冠林科技有限公司, 福建 福州 350015)
摘 要: 介绍了一 种基于 Z igBee技术的遥 控器设计方案。阐述了硬件系统的原