朱青 昌小寶 張健

摘要：伴隨著這些年來(lái)綠色環(huán)保宣傳所帶來(lái)深入人心的效果，智能家居也搭上了這股熱潮，可以及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控住宅內(nèi)電器的功率、電壓、電流等指標(biāo)的智能化插排的重要性在不斷提升。本文以Zigbee無(wú)線網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插電板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的監(jiān)控和采集，通過(guò)嵌入式處理器使家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互相連通，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)終端進(jìn)行控制。

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù);智能插電板;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0284-03.

收稿日期：2019-10-28

基金項(xiàng)目：2018年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：智能物聯(lián)網(wǎng)插電板（項(xiàng)目編號(hào)：201810959010）

作者簡(jiǎn)介：朱青（1997—），女，安徽宿州人，本科，安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄芗揖?昌小寶（1997—），女，安徽

無(wú)為人，本科，安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄芗揖?張?。?979—），安徽泗縣人，碩士，安徽三聯(lián)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)。

1 概述

目前市場(chǎng)上大多的標(biāo)識(shí)為智能插電板的產(chǎn)品，僅僅具備集中單一的功用，用途單一，且價(jià)格昂貴。本人自主設(shè)計(jì)的主控.制器為低功耗單片機(jī)，并添加室溫偵測(cè)、計(jì)時(shí)通斷、遠(yuǎn)距離遙控、過(guò)載偵測(cè)等功效，具備漏電、過(guò)載、高壓及雷電防控功能，為了實(shí)現(xiàn)電器低功耗待機(jī)和智能化自動(dòng)斷電功能，需把智能芯片內(nèi)嵌入插板內(nèi)，利用實(shí)時(shí)自動(dòng)偵測(cè)電器用電量大小改變，成功實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。本款插電板是一款滿 足家居各種訴求的物聯(lián)網(wǎng)智能插電板，擁有能耗低物美價(jià)廉、基于人性化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

2 數(shù)據(jù)傳輸原理

2.1 Zigbee通信技術(shù)概括

Zigbee以配置文件和互操作的平臺(tái)的基礎(chǔ)架構(gòu)為基礎(chǔ)，可完成近距、低耗、自由組網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，該架構(gòu)具備延展性高、成本低的長(zhǎng)處。它的特征主要是自身的無(wú)線電協(xié)議，另外單個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有三類工作模式，包含：終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和路由器。這三類模式在運(yùn)用時(shí)，都是以節(jié)點(diǎn)間做相互組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間無(wú)線輸送。通過(guò)Zigbee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具備耗能低的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)之間形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從節(jié)點(diǎn)之間不斷地傳遞，最終被終端被匯總接收，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理?；谶@種工作原理，通訊效率達(dá)到了一個(gè)非常高的層次，同時(shí)耗能也很低，難度水平也不高，此為采取這種方法主要原因。

2.2 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)依照現(xiàn)實(shí)要求能夠?qū)崿F(xiàn)三類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M成，包含星型、網(wǎng)狀和簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

如圖1所示，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是一個(gè)單跳系統(tǒng)，所有設(shè)備（不包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）都與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器這一點(diǎn)，他們之間進(jìn)行雙向自由通信。其中這一點(diǎn)，也就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起協(xié)調(diào)作用，是星型拓?fù)渲械闹行?，其他的?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送都將直接通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其余的節(jié)點(diǎn)僅僅依附在周圍，不與其存在現(xiàn)實(shí)層面的關(guān)聯(lián)，此框架使得現(xiàn)實(shí)運(yùn)行的過(guò)程中能耗最小，但不可進(jìn)行長(zhǎng)距離的通信。

如圖2所示，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是把路由器當(dāng)作數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)橋梁。路由作為數(shù)據(jù)的中途中繼紐帶維持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除協(xié)調(diào)器之外別的節(jié)點(diǎn)都存在某個(gè)父節(jié)點(diǎn)完成上級(jí)的數(shù)據(jù)傳送。明顯的，因?yàn)閺?fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以功耗也會(huì)隨之增強(qiáng)。

如圖3所示，簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合了，上述兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、豐富。組網(wǎng)的過(guò)程中，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地進(jìn)行數(shù)據(jù)的長(zhǎng)距離傳輸，這種拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)即是優(yōu)異的自我修復(fù)功能，當(dāng)輸送過(guò)程中出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)損壞的現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自行組建新的網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)快速恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.3 Zigbee系統(tǒng)的通信途徑

Zigbee系統(tǒng)的通信途徑通常包含三類：組播、廣播和點(diǎn)播。（1）點(diǎn)播：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，若已知其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)短地址，則可通過(guò)點(diǎn)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)其他點(diǎn)與該點(diǎn)的連接。

（2）組播：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，將一部分節(jié)點(diǎn)劃分為一個(gè)小組，僅小組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間能自由傳送信息，小組外的節(jié)點(diǎn)無(wú)此功能。

（3）廣播：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)和任意其他一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都能進(jìn)行信息的傳遞。

3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

本智能家居系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡(luò)硬件模塊包含電源、終端、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)控制等。網(wǎng)關(guān)中ARM控制模塊選用AM3352芯片，利用UART接口與Zigbee協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口通信聯(lián)絡(luò)方式，與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)與RJ45相連通。系統(tǒng)選用CC2530設(shè)計(jì)Zigbee協(xié)調(diào)器與終端的移動(dòng)交互模塊。CC2530是一種全兼容性的8051內(nèi)核并且符合Zigbee 2007協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線射頻模式的單片機(jī)，是專用的Zigbee應(yīng)用芯片，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下所示：

（1）內(nèi)存、CPU

CC2530有三個(gè)各不相同的存儲(chǔ)器訪問(wèn)總線：特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)以及外部數(shù)據(jù)，它們以單周期的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)、主SRAM之間的交互。

除此之外，它還包含一個(gè)18輸入的擴(kuò)展中斷單元和調(diào)試接入口，當(dāng)它處在休閑模式時(shí)，任何的中斷活動(dòng)都能使它突變到主動(dòng)模式。甚至在休眠模式都能被激活。處在系統(tǒng)中心的存儲(chǔ)器，交叉開關(guān)的運(yùn)用，利用的是SFR總線把CPU、DMA控制器以及物理存儲(chǔ)器和一切的外設(shè)設(shè)備連接。32/64/128/256KB閃存塊則為設(shè)備給予內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲(chǔ)器，并將它映射到代碼和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間。除了保存程序代碼和常量以外，應(yīng)用程序保存必要的數(shù)據(jù)在不易失性的程序存儲(chǔ)器中得到了允許，從而可以實(shí)現(xiàn)：在設(shè)備重啟后，這些數(shù)據(jù)仍然被保存下來(lái)，可以直接使用。使用本功能，可以保存具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)再次通電后，可直接匯入網(wǎng)絡(luò)。

（2）電源、時(shí)鐘的管理

1.8V穩(wěn)壓低差電源給CC2530的外部設(shè)備和數(shù)字核心供電，此外CC2530還包含電源管理模塊，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電池低功耗，長(zhǎng)壽命的差異化供電運(yùn)行模式。

（3）外設(shè)CC2530有特別多的外設(shè)，在開發(fā)新應(yīng)用時(shí)，這些外設(shè)使開發(fā)者的操作得到允許。如下所示：

①調(diào)試接口不僅能夠清除掉閃存存儲(chǔ)器里的全部?jī)?nèi)容、還可以管控振蕩器的各部分應(yīng)用、另外，還可以調(diào)節(jié)用戶網(wǎng)絡(luò)程序的起始、完成8051核心命令、設(shè)立代碼的斷點(diǎn)，以及核心中所有命令的單步調(diào)試。

②所有的GPIO引腳都受到I/O控制器的控制，CPU的作用是可以調(diào)控配置外設(shè)組件受軟件控制的與否以及對(duì)某個(gè)腳本的控制與否，如果是，則可以通過(guò)為每個(gè)引腳配置輸入或輸出，連接上拉電阻或下拉電阻，來(lái)中斷分開每個(gè)引腳。

③系統(tǒng)通過(guò)利用五通道的多功能DMA控制器，定時(shí)器、ADC接口、AES內(nèi)核、以及USART等硬件外設(shè)，通過(guò)利用DMA控制器在XREG與SFR地址之間進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的傳輸，從而提高操作的效率。

④定時(shí)器一是16位的定時(shí)器，它具有PWM、定時(shí)以及計(jì)數(shù)的功能。定時(shí)器二（也被稱為MAC定時(shí)器），是專門為IEEE802.15.4MAC而設(shè)計(jì)的。定時(shí)器三和定時(shí)器四皆是8位定時(shí)器，和定時(shí)器一樣，也具有定時(shí)、計(jì)數(shù)和PWM三個(gè)功能。

⑤功耗最低定時(shí)器是睡眠定時(shí)器。在3供電模式工作模式下，睡眠定時(shí)器除了會(huì)繼續(xù)工作之外，還負(fù)擔(dān)著實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器的工作，除此之外，也可以作為一個(gè)喚醒定時(shí)器從1或2模式中跳出。

⑥ADC可以支持在30kHz帶寬（7）到在4kHz帶寬（12）的分辨率。

⑦用戶可以通過(guò)AES協(xié)調(diào)處理器來(lái)利用128位密鑰的AES算法加密和解密數(shù)據(jù)。這一內(nèi)核能夠確保IEEE 802.15.4MAC 安全，還可以支持Zigbee各層要求的AES操作。

⑧內(nèi)置的看門狗定時(shí)器在固件掛起設(shè)備的情況下允許復(fù)位自己。當(dāng)看門狗定時(shí)器利用軟件行使功能的時(shí)候，它必須定期清除，以免超時(shí)后復(fù)位設(shè)備。

（4）無(wú)線電

IEEE802.15.4兼容形式存在下的無(wú)線收發(fā)器是由CC2530提供的。RF內(nèi)核可以控制和模擬無(wú)線模塊形式。同時(shí)，它可以為MCU和無(wú)線設(shè)備之間的通信提供接口，實(shí)現(xiàn)他們之間命令的發(fā)送、實(shí)時(shí)狀態(tài)的讀取、特殊情況下的自動(dòng)操作以及事件先后順序的確定。除此之外，無(wú)線設(shè)備還有地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包過(guò)濾模塊。

4 Zigbee終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

智能插座裝置接電后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、發(fā)送序列號(hào)及任務(wù)ID執(zhí)行初始化操作始化操作，并對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)行初始化操作后完成注冊(cè)，并行初始化UART串口設(shè)置，包括波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗(yàn)位無(wú)，硬件控制流無(wú)。

智能插座會(huì)在手機(jī)端完成增設(shè)后，自行對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索，并且連接。

當(dāng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)之后，可以激活并且上報(bào)，CC2530芯片把，版本號(hào)打包到數(shù)據(jù)幀之中，并且傳送到服務(wù)器上，此外，機(jī)動(dòng)查詢插座狀態(tài)的事件，向插座內(nèi)單片機(jī)傳送查詢第一次電插座目;前狀態(tài)的指令。如果有事件發(fā)生，發(fā)生的事件是串口接收緩沖區(qū)滿或者串口接收超時(shí)，則應(yīng)用串口回調(diào)函數(shù)，從串口獲取數(shù)據(jù)，分析獲得插座狀態(tài)數(shù)據(jù)幀之后按Zigbee協(xié)議傳送到協(xié)調(diào)器。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 系統(tǒng)通信測(cè)試

被測(cè)試的是系統(tǒng)整體組網(wǎng)通，普通插座與智能插座相連后通電。利用電源適配器，先連接電源，然后用RJ45與路由器連.接，最后在連通服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部配備的協(xié)調(diào)器組件，主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，傳送數(shù)據(jù)，傳送控制指令的任務(wù)，同時(shí)共同測(cè)試創(chuàng)建Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò);智能插座在接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)后，測(cè)試它的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)發(fā)送以及執(zhí)行命令等功能;手機(jī)客戶端測(cè)試智能插座通斷電，及智能插座定時(shí)開關(guān)信息遠(yuǎn)程查看。

智能插座通電后，當(dāng)藍(lán)燈亮?xí)r，說(shuō)明已經(jīng)成功接入服務(wù)器，當(dāng)紅燈持續(xù)閃亮10秒鐘，意味著智能插座裝置上實(shí)現(xiàn)上電而且完成初始化;當(dāng)手機(jī)APP和網(wǎng)關(guān)聯(lián)通到同樣的路由器后，選擇新增設(shè)備，在設(shè)備顯示界面，網(wǎng)關(guān)設(shè)備和智能插座顯示成功添加，分別將智能插座終端模擬開關(guān)的通斷電，手機(jī)端軟件顯示智能插座的狀態(tài)為打開與關(guān)閉。

5.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

將手機(jī)客戶端打開，打開終端設(shè)備后，選擇添加設(shè)備，在手機(jī)客戶端查看能不能獲得終端的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，如果可以，就可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)客戶端的遠(yuǎn)程調(diào)控和監(jiān)測(cè)。將智能插座開啟，手機(jī)端插座按下按鈕顯示打開，將智能插座關(guān)閉，手機(jī)端插座顯示關(guān)閉，如圖4所示。

綜上所述，本系統(tǒng)按照當(dāng)代用戶的需求進(jìn)行分析，結(jié)合總體設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)，具體功能如下：

（1）Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以由Zigbee協(xié)調(diào)器成功建立，在Zigbee終端設(shè)備鎖，可以根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行通信;

（2）各Zigbee終端能夠成功采集相關(guān)數(shù)據(jù)：智能插座終端可以智能通斷電;自動(dòng)檢測(cè)過(guò)流過(guò)載情況，進(jìn)行自動(dòng)斷電安全保護(hù)

（3）可移動(dòng)終端可以與服務(wù)器之間利用通信協(xié)議取得聯(lián)系;

（4）同時(shí)，服務(wù)器也可以通過(guò)通信協(xié)議與網(wǎng)關(guān)通信;

（5）遠(yuǎn)程手機(jī)端APP，對(duì)上傳的消息，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作并查閱，再實(shí)現(xiàn)智能操控。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際生活和生產(chǎn)中，物聯(lián)網(wǎng)科技在完成人物、物物之間的智能通訊方面具有非常好的創(chuàng)新和實(shí)用價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通訊一般，它不但有效性高，同時(shí)能耗較低和創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)便捷。本文以Zigbee無(wú)線網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了此款物聯(lián)網(wǎng)智能插電板，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的監(jiān)控和采集，通過(guò)嵌入式處理器使家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和Internet網(wǎng)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)互相連通，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)終端進(jìn)行控制。本文提出的系統(tǒng)通過(guò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)與家庭網(wǎng)絡(luò)之間良好的信息溝通，達(dá)到了家庭內(nèi)部電路信息能被很好地監(jiān)測(cè)從而實(shí)現(xiàn)智能管理，減少了家庭不美觀的冗雜線路現(xiàn)象，極大地解決了智能板塊與控制中心之間的無(wú)線通信。因此，該系統(tǒng)在很大的程度上，為當(dāng)代社會(huì)人們的日常起居生活提供了非常大的便利，與此同時(shí)，也對(duì)未來(lái)智能時(shí)代，家居系統(tǒng)的前沿研究和實(shí)際運(yùn)用，都具有很好利用參考價(jià)值。