西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 徐東杰 臧冠華 盤(pán)丹梅 呂 旭 王 濤

基于Zigbee設(shè)計(jì)的懶人鬧鐘

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 徐東杰 臧冠華 盤(pán)丹梅 呂 旭 王 濤

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，生活中越來(lái)越多的物品得以實(shí)現(xiàn)智能化控制。放眼現(xiàn)在，大學(xué)生普遍使用鬧鐘、手機(jī)進(jìn)行定時(shí)，然而，二者除經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)時(shí)定時(shí)不準(zhǔn)的情況外，而且出于適應(yīng)性，大家會(huì)出于想再睡一會(huì)的想法不由自主的關(guān)閉它們，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)許多很重要的事情。本研究針對(duì)這一痛點(diǎn)，以Zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，通過(guò)CC2530芯片與語(yǔ)音模塊的反饋，以達(dá)到“頭不離枕頭鈴不?！钡男Ч沟么髮W(xué)生可以更有規(guī)律的作息。

Zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議；CC2530芯片；語(yǔ)音檢測(cè)；更有規(guī)律的作息

0 引言

準(zhǔn)確時(shí)間觀念的確立直接決定當(dāng)代人的計(jì)劃實(shí)施情況，擺脫困意、定時(shí)起床是一個(gè)人準(zhǔn)時(shí)執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)。目前，市場(chǎng)上的鬧鐘、手機(jī)等的定時(shí)都有自己的弊端，不具備智能屬性。若給鬧鐘模塊增添更多的智能化設(shè)計(jì)，達(dá)到使人準(zhǔn)時(shí)起床的效果，那么這種智能化定時(shí)系統(tǒng)將會(huì)被大家所接受。本文在研究當(dāng)代人作息習(xí)慣的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外檢測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種新型的鬧鐘，以當(dāng)下最流行的Zigbee無(wú)線傳輸協(xié)議作為技術(shù)研發(fā)的切入點(diǎn)，該系統(tǒng)涉及相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)在學(xué)校學(xué)生、上班一族中有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，且在優(yōu)化設(shè)備的同時(shí)也提高了自動(dòng)化程度，提高了經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成

設(shè)備系統(tǒng)一共分為2部分：數(shù)據(jù)采集部分與無(wú)線通信部分。數(shù)據(jù)采集部分主要用于壓力數(shù)據(jù)的采集與語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集。無(wú)線通信部分主要用于 Zigbee數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

確定CC2530芯片、ISD1820、繼電器和檢測(cè)傳感裝置等電子元器件的裝配，并仔細(xì)檢查壓力芯片相對(duì)于枕頭的位置，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠。當(dāng)鬧鐘達(dá)到設(shè)定的時(shí)間之后，Zigbee協(xié)調(diào)器會(huì)檢測(cè)人的頭部是否還在枕頭上，壓力傳感器返回相應(yīng)的標(biāo)志位到Zigbee協(xié)調(diào)器，Zigbee協(xié)調(diào)器通過(guò)天線將標(biāo)志位反饋到Zigbee終端，若人的頭部還在枕頭上，那么鬧鐘將繼續(xù)響動(dòng)，反之，鬧鐘將停止響動(dòng)。然而在1分鐘之內(nèi)，若人抵抗不住困意倒頭又睡，則中斷會(huì)繼續(xù)觸發(fā)，鬧鈴持續(xù)響動(dòng)，直至人徹底擺脫困意為止，如此進(jìn)行反復(fù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器、語(yǔ)音模塊及Zigbee協(xié)議相互反饋的智能化控制。

2. 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

考慮到所采用的電子元器件必須具有高精度、低功耗和設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此采用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)Zigbee的傳輸。采用模塊化的實(shí)施方案，終端采用鬧鐘模塊、繼電器模塊、語(yǔ)音檢測(cè)模塊等。Zigbee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Zigbee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 Zigbee的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)采用CC2530單片機(jī)，自身支持Zigbee通訊協(xié)議，且集成了2.4GHZ IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，具有出色的抗干擾能力，可編程輸出功率為+4.5dBm，總體無(wú)線連接鏈路質(zhì)量101dbm，且只需要極少數(shù)的外部原件，支持網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)。其具有一個(gè)擁有優(yōu)良性能8051微控制器內(nèi)核，32、64或128KB的系統(tǒng)可編程閃存，8KBRAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力，且支持硬件調(diào)試，Zigbee節(jié)點(diǎn)原理圖如圖3所示。

圖3 Zigbee節(jié)點(diǎn)原理圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

Zigbee協(xié)議搭載于CC2530芯片之上，作為控制端和被控對(duì)象的橋梁，他具有兩個(gè)功能，一個(gè)是把Zigbee終端采集的數(shù)據(jù)返回到Zigbee協(xié)調(diào)器，一個(gè)是Zigbee協(xié)調(diào)器根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)Zigbee終端進(jìn)行回傳，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反饋控制。

2.4 感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器模塊節(jié)點(diǎn)是鬧鈴感應(yīng)系統(tǒng)的基本組成單元， 其任務(wù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的感知采集， 處理及無(wú)線通信等， 由傳感器、處理器、 無(wú)線通信模塊和電源模塊組成。CC2530 芯片集成了微處理器和無(wú)線通信模塊， 大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。

2.5 鬧鐘模塊

鬧鐘模塊是鬧鈴響應(yīng)系統(tǒng)中的基本組成單元，基本任務(wù)是達(dá)到人們?cè)O(shè)定的時(shí)間之后就開(kāi)始響鈴，并使語(yǔ)音檢測(cè)模塊檢測(cè)到語(yǔ)音。硬件上采用單片機(jī)、數(shù)碼管、蜂鳴器等電子元器件組成，內(nèi)置了1302模塊；軟件上采用定時(shí)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，做到準(zhǔn)時(shí)響鈴。

2.6 壓力感應(yīng)模塊

壓力感應(yīng)模塊是用于預(yù)判人是否起床，鬧鈴的關(guān)閉與否也是取決于感應(yīng)之前和感應(yīng)之后的壓力，因此為了測(cè)定更準(zhǔn)確的壓力變化值，需要得到更準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。

壓力感應(yīng)模塊由傳感器、信號(hào)放大部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換部分構(gòu)成。它將應(yīng)變電阻值的變換轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這就是傳感器輸出的電信號(hào)。電橋電路有四個(gè)電阻，其中任何一個(gè)都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個(gè)對(duì)角線接入工作電壓U，另一個(gè)對(duì)角線為輸出電壓UO。當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，或者就有電壓輸出。如圖4所示即為全橋測(cè)量電橋圖。

圖4 全橋測(cè)量電橋圖

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

3. 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)為Zigbee無(wú)線通信協(xié)議與動(dòng)作控制程序的整合，動(dòng)作控制程序主要是通過(guò)預(yù)定協(xié)議協(xié)調(diào)各個(gè)模塊，最終使得完成動(dòng)作要求，下面是具體介紹：

控制端分為兩大部分，一部分是Zigbee終端的軟件設(shè)計(jì)，其中包括鬧鐘模塊的編程，即達(dá)到設(shè)定的時(shí)間之后實(shí)現(xiàn)響鈴的指令，ZigBee終端采集到聲音之后開(kāi)始反饋給Zigbee協(xié)調(diào)器。另一部分是設(shè)計(jì)由CC2530芯片響應(yīng)電阻式薄膜壓力傳感器（FSR402）所采集的電壓信號(hào)，與鬧鐘模塊的指令相反饋，即檢測(cè)有壓力信號(hào)就反饋標(biāo)志位1，檢測(cè)無(wú)壓力信號(hào)就反饋標(biāo)志位0。程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論

1）本設(shè)計(jì)的研究基于RFID與Zigbee cc2530建立自動(dòng)的反饋系統(tǒng)，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)，使得鬧鐘更具智能化。2）通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信息的實(shí)時(shí)反饋，其中“人不起床鈴聲不止”的設(shè)計(jì)理念，幫助使用者更加有規(guī)律的控制自己的作息，經(jīng)過(guò)測(cè)試，準(zhǔn)時(shí)起床的幾率達(dá)到93%以上，有助于當(dāng)代人形成良好的生物鐘。3）系統(tǒng)具有布置簡(jiǎn)單、成本低及穩(wěn)定性高等特點(diǎn)， 具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與商業(yè)推廣價(jià)值。

[1]李文仲.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2]劉文博,王濤,劉勇.基于ZigBee的奶牛采食量自動(dòng)記錄儀[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2014(10).

[3]仲隆健,趙宇萌,刁振霖,張國(guó)恒.一種排爆作戰(zhàn)一體化機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].西北民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,04:10-13+41.

[4]王萌.基于ZigBee技術(shù)的智能養(yǎng)殖系統(tǒng)[J].科技前沿,2012.

[5]張曉翟,基于ZigBee的實(shí)驗(yàn)室溫濕度集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].黑龍江:黑龍江大學(xué), 2011.

圖4 轉(zhuǎn)換操作示意圖

轉(zhuǎn)換的操作流程如圖4所示，可以分為如下步驟：1)使用包含Tatgetlink環(huán)境生成的a2l文件通過(guò)CANape工程自MCU中讀取標(biāo)定數(shù)據(jù)；2)在CDM Studio中用TL環(huán)境初始狀態(tài)的a2l文件加載標(biāo)定數(shù)據(jù)并以物理值形式保存； 3)在Matlab環(huán)境下運(yùn)行轉(zhuǎn)換腳本，將第二步中保存出的數(shù)據(jù)內(nèi)的二維數(shù)組進(jìn)行轉(zhuǎn)置，同時(shí)將字符形式的標(biāo)定量還原為數(shù)字格式；4)在CDM Studio工具中使用RTW平臺(tái)初始狀態(tài)的a2l文件加載轉(zhuǎn)置的數(shù)據(jù)并以物理值形式保存；5)使用包含RTW平臺(tái)a2l文件的CANape工程將第四步保存出來(lái)的數(shù)據(jù)刷寫(xiě)到MCU。

通過(guò)以上五個(gè)步驟即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)從Tatgetlink平臺(tái)向RTW平臺(tái)的轉(zhuǎn)換。

3 效果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換效果，在CANape工程中瀏覽數(shù)據(jù)刷寫(xiě)狀態(tài)。檢查工程中標(biāo)定量顯示的數(shù)值、信號(hào)的坐標(biāo)軸、二維信號(hào)坐標(biāo)軸與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系等信息。瀏覽檢查無(wú)明顯錯(cuò)誤后，在CDM Studio工具中對(duì)轉(zhuǎn)換前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并以轉(zhuǎn)換過(guò)程中保存出的數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，確保轉(zhuǎn)換前后數(shù)據(jù)的一致性。本文采用某款變速器的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并對(duì)比,使用CDM Studio工具的排除功能，檢查到有差別的數(shù)據(jù)如圖5所示。

數(shù)據(jù)出現(xiàn)差別的原因有以下幾種：1)轉(zhuǎn)置后的數(shù)據(jù)是物理值，而兩平臺(tái)下部分類型信號(hào)的單位定義不同，如壓力、轉(zhuǎn)速等。排除方法是直接對(duì)比初始狀態(tài)的物理值。2)由于使用的a2l文件不同，其內(nèi)部的計(jì)算方式不盡相同，讀取顯示出的數(shù)值尾數(shù)存在非常小的差異。排除方法是直接查看數(shù)據(jù)，數(shù)值相差非常小，在信號(hào)允許誤差范圍內(nèi)。3)部分信號(hào)顯示的單位名稱略有差異，如大小寫(xiě)格式等，排除方法是直接查看數(shù)據(jù)。

圖5 差異數(shù)據(jù)匯總

考慮這三種原因，并使用相應(yīng)的排除方法排除軟件檢測(cè)到不同的信號(hào)，即可排除全部有差別的信號(hào)。通過(guò)多次多種的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換驗(yàn)證，并通過(guò)整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了本文所述的轉(zhuǎn)換方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種汽車電子領(lǐng)域跨開(kāi)發(fā)平臺(tái)的標(biāo)定數(shù)據(jù)離線轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)應(yīng)用常用的工具和軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)在Targetlink嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和Matlab/Simulink/RTW Embedded Coder工具鏈之間轉(zhuǎn)換通用的過(guò)程。并通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該轉(zhuǎn)換方法的正確有效。

參考文獻(xiàn)

[1]王彪.面向汽車電子的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)基本平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn) [D].成都:電子科技大學(xué),2010.

[2]MATLAB軟件幫助.

[3]陳鵬.基于CCP協(xié)議發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2014.

The lazybones alarm clock based on ZigBee design

XU Dong-jie, ZANG Guan-hua , PAN Dan-mei , LV Xu,WANG Tao
( School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities, Lanzhou ,730030,China)

with the advent of the era of “Internet +”, in the life more and more items to realize intelligent control. Look now, college students commonly use an alarm clock, mobile phone to timing, however, in addition to both often occur when the timing is not allowed, and out of adaptability, everyone will be out of the idea of want to sleep involuntarily close them, lead to miss many important things. This study on the spot to Zigbee wireless transmission protocol as the beginning of the project design, through the feedback CC2530 chip with the voice module, in order to achieve the effect of“never pillow bell”, allowing students to a more regular routine.

Zigbee wireless transmission protocol; CC2530 chips; Voice detection; More regular routine

徐東杰（1996—），男，山東東營(yíng)人，2014級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生。

西北民族大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201610742086）。