劉政源，陳曉航

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北武漢430056）

基于眾創(chuàng)模式和ZigBee的智能插座設(shè)計(jì)

劉政源，陳曉航

（武漢商學(xué)院機(jī)電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北武漢430056）

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，它將實(shí)現(xiàn)家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的重要組成部分，它具有智能控制、本地檢測等多種功能。本文首先分析了當(dāng)下最為主流創(chuàng)新模式——眾創(chuàng)模式以及在智能家居領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的ZigBee無線技術(shù)，其次在通過對眾創(chuàng)模式的實(shí)踐分析確定了智能插座功能的基礎(chǔ)上，研究了ZigBee無線技術(shù)在其中的應(yīng)用，最后對智能插座進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)，使其功能完全實(shí)現(xiàn)。

眾創(chuàng)、智能家居、ZigBee、智能插座

引言

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)所拓展的網(wǎng)絡(luò)，被譽(yù)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)通過紅外線感應(yīng)、定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設(shè)備把物品和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，從而便于信息的通信和交流。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，它利用其相關(guān)技術(shù)將生活中的家居進(jìn)行模塊化、簡單化，構(gòu)建了高效的管理系統(tǒng)，這樣就使得家居的可靠性、便利性和舒適性都得到了極大地提高，同時實(shí)現(xiàn)了綠色低碳的居住環(huán)境。

本文從主要功能和硬件設(shè)計(jì)兩方面對一種智能插座進(jìn)行介紹，而智能插座決定了智能家居管理系統(tǒng)的成敗。通過眾創(chuàng)模式確定智能插座的多種功能，讓智能插座與單一功能的傳統(tǒng)插座有所區(qū)別。通信技術(shù)是智能插座硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，采用ZigBee無線技術(shù)，保證整個智能插座系統(tǒng)通信的高效、穩(wěn)定。

1　眾創(chuàng)模式的概念、特征及分類

1.1眾創(chuàng)的概念

本文提到的眾創(chuàng)是來自Dahlander對開放式創(chuàng)新核心過程的界定：眾創(chuàng)指的是基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前提下，一方面由熱愛創(chuàng)新的大眾為代表的創(chuàng)新者在由企業(yè)搭建的或者自發(fā)形成的互聯(lián)網(wǎng)平臺之下實(shí)施創(chuàng)新活動并且通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行創(chuàng)新成果的展示或出售；另一方面由其他企業(yè)或個人為代表的需求者通過互聯(lián)網(wǎng)搜索和獲取創(chuàng)新成果并加以利用的一種新型創(chuàng)新模式［1］（見圖1）。

圖1　眾創(chuàng)模式

1.2眾創(chuàng)的特征

與一般的合作創(chuàng)新對比，眾創(chuàng)具有其獨(dú)有的特點(diǎn)（見下頁表1）。主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

1）眾創(chuàng)具有可參與式的特點(diǎn)。與一般的合作創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)相比，眾創(chuàng)的主體是大眾群體，而不是公司、學(xué)校等集體組織，所以降低了個人創(chuàng)業(yè)的門檻。眾創(chuàng)往往是基于興趣愛好，或者是簡單的利益關(guān)系而聯(lián)合起來的微弱關(guān)系，相互比較獨(dú)立和輕松。在此情況下，人人都可以參與進(jìn)來，眾創(chuàng)的范圍和規(guī)模會大大增加，相互之間的變動性和協(xié)調(diào)性得到了均衡。

2）眾創(chuàng)模式以互聯(lián)網(wǎng)為載體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)滋生興起并迅速發(fā)展開來，傳統(tǒng)行業(yè)面臨著巨大的變革?，F(xiàn)有知識的獲取，信息的共享，溝通和交流，商業(yè)化的發(fā)展都是基于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的。在計(jì)劃實(shí)施的過程中，互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)時監(jiān)控和反饋，創(chuàng)新者也可以和外界很好的交流和合作。在成果展示和經(jīng)驗(yàn)交流的時候，互聯(lián)網(wǎng)也提供了廣闊的市場和眾多的平臺。

3）眾創(chuàng)降低了傳統(tǒng)創(chuàng)新模式下的研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高了創(chuàng)新的效率。眾創(chuàng)模式下的創(chuàng)新是充分發(fā)揮個人的創(chuàng)新能力，不再受到束縛和質(zhì)疑，所以要利用個人創(chuàng)新的成果，加以復(fù)制和傳播，人人都可以提高效率，從而獲得成功。而這些都是有成功的先例，又是在企業(yè)外部進(jìn)行的，所以企業(yè)不必承擔(dān)創(chuàng)業(yè)失敗和投入失誤的風(fēng)險(xiǎn)［2］。

表1　眾創(chuàng)與一般合作創(chuàng)新的對比

1.3眾創(chuàng)的分類

眾創(chuàng)分為企業(yè)主導(dǎo)式眾創(chuàng)和大眾主導(dǎo)式眾創(chuàng)兩大類［2］（見表2）。

1）企業(yè)主導(dǎo)式眾創(chuàng)：在企業(yè)具有明確地創(chuàng)新需求的情況下，有意識地利用大眾智慧，而大眾通過分辨機(jī)會也加入到此次創(chuàng)新過程中。這種模式下，企業(yè)是創(chuàng)新的提倡者和主導(dǎo)者，根據(jù)古話“眾人拾柴火焰高”這種邏輯思維的引導(dǎo)之下，主動通過互聯(lián)網(wǎng)科技來號召大眾去完成創(chuàng)新。大眾是創(chuàng)新的參與者，也是最終的受益者，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺提供的創(chuàng)新機(jī)會適當(dāng)?shù)倪x擇內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新，與企業(yè)達(dá)成共贏。

2）大眾主導(dǎo)式眾創(chuàng)：在企業(yè)沒有明確地創(chuàng)新需求的情況下，大眾通過互聯(lián)網(wǎng)主動獲取創(chuàng)新機(jī)會，從而進(jìn)行創(chuàng)新過程使產(chǎn)品商業(yè)化。這種模式下，企業(yè)并沒有明確創(chuàng)新目標(biāo)，而是使大眾以自身的興趣為目標(biāo)導(dǎo)向，充分利用自身的優(yōu)點(diǎn)和條件資源，進(jìn)行即興創(chuàng)作和自主創(chuàng)新形成最終創(chuàng)意，進(jìn)而把產(chǎn)品市場化。

2　ZigBee技術(shù)介紹及應(yīng)用

2.1ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee（又稱紫峰協(xié)議）是以IEEE802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。這一名稱又稱紫蜂協(xié)議，來源于蜜蜂所跳的ZigZag形狀的八字舞蹈，蜜蜂（bee）是靠這種舞蹈來向蜂群指引發(fā)現(xiàn)食物源的位置，方向和距離等信息。這也就是蜜蜂在自然中賴以生存和發(fā)展的通信交流方式，從而構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各類設(shè)備之中。簡而言之，ZigBee就是一種較其它幾種常用無線傳輸方式更便宜，更省電的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)（見表3）［5］。

表2　眾創(chuàng)的分類

表3　無線傳輸方式的比較

ZigBee無線技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1）低功耗。待機(jī)功耗極低，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。

2）低成本。通過簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，并且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為12元。

3）近距離。傳輸范圍在10～100 m間，在增加其發(fā)射功率后，亦可增加至1～3 km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橋接，傳輸距離更遠(yuǎn)。

4）短時延。響應(yīng)速度較快，在15 ms到30 ms之間。相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

5）高安全。提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單以及高級加密標(biāo)準(zhǔn)對稱密碼，可靈活確定其安全屬性。

2.2ZigBee在智能家居中的應(yīng)用

1）控制功能。對家庭照明、供熱及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行智能管理，并能通過自動控制家居系統(tǒng)降低能耗，提高便利性和安全性。

2）節(jié)能。可獲取詳細(xì)的能耗數(shù)據(jù)，并通過嵌入式智能化裝置進(jìn)行能耗優(yōu)化。

3）便利性。支持無線安裝和升級，組成家具控制系統(tǒng)，可通過單一控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理。

4）安全性。通過無線傳感器監(jiān)控各種環(huán)境參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)控和異常報(bào)警［6］。

圖2　ZigBee在智能家居中的應(yīng)用

3　智能插座的設(shè)計(jì)

3.1眾創(chuàng)模式下智能插座功能的確定

采用企業(yè)主導(dǎo)式眾創(chuàng)，首先基于市場需求，確定多功能多用途的智能插座為創(chuàng)新目標(biāo)，然后將設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中所面臨的難點(diǎn)分解成模塊化的創(chuàng)新需求，進(jìn)而通過互聯(lián)網(wǎng)這一平臺尋求大眾創(chuàng)新者的合作和參與，最終確定了智能插座的以下幾個功能。

1）防干涉功能：通過對智能插座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，防止插頭相互干涉。

2）USB充電功能：在智能插座上設(shè)置USB接口，避免電源適配器占用插孔的情況發(fā)生。

3）無線路由器功能：提供無線網(wǎng)絡(luò)的連接，同時處理數(shù)據(jù)。

4）家庭環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能：在不影響插座常規(guī)使用的前提下，通過相對應(yīng)的傳感器實(shí)時監(jiān)測房屋中的溫濕度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)。

3.2ZigBee模塊設(shè)計(jì)

為保證成本較低，開發(fā)方法靈活。選用了Freescale公司的MC13192芯片，其符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它的工作頻率為2.405～2.480GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbit/s，采用O-QPSK調(diào)試方式，芯片采用可編程功率輸出模式，發(fā)送功率0～4 d Bm，接收靈敏度～92dBm，傳輸距離可達(dá)30～70m［7］。

3.3智能插座硬件設(shè)計(jì)

智能插座的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，主體部分實(shí)現(xiàn)插座、USB充電以及無線路由功能，通過各類傳感器收集數(shù)據(jù)的家庭助手，將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能插座主體。智能插座主體內(nèi)的無線路由模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將其同步到Internet網(wǎng)，無論使用者在任何場合，只要將手機(jī)連接到Internet網(wǎng)，便能通過手機(jī)軟件查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖3　智能插座設(shè)計(jì)框圖

智能插座的主體分為三個模塊，四個家庭助手代表四種傳感器模塊，外觀如圖4所示。

1）主體上部模塊：結(jié)合了中國天圓地方的理念和古埃及金字塔的形狀，在頂端做圓角處理，而金字塔式的形狀讓它擁有四個側(cè)面，每個側(cè)面有一個新國標(biāo)五號插孔，避免了插孔之間的相互干擾。另根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，該坡度的斜面可讓插頭更為方便插入（見圖5）。

圖4　智能插座整體

圖5　主體上部模塊

2）主體中部模塊：內(nèi)設(shè)路由器WiFi模塊，支持AP、STA、AP+STA共存模式，具有完善簡潔高效的AT指令，用來實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)手機(jī)軟件與個傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。既提供無線網(wǎng)絡(luò)連接，又作為接受傳感器數(shù)據(jù)的總站。棱角處設(shè)有四個USB插孔，電流強(qiáng)度分別為1 A、1 A、2 A、2 A，為不同型號的手機(jī)充電（見下頁圖6）。

3）主體底部模塊：設(shè)有整個主體的開關(guān)，殼體加厚的設(shè)計(jì)使得底部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定（見圖7）。

圖6　主體中部模塊

圖7　主體下部模塊

4）人體紅外線感應(yīng)燈模塊：人體紅外線感應(yīng)器（見圖8）采用蜂窩型菲涅爾透鏡，BIS0001專業(yè)人體熱釋電紅外處理芯片。同時感應(yīng)器可以感應(yīng)人體的活動，使用者還可以根據(jù)使用者的需求調(diào)節(jié)感應(yīng)的范圍和燈亮的時間，感應(yīng)器上的光控開關(guān)可以讓使用者在白天不會觸發(fā)紅外開關(guān)，感應(yīng)器的容錯性極高。

5）天然氣報(bào)警模塊：天然氣傳感器（見圖9）可以靈敏的捕捉到廚房內(nèi)天然氣和煤氣的濃度，模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高，一但氣體的濃度偏高，使用者的手機(jī)就能收到來自家庭助手的警報(bào)電話，最大限度的防止危險(xiǎn)的發(fā)生。

圖8　人體紅外線感應(yīng)器

圖9　天然氣傳感器

6）溫濕度監(jiān)控模塊：溫濕度傳感器（見圖10）是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。此模塊可以幫助使用者了解室內(nèi)的溫度及濕度，當(dāng)使用者使用空調(diào)和暖氣的時候，溫濕度就可以幫助使用者判斷是否需要加濕器工作讓使用者所處的環(huán)境更加舒適。

7）光線強(qiáng)度監(jiān)控模塊：光線強(qiáng)度傳感器（見圖11）是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路利用它的高分辨率來捕捉太陽光線，使用者看到手機(jī)軟件上的健康提示，適合外出運(yùn)動或者提前做好防曬準(zhǔn)備，有利于身心健康。

圖10　溫濕度感應(yīng)器

圖11　光線強(qiáng)度傳感器

4　結(jié)論與展望

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出用新的創(chuàng)新模式確定產(chǎn)品的功能及用途，用成熟的技術(shù)使功能得以完美實(shí)現(xiàn)，最終完成整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)，即“新模式—穩(wěn)技術(shù)—好產(chǎn)品”模式。

“眾創(chuàng)”是一種新的創(chuàng)新模式，是新時代創(chuàng)新模式的趨勢。新的創(chuàng)新模式讓產(chǎn)品人性化、多樣化，成熟的技術(shù)保證產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠?！靶履Ｊ健€(wěn)技術(shù)—好產(chǎn)品”模式將會成為未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢。

［1］Dahlander L，Gann D M.Howopen is innovation？［J］.Research Policy，2010，39（6）:699-709.

［2］劉志迎，陳青祥，徐毅.眾創(chuàng)的概念模型及其理論解析［J］.科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理.2015（2）:56-57.

［3］Surowiecki J.The Wisdom of Crowds:Why the Manyare Smarter than the fewand HowCollective Wis-domShapes Business［M］.NewYork: KnopfDouble-dayPublishingGroup，2004.

［4］Le Q，Panchal J H.Modeling the effect of product ar-chitecture on mass-collaborative processes［J］.Journal of Computing and Information Science in Enginee-ring，2011，11（1）:1-13.

［5］李毅.基于無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的用電需求側(cè)全面監(jiān)測［J］.四川電力技術(shù)，2010，33（2）：80-82.

［6］江修波.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用［J］.低壓電器，2005（7）:13-14.

［7］徐偉，姜元建，王斌.ZigBee技術(shù)在智能插座設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2011（3）:32-34.

［8］徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］.中國儀器儀表，2010（10）:61-62.

［9］項(xiàng)粵生，高瑞霞，鄔楊波，謝建軍.基于單片機(jī)的智能插座的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012（9）:17-18.

［10］王佑鎂.發(fā)現(xiàn)創(chuàng)客:新工業(yè)革命視野下的教育新生態(tài)［J］.開放教育研究，2015（5）:27-29.

（編輯：劉楠）

Smart Socket Design Based on Public Record and Zigbee

Liu Zhengyuan，Chen Xiaohang
（Wuhan Business University，Wuhan Hubei 430056）

Intelligent Home Furnishingis one ofthe main applications ofthe Internet ofthings，it will realize the intelligence and information Home Furnishing.Smart socket is an important part of the intelligent Home Furnishing，it has many functions of intelligent control，local detection etc.This paper first analyzes the at present most mainstreaminnovation mode--public record mode and widelyused in the field of intelligent homewirelesstechnologyZigBee，secondlythroughtoallapracticeanalysisidentifiedbasedonintelligentsocketfunctiontostudythe applicationofZigBeewirelesstechnologyinthe，finallycarriesonthedesignofafullrangeofintelligentsocket，theapplicationisfullyfunctional.

public record；smart home；ZigBee；smart socket

TM503.5

A

2095-0748（2016）13-0117-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.47

2016-05-25

劉政源（1994—），男，本科，畢業(yè)于武漢商學(xué)院。通訊作者：陳曉航（1986—），男，碩士，現(xiàn)就職于武漢商學(xué)院，助教。