朱青 昌小寶 張健

摘要：伴隨著這些年來綠色環(huán)保宣傳所帶來深入人心的效果，智能家居也搭上了這股熱潮，可以及時準確的監(jiān)控住宅內(nèi)電器的功率、電壓、電流等指標的智能化插排的重要性在不斷提升。本文以Zigbee無線網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插電板，從而實現(xiàn)對信息的監(jiān)控和采集，通過嵌入式處理器使家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)以及無線網(wǎng)絡之間實現(xiàn)互相連通，進一步實現(xiàn)計算機或手機等移動設備對終端進行控制。

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：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0284-03.

收稿日期：2019-10-28

基金項目：2018年度國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目：智能物聯(lián)網(wǎng)插電板（項目編號：201810959010）

作者簡介：朱青（1997—），女，安徽宿州人，本科，安徽三聯(lián)學院計算機工程學院學生，研究方向為智能家居;昌小寶（1997—），女，安徽

無為人，本科，安徽三聯(lián)學院計算機工程學院學生，研究方向為智能家居;張健（1979—），安徽泗縣人，碩士，安徽三聯(lián)學院計算機工程學院副教授，研究方向為無線傳感網(wǎng)。

1 概述

目前市場上大多的標識為智能插電板的產(chǎn)品，僅僅具備集中單一的功用，用途單一，且價格昂貴。本人自主設計的主控.制器為低功耗單片機，并添加室溫偵測、計時通斷、遠距離遙控、過載偵測等功效，具備漏電、過載、高壓及雷電防控功能，為了實現(xiàn)電器低功耗待機和智能化自動斷電功能，需把智能芯片內(nèi)嵌入插板內(nèi)，利用實時自動偵測電器用電量大小改變，成功實現(xiàn)了這一目標。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，擁有能耗低物美價廉、基于人性化設計等優(yōu)點。

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的基礎架構(gòu)為基礎，可完成近距、低耗、自由組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡通信，該架構(gòu)具備延展性高、成本低的長處。它的特征主要是自身的無線電協(xié)議，另外單個網(wǎng)絡節(jié)點有三類工作模式，包含：終端設備、協(xié)調(diào)器和路由器。這三類模式在運用時，都是以節(jié)點間做相互組網(wǎng)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間無線輸送。通過Zigbee進行數(shù)據(jù)傳輸，具備耗能低的特點，數(shù)據(jù)之間形成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，從節(jié)點之間不斷地傳遞，最終被終端被匯總接收，再進行數(shù)據(jù)的處理?；谶@種工作原理，通訊效率達到了一個非常高的層次，同時耗能也很低，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)絡拓撲結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡依照現(xiàn)實要求能夠?qū)崿F(xiàn)三類網(wǎng)絡拓撲組成，包含星型、網(wǎng)狀和簇狀網(wǎng)絡拓撲。

如圖1所示，星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，簡單地說就是一個單跳系統(tǒng)，所有設備（不包括網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器）都與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器這一點，他們之間進行雙向自由通信。其中這一點，也就是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器起協(xié)調(diào)作用，是星型拓撲中的中心，其他的節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送都將直接通過它來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其余的節(jié)點僅僅依附在周圍，不與其存在現(xiàn)實層面的關(guān)聯(lián)，此框架使得現(xiàn)實運行的過程中能耗最小，但不可進行長距離的通信。

如圖2所示，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)是把路由器當作數(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撲結(jié)構(gòu)，除協(xié)調(diào)器之外別的節(jié)點都存在某個父節(jié)點完成上級的數(shù)據(jù)傳送。明顯的，因為復雜的結(jié)構(gòu)，所以功耗也會隨之增強。

如圖3所示，簇狀拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)合了，上述兩種結(jié)構(gòu)的特點，其結(jié)構(gòu)特點是網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加復雜、豐富。組網(wǎng)的過程中，這種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)能夠很好地進行數(shù)據(jù)的長距離傳輸，這種拓撲的優(yōu)勢即是優(yōu)異的自我修復功能，當輸送過程中出現(xiàn)節(jié)點損壞的現(xiàn)象，網(wǎng)絡會自行組建新的網(wǎng)絡，使系統(tǒng)快速恢復正常狀態(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、廣播和點播。（1）點播：網(wǎng)絡系統(tǒng)中，若已知其中一個節(jié)點的網(wǎng)絡短地址，則可通過點點通信實現(xiàn)其他點與該點的連接。

（2）組播：網(wǎng)絡系統(tǒng)中，將一部分節(jié)點劃分為一個小組，僅小組內(nèi)的節(jié)點間能自由傳送信息，小組外的節(jié)點無此功能。

（3）廣播：網(wǎng)絡系統(tǒng)中，任意一個節(jié)點和任意其他一個節(jié)點之間都能進行信息的傳遞。

3 單片機電路設計

本智能家居系統(tǒng)中的Zigbee網(wǎng)絡硬件模塊包含電源、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)器進行串口通信聯(lián)絡方式，與此同時，互聯(lián)網(wǎng)與RJ45相連通。系統(tǒng)選用CC2530設計Zigbee協(xié)調(diào)器與終端的移動交互模塊。CC2530是一種全兼容性的8051內(nèi)核并且符合Zigbee 2007協(xié)議標準的無線射頻模式的單片機，是專用的Zigbee應用芯片，簡要說明如下所示：

（1）內(nèi)存、CPU

CC2530有三個各不相同的存儲器訪問總線：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現(xiàn)與數(shù)據(jù)、主SRAM之間的交互。

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

（2）電源、時鐘的管理

1.8V穩(wěn)壓低差電源給CC2530的外部設備和數(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，長壽命的差異化供電運行模式。

（3）外設CC2530有特別多的外設，在開發(fā)新應用時，這些外設使開發(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器里的全部內(nèi)容、還可以管控振蕩器的各部分應用、另外，還可以調(diào)節(jié)用戶網(wǎng)絡程序的起始、完成8051核心命令、設立代碼的斷點，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)控配置外設組件受軟件控制的與否以及對某個腳本的控制與否，如果是，則可以通過為每個引腳配置輸入或輸出，連接上拉電阻或下拉電阻，來中斷分開每個引腳。

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

④定時器一是16位的定時器，它具有PWM、定時以及計數(shù)的功能。定時器二（也被稱為MAC定時器），是專門為IEEE802.15.4MAC而設計的。定時器三和定時器四皆是8位定時器，和定時器一樣，也具有定時、計數(shù)和PWM三個功能。

⑤功耗最低定時器是睡眠定時器。在3供電模式工作模式下，睡眠定時器除了會繼續(xù)工作之外，還負擔著實時計數(shù)器的工作，除此之外，也可以作為一個喚醒定時器從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AES協(xié)調(diào)處理器來利用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)置的看門狗定時器在固件掛起設備的情況下允許復位自己。當看門狗定時器利用軟件行使功能的時候，它必須定期清除，以免超時后復位設備。

（4）無線電

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

4 Zigbee終端設備軟件設計

智能插座裝置接電后，對網(wǎng)絡狀態(tài)、發(fā)送序列號及任務ID執(zhí)行初始化操作始化操作，并對節(jié)點實行初始化操作后完成注冊，并行初始化UART串口設置，包括波特率為9600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗位無，硬件控制流無。

智能插座會在手機端完成增設后，自行對Zigbee網(wǎng)絡進行搜索，并且連接。

當設備接入網(wǎng)絡之后，可以激活并且上報，CC2530芯片把，版本號打包到數(shù)據(jù)幀之中，并且傳送到服務器上，此外，機動查詢插座狀態(tài)的事件，向插座內(nèi)單片機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，則應用串口回調(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)測試

5.1 系統(tǒng)通信測試

被測試的是系統(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，最后在連通服務器。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部配備的協(xié)調(diào)器組件，主要負責組建網(wǎng)絡，傳送數(shù)據(jù)，傳送控制指令的任務，同時共同測試創(chuàng)建Zigbee無線網(wǎng)絡;智能插座在接入Zigbee網(wǎng)絡后，測試它的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)發(fā)送以及執(zhí)行命令等功能;手機客戶端測試智能插座通斷電，及智能插座定時開關(guān)信息遠程查看。

智能插座通電后，當藍燈亮時，說明已經(jīng)成功接入服務器，當紅燈持續(xù)閃亮10秒鐘，意味著智能插座裝置上實現(xiàn)上電而且完成初始化;當手機APP和網(wǎng)關(guān)聯(lián)通到同樣的路由器后，選擇新增設備，在設備顯示界面，網(wǎng)關(guān)設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)性能測試

將手機客戶端打開，打開終端設備后，選擇添加設備，在手機客戶端查看能不能獲得終端的實時狀態(tài)信息，如果可以，就可以實現(xiàn)手機移動客戶端的遠程調(diào)控和監(jiān)測。將智能插座開啟，手機端插座按下按鈕顯示打開，將智能插座關(guān)閉，手機端插座顯示關(guān)閉，如圖4所示。

綜上所述，本系統(tǒng)按照當代用戶的需求進行分析，結(jié)合總體設計方案的標準，具體功能如下：

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

（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;自動檢測過流過載情況，進行自動斷電安全保護

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

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

（5）遠程手機端APP，對上傳的消息，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操作并查閱，再實現(xiàn)智能操控。

6 結(jié)束語

實際生活和生產(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)新和實用價值。物聯(lián)網(wǎng)應用Zigbee技術(shù)實現(xiàn)各個節(jié)點之間通訊一般，它不但有效性高，同時能耗較低和創(chuàng)建網(wǎng)絡便捷。本文以Zigbee無線網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎，設計了此款物聯(lián)網(wǎng)智能插電板，從而可以實現(xiàn)對信息的監(jiān)控和采集，通過嵌入式處理器使家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡系統(tǒng)和Internet網(wǎng)與無線網(wǎng)絡之間實現(xiàn)互相連通，進一步實現(xiàn)計算機或手機等移動設備對終端進行控制。本文提出的系統(tǒng)通過實現(xiàn)無線組網(wǎng)技術(shù)與家庭網(wǎng)絡之間良好的信息溝通，達到了家庭內(nèi)部電路信息能被很好地監(jiān)測從而實現(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線通信。因此，該系統(tǒng)在很大的程度上，為當代社會人們的日常起居生活提供了非常大的便利，與此同時，也對未來智能時代，家居系統(tǒng)的前沿研究和實際運用，都具有很好利用參考價值。