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）

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(cè)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(wú)線技術(shù)，其次在通過(guò)對(duì)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(wú)線技術(shù)在其中的應(yīng)用，最后對(duì)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(guò)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(jiǎn)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(shí)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(duì)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(guò)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(wú)線技術(shù)，保證整個(gè)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(lái)自Dahlander對(duì)開(kāi)放式創(chuàng)新核心過(guò)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(ài)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(tái)之下實(shí)施創(chuàng)新活動(dòng)并且通過(guò)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(gè)人為代表的需求者通過(guò)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(jiàn)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(duì)比，眾創(chuàng)具有其獨(dú)有的特點(diǎn)（見(jiàn)下頁(yè)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(gè)人創(chuàng)業(yè)的門檻。眾創(chuàng)往往是基于興趣愛(ài)好，或者是簡(jiǎn)單的利益關(guān)系而聯(lián)合起來(lái)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(lái)，眾創(chuàng)的范圍和規(guī)模會(huì)大大增加，相互之間的變動(dòng)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(kāi)來(lái)，傳統(tǒng)行業(yè)面臨著巨大的變革?，F(xiàn)有知識(shí)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(guò)程中，互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)時(shí)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(shí)候，互聯(lián)網(wǎng)也提供了廣闊的市場(chǎng)和眾多的平臺(tái)。

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(gè)人的創(chuàng)新能力，不再受到束縛和質(zhì)疑，所以要利用個(gè)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(duì)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(jiàn)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(shí)地利用大眾智慧，而大眾通過(guò)分辨機(jī)會(huì)也加入到此次創(chuàng)新過(guò)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(dòng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)科技來(lái)號(hào)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(tái)提供的創(chuàng)新機(jī)會(huì)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(méi)有明確地創(chuàng)新需求的情況下，大眾通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)獲取創(chuàng)新機(jī)會(huì)，從而進(jìn)行創(chuàng)新過(guò)程使產(chǎn)品商業(yè)化。這種模式下，企業(yè)并沒(méi)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(chǎng)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(lái)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(lái)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各類設(shè)備之中。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種較其它幾種常用無(wú)線傳輸方式更便宜，更省電的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)（見(jiàn)表3）［5］。

表2　眾創(chuàng)的分類

表3　無(wú)線傳輸方式的比較

ZigBee無(wú)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(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。

2）低成本。通過(guò)簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)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(guò)路由和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橋接，傳輸距離更遠(yuǎn)。

4）短時(shí)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(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用訪問(wèn)控制清單以及高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)家庭照明、供熱及空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行智能管理，并能通過(guò)自動(dòng)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(guò)嵌入式智能化裝置進(jìn)行能耗優(yōu)化。

3）便利性。支持無(wú)線安裝和升級(jí)，組成家具控制系統(tǒng)，可通過(guò)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(guò)無(wú)線傳感器監(jiān)控各種環(huán)境參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(chǎng)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(guò)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)這一平臺(tái)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(gè)功能。

1）防干涉功能：通過(guò)對(duì)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(wú)線路由器功能：提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)處理數(shù)據(jù)。

4）家庭環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能：在不影響插座常規(guī)使用的前提下，通過(guò)相對(duì)應(yīng)的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(kāi)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(wú)線路由功能，通過(guò)各類傳感器收集數(shù)據(jù)的家庭助手，將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至智能插座主體。智能插座主體內(nèi)的無(wú)線路由模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將其同步到Internet網(wǎng)，無(wú)論使用者在任何場(chǎng)合，只要將手機(jī)連接到Internet網(wǎng)，便能通過(guò)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(gè)模塊，四個(gè)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(guó)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(gè)側(cè)面，每個(gè)側(cè)面有一個(gè)新國(guó)標(biāo)五號(hào)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(jiàn)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(jiǎn)潔高效的AT指令，用來(lái)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)手機(jī)軟件與個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸。既提供無(wú)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(gè)USB插孔，電流強(qiáng)度分別為1 A、1 A、2 A、2 A，為不同型號(hào)的手機(jī)充電（見(jiàn)下頁(yè)圖6）。

3）主體底部模塊：設(shè)有整個(gè)主體的開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(shí)感應(yīng)器可以感應(yīng)人體的活動(dòng)，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(shí)間，感應(yīng)器上的光控開(kāi)關(guān)可以讓使用者在白天不會(huì)觸發(fā)紅外開(kāi)關(guān)，感應(yīng)器的容錯(cuò)性極高。

5）天然氣報(bào)警模塊：天然氣傳感器（見(jiàn)圖9）可以靈敏的捕捉到廚房?jī)?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(lái)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(jiàn)圖10）是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)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(shí)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(jiàn)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(lái)捕捉太陽(yáng)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(dòng)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(gè)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(shí)代創(chuàng)新模式的趨勢(shì)。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。“新模式—穩(wěn)技術(shù)—好產(chǎn)品”模式將會(huì)成為未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

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（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。