基于ZigBee技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)沙盤設(shè)計(jì)

劉振山

摘要：本文以智能家居為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型載體，采用ZigBee、藍(lán)牙、App Inventor等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了集傳感器應(yīng)用、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)等于一體的實(shí)訓(xùn)沙盤。給出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成，硬件模塊，軟件設(shè)計(jì)。智能家居實(shí)訓(xùn)沙盤是提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)技術(shù)學(xué)習(xí)的有效載體，也是培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和提高綜合實(shí)踐能力的良好平臺(tái)。

Abstract： This paper takes smart home as the typical carrier of Internet of Things technology， and adopts ZigBee， Bluetooth， App Inventor and other related technologies to design a training sand table integrating sensor application， wireless self-organizing network， wireless data transmission and mobile application development. The overall structure of the system， hardware modules， and software design are given. The smart home training sand table is an effective carrier to enhance students' professional quality and carry out professional technology learning of the Internet of Things. It is also a good platform for cultivating their innovative spirit and improving their comprehensive practical ability.

關(guān)鍵詞：ZigBee;藍(lán)牙;智能家居;App Inventor

Key words： ZigBee;Bluetooth;smart home;App Inventor

中圖分類號(hào)：TP212.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0145-03

0 ?引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居也逐漸走入千家萬(wàn)戶。它能將住宅中各種通信設(shè)備、家電通過(guò)有線或無(wú)線的方式連接起來(lái)，并通過(guò)安置各類傳感器采集環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制和管理以及對(duì)家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制，為住戶提供安全舒適、高效便利的生活環(huán)境。并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中或異地的監(jiān)控、管理。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型載體，它融合了電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及通信、軟件等相關(guān)技術(shù)。本文依此為背景，設(shè)計(jì)集傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙、App Inventor等于一體的實(shí)訓(xùn)沙盤，可加深對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)知識(shí)的掌握，大大提高學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本實(shí)訓(xùn)沙盤由環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、移動(dòng)端應(yīng)用三部分構(gòu)成，如圖1所示。環(huán)境信息采集采用ZigBee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用TI公司的CC2530F256芯片設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器以及節(jié)點(diǎn)板，搭建感知層網(wǎng)絡(luò)，確保傳感器以及受控件的數(shù)據(jù)和命令能夠以最小成本傳輸。數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸采用HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，移動(dòng)端應(yīng)用采用App Inventor完成安卓端程序開發(fā)。

本系統(tǒng)擁有光照、溫度和濕度傳感器以及各個(gè)房間的燈、電視、排風(fēng)設(shè)備、門磁等受控件。當(dāng)系統(tǒng)采集到光照度數(shù)據(jù)并與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)光照度不合理時(shí)，會(huì)及時(shí)的將數(shù)據(jù)上傳至手持終端，如果模式為全自動(dòng)，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)光照度進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如光照度不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將房間的燈打開，為用戶提供光照。如果為手動(dòng)模式，則管理者可以根據(jù)自己的判斷對(duì)家居照明進(jìn)行控制。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

在本系統(tǒng)中，傳感器采用了光照度、溫度濕度、可燃?xì)怏w這三種傳感器。通過(guò)這三個(gè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)光照控制、溫度控制和濕度控制。

2.1.1 光敏電阻

智能家居中通過(guò)對(duì)光照度的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的智能控制。光敏電阻是檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度的常用傳感器。光敏電阻器對(duì)可見光的敏感性與人眼對(duì)光的響應(yīng)非常接近，因此適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

常用的光敏電阻是由制成的，常見制作材料為硫化鎘。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)入射光子射入到半導(dǎo)體表面時(shí)，半導(dǎo)體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使其自生電導(dǎo)增大。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過(guò)，光敏電阻在家居環(huán)境使用時(shí)通常加直流電壓。

2.1.2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

溫濕度是家居環(huán)境的重要指標(biāo)之一，對(duì)溫濕度的采集選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器內(nèi)部包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，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。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品可靠性高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、品質(zhì)卓越。另外還具有抗干擾能力強(qiáng)、超快響應(yīng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。DHT11為4針單排引腳封裝，采用單線制串行接口，連接方便、體積小、功耗低，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。

2.1.3 可燃?xì)怏w傳感器

半導(dǎo)體型氣體傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏器件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，來(lái)檢測(cè)氣體的成分或濃度的氣體傳感器。對(duì)于電阻式半導(dǎo)體型氣體傳感器，其阻值隨敏感氣體的濃度的變化而變化。在實(shí)際使用時(shí)，通常使用運(yùn)放、比較器等信號(hào)調(diào)理電路，將阻值的變化轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，而IEEE 802.15.4是針對(duì)低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)制定的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，具有低能量消耗、低速率傳輸、低成本等特點(diǎn)。因此ZigBee技術(shù)適用于布線困難、數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)變化緩慢、功耗要求高的工作場(chǎng)合。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納多達(dá)65000個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，通信距離可達(dá)75m。

本設(shè)計(jì)中，ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊采用TI的CC2530作為核心。CC2530集成增強(qiáng)型8051MCU、和無(wú)線通信模塊，支持ZigBee 2007/PRO協(xié)議，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。

在智能家居沙盤中，由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接各類傳感器和執(zhí)行器，其中傳感器類節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境信息采集和數(shù)據(jù)上傳，執(zhí)行器類節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收和執(zhí)行指令。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收發(fā)以及通過(guò)串口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。

根據(jù)智能家居項(xiàng)目需求，采用ZigBee這種無(wú)線通信技術(shù)，適合低數(shù)據(jù)傳輸率、低成本、數(shù)據(jù)量少、低功耗、安全可靠性高的應(yīng)用場(chǎng)景，做為該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)通信方式最為合適。

2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙最早是一種用于手機(jī)與其附件之間相互通信的無(wú)線模塊，用于短距離無(wú)線通信，采用FHSS擴(kuò)頻方式，按功能分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語(yǔ)音模塊。藍(lán)牙模塊可以避免射頻信號(hào)到中頻信號(hào)的變換，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)中使用的HC-05是一個(gè)低功耗，高性能無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，低成本，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的藍(lán)牙模塊?？梢酝ㄟ^(guò)串口連接單片機(jī)或ZigBee進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，可在上位機(jī)上用AT指令對(duì)其參數(shù)進(jìn)行配置。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee程序設(shè)計(jì)

主要由協(xié)調(diào)器端程序和終端節(jié)點(diǎn)程序組成。協(xié)調(diào)器程序負(fù)責(zé)接收終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)信息，并將信息通過(guò)串口發(fā)送至藍(lán)牙透?jìng)髂K，同時(shí)也通過(guò)藍(lán)牙接收手機(jī)發(fā)送的控制命令，并將控制命令廣播至各終端節(jié)點(diǎn)。而終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感器信息的定時(shí)采集與發(fā)送，或者信息接收與控制命令的執(zhí)行。

在程序部分，需要對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷竭M(jìn)行修改。

/*****************SENSOR端發(fā)送數(shù)據(jù)格式說(shuō)明*****************

0xFF0xFD：為固定數(shù)據(jù)頭（2byte）

Type：為發(fā)送數(shù)據(jù)類型（1byte）

len：為發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（1byte），數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不包含固定頭、數(shù)據(jù)類型、校驗(yàn)位

DATA0-DATAn：為發(fā)送的數(shù)據(jù)（nbyte）

CheckSum：發(fā)送數(shù)據(jù)校驗(yàn)和（1byte），校驗(yàn)和為所有數(shù)據(jù)相加的低8位

***********************************************************/}

3.2 藍(lán)牙模塊設(shè)置

主要是通過(guò)AT指令集配置相關(guān)參數(shù)，如模塊名稱、配對(duì)密碼、數(shù)據(jù)傳輸速率等。在本設(shè)計(jì)中，模塊名稱為HC-05，配對(duì)密碼為1234，通信波特率為9600。命名如下：

AT + NAME = “HC-05”＼r＼n——設(shè)置模塊設(shè)備名為：

“HC-05”

OK

at+name？＼r＼n+NAME：

Beijin

OK

AT + PSWD = 1234 ?——設(shè)置配對(duì)密碼

AT + UART = 9600，0，0 ?——藍(lán)牙通信串口波特率為9600，停止位1位，無(wú)校驗(yàn)位

3.3 App Inventor開發(fā)

由于簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，安卓端的開發(fā)使用了當(dāng)下流行的Appinventor2。Appinventor是由Google公司開發(fā)的一款在線開發(fā)的Android編程工具軟件，通過(guò)圖像化積木式的拖放組件來(lái)完成Apps開發(fā)。Appinventor在2012年1月移交給麻省理工學(xué)院MIT的行動(dòng)學(xué)習(xí)中心，并由MIT發(fā)布使用，目前已經(jīng)發(fā)布到第2版本。

以下為關(guān)鍵代碼：

4 ?安裝測(cè)試

ZigBee協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)程序燒寫完成后，連接好相應(yīng)傳感器。根據(jù)智能家居沙盤分區(qū)情況安裝到相應(yīng)的位置，如客廳、廚房、臥室等。系統(tǒng)加電后，可以在PC端查看傳感器節(jié)點(diǎn)是否已經(jīng)成功組網(wǎng)，若為成功組網(wǎng)，則需要查詢PANID以及CHANNLID。只有在相同的PANID和CHANNLID下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)成功組建。經(jīng)過(guò)調(diào)試后，所有的傳感器已經(jīng)成功加入網(wǎng)絡(luò)。App編譯打包后，安裝在安卓手機(jī)上。用手機(jī)搜索藍(lán)牙，并配對(duì)成功，在手機(jī)APP上查看房間的環(huán)境參數(shù)，操作家居系統(tǒng)中的控制設(shè)備，完成房間燈開關(guān)，電視機(jī)的開關(guān)，開啟/關(guān)閉廚房的排風(fēng)設(shè)備等操作。當(dāng)勾選聯(lián)動(dòng)模式時(shí)，室內(nèi)的照明裝置會(huì)自動(dòng)隨光照值得變化而進(jìn)行變化，并將光照數(shù)值及設(shè)備狀態(tài)同步到手機(jī)端。

5 ?總結(jié)

本設(shè)計(jì)以智能家居應(yīng)用為載體，采用ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，采用App Inventor進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、顯示和控制，構(gòu)成一套完整的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)及實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。包括了傳感器技術(shù)、短距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙應(yīng)用、移動(dòng)開發(fā)、電子技術(shù)應(yīng)用、焊接與調(diào)試等物聯(lián)網(wǎng)課程的知識(shí)技能點(diǎn)。并且可以根據(jù)需要進(jìn)行傳感器模塊的增減、采用WiFi無(wú)線傳輸、更換移動(dòng)端開發(fā)方式等。該實(shí)訓(xùn)沙盤對(duì)于提高學(xué)生實(shí)踐技能、掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、開拓創(chuàng)新能力、科技普及展示等方面均可起到較好的作用。

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