基于ZigBee技術(shù)的智能電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周小勇

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 漳州 363000）

0 引言

面對(duì)日漸加快的生活節(jié)奏和壓力，越來(lái)越多的人追求智能化生活模式。以此為背景出現(xiàn)了部分智能電子信息系統(tǒng)，如智能家居系統(tǒng)和智能停車場(chǎng)系統(tǒng)等。本文以智能家居系統(tǒng)為例，結(jié)合ZigBee 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從該系統(tǒng)的總體架構(gòu)上來(lái)看，ZigBee 技術(shù)[1]和系統(tǒng)的有效結(jié)合，能夠促進(jìn)智能家居系統(tǒng)的性能和節(jié)能效果得到有效提升。進(jìn)而如何有效將ZigBee 技術(shù)和智能家居系統(tǒng)兩者進(jìn)行結(jié)合，成為當(dāng)前技術(shù)人員所需要解決的問(wèn)題。

1 人工智能及ZigBee技術(shù)概述

1.1 人工智能

人工智能技術(shù)就是建立在計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和電子信息技術(shù)基礎(chǔ)之上的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理，且在數(shù)據(jù)信息的處理效率以及質(zhì)量方面都有明顯的提升。同時(shí)，針對(duì)信息存儲(chǔ)、運(yùn)算以及分析等方面，人工智能技術(shù)不僅使得大數(shù)據(jù)處理能力得到提高，還為各個(gè)行業(yè)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)處理提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

1.2 ZigBee 技術(shù)

此項(xiàng)技術(shù)主要是一種基于調(diào)頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信傳輸協(xié)議技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)的工作頻段主要位于2.4 G，同時(shí)其傳輸距離和傳輸速度兩者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。單個(gè)ZigBee 技術(shù)的單個(gè)階段，可以實(shí)現(xiàn)134 米的最大遠(yuǎn)距離傳輸，而單個(gè)網(wǎng)絡(luò)所接入的設(shè)備數(shù)量應(yīng)當(dāng)不超過(guò)255 個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)還具備自動(dòng)尋找路由線路的功能。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有3 種類型：協(xié)調(diào)器、路由以及終端。其中，從路由節(jié)點(diǎn)上來(lái)看，該節(jié)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)的四肢，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不僅擁有強(qiáng)大的存儲(chǔ)容量，還具備相應(yīng)的計(jì)算能力。此外，該技術(shù)還擁有較強(qiáng)的抗干擾能力、低信號(hào)延時(shí)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，還具備較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能，在ZigBee 技術(shù)的作用下，能夠有效避免通信信號(hào)和其他信號(hào)兩者之間的沖突發(fā)生[2]，并從一定程度上使得通信技術(shù)的傳輸可靠性得到提高。

2 基于ZigBee技術(shù)的智能電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)設(shè)計(jì)的智能電子信息系統(tǒng)架構(gòu)，也就是智能家居系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。從圖1上來(lái)看，此系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由控制中心模塊、紅外線控制模塊以及遠(yuǎn)程控制模塊3 個(gè)部分共同構(gòu)成。其中，從控制中心模塊方面來(lái)說(shuō)，該模塊作為智能家居系統(tǒng)的主要核心部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家庭中的所有智能設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化配置、查詢以及管理控制，同時(shí)還具備遠(yuǎn)程控制的功能。從紅外線控制模塊上來(lái)看，該部分功能的設(shè)計(jì)主要為用戶和編碼人員提供了人工智能學(xué)習(xí)的支持，利用系統(tǒng)控制中心端，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擁有紅外線的設(shè)備進(jìn)行智能化控制和集中化控制。最后，從遠(yuǎn)程控制模塊方面來(lái)看，該模塊的設(shè)計(jì)讓用戶能夠不限空間、不限時(shí)間地實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭電器運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有良好的高效性、穩(wěn)定性和便捷性[3]。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)搭建

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的搭建，離不開(kāi)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的幫助。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又是一種常見(jiàn)的全功能設(shè)備，因此它和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)兩者之間存在著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，在進(jìn)行ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)時(shí)可以從以下幾個(gè)方面為切入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先，從節(jié)點(diǎn)融入網(wǎng)絡(luò)方面來(lái)看，在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中加入節(jié)點(diǎn)的方式主要有三種模式，即弧節(jié)點(diǎn)模式、直接加入模式和連接加入模式。借助該些模式可以有效地保障所加入節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和效率，從而為網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)兩者之間的有效結(jié)合奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。其次，從初始化網(wǎng)絡(luò)方面來(lái)看，當(dāng)智能家電設(shè)備通電之后，這時(shí)需要利用電能對(duì)相關(guān)信道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掃描和檢測(cè)，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)能量值的大小，完成檢測(cè)結(jié)果的排序，并從這些結(jié)果當(dāng)中選出性能最佳的通信通道[4]。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

利用ZigBee 技術(shù)的物理地址與網(wǎng)絡(luò)地址兩者之間的映射關(guān)系，通過(guò)全面對(duì)智能設(shè)備的類型、運(yùn)行狀況以及設(shè)備引腳等相關(guān)信息進(jìn)行收集與整理，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)容數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與安全化存儲(chǔ)。

2.2.3 通信模塊

通信模塊設(shè)計(jì)在智能家居系統(tǒng)當(dāng)中，其內(nèi)部的信息均需要利用系統(tǒng)控制終端向指定的信息系統(tǒng)進(jìn)行傳遞，其邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信邏輯關(guān)系示意圖

從圖2上可以發(fā)現(xiàn)，控制中心和每個(gè)控制終端之間存在良好的通信關(guān)系?？梢赃x擇利用以下兩種通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制中心和控制終端兩者之間的良好連接。首先，在控制終端與控制中心兩者之間的通信，可以選擇利用串口連接的通信模式來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者的有效連接，通過(guò)將ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊與USB 接口兩者進(jìn)行串口連接，這樣一來(lái)就能夠有效確保兩者的正常切換。其次，可以選擇利用手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和控制中心兩者之間的通信，借助手機(jī)移動(dòng)終端和家庭網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)通信連接，這樣既保證了通信的安全性、穩(wěn)定性和及時(shí)性，同時(shí)利用控制中心與Wi-Fi模塊，還可以在局域網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò)兩者之間進(jìn)行有效的銜接，從而保證通信的質(zhì)量和效果。

2.2.4 燈光控制模塊

燈光控制模塊的設(shè)計(jì)離不開(kāi)CC2530 芯片的幫助，并為每個(gè)引腳的配置提供對(duì)應(yīng)的高電平。具體控制流程圖如圖3所示。

從圖3上來(lái)看，控制終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)出大量的控制指令，并且這些信息由設(shè)備操作標(biāo)識(shí)信息以及設(shè)備的ID 信息共同構(gòu)成。同時(shí)，還可以借助控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備的ID 進(jìn)行獲取以及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的查詢，從而得到關(guān)于ZigBee 節(jié)點(diǎn)的相關(guān)地址和ZigBee 技術(shù)節(jié)點(diǎn)信息。因此，當(dāng)系統(tǒng)的控制指令傳輸?shù)较鄳?yīng)的節(jié)點(diǎn)上時(shí)，借助該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)的利用相關(guān)信息系統(tǒng)，完成燈光設(shè)備的配置信息進(jìn)行自動(dòng)查詢。此外，可以根據(jù)系統(tǒng)控制指令的實(shí)際完成情況，認(rèn)識(shí)到關(guān)于開(kāi)關(guān)燈的操作，從而做好對(duì)燈光設(shè)備狀態(tài)值的有效控制和調(diào)整[5]。

圖3 燈光控制程序流程示意圖

2.2.5 溫度測(cè)量模塊

該模塊的設(shè)計(jì)主要由三個(gè)部分共同構(gòu)成：總程序、轉(zhuǎn)換程序和子程序。其中，從溫度測(cè)量總程序方面來(lái)說(shuō)，該程序主要利用控制終端，向室內(nèi)的智能設(shè)備發(fā)送相關(guān)溫度信號(hào)，并從中獲取到對(duì)應(yīng)的溫度值。從溫度測(cè)量的子程序方面來(lái)看，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度值的整理和精確獲取，以此為后續(xù)的溫度精確測(cè)試奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最后，從轉(zhuǎn)換程序方面來(lái)看，該功能主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度值的轉(zhuǎn)換，從而幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的讀取。

3 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控軟件及控制邏輯

從監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)上來(lái)看，針對(duì)該軟件的設(shè)計(jì)本文選擇在Eclipse 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的基礎(chǔ)上，利用JAVA 布局文件來(lái)完成。并且，該監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示。同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)智能燈泡和風(fēng)扇的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制等。從控制邏輯方面來(lái)看，本文選擇利用ZigBee 串口和波特率之后，開(kāi)始選擇采集按鈕，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。由于利用的是本地的服務(wù)器結(jié)合串口通信的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器的訪問(wèn)，因此，針對(duì)ZigBee 串口時(shí)，可以利用USRVCOM 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬的串口。并且，當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)，可以直接借助開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉；處于自動(dòng)模式時(shí)，可以通過(guò)對(duì)溫度或者燈光光照最大值與最小值等的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，由于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了傳感器的數(shù)據(jù)采集和傳輸，所以可以在系統(tǒng)上增加一個(gè)監(jiān)聽(tīng)模塊，以此來(lái)完成對(duì)相關(guān)傳感器的處理和數(shù)據(jù)信息的收集[6]。

3.2 智能語(yǔ)音采集與識(shí)別

該模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息的重要途徑。并且，智能語(yǔ)音信息采集以及語(yǔ)音識(shí)別等也是系統(tǒng)軟件所需要實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)核心功能，其包含了語(yǔ)音合成功能、語(yǔ)音識(shí)別功能以及語(yǔ)音喚醒功能等類型。而針對(duì)語(yǔ)音信息的播放和采集，本文選擇利用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備（analog to digital converter，ADC）轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后利用軟件將對(duì)應(yīng)的信號(hào)上傳到智能語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)當(dāng)中，從而可以得到相應(yīng)聲音的文字信息?？刂瓢暹@時(shí)會(huì)根據(jù)文字信息實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯判斷，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，向?qū)?yīng)的終端設(shè)備進(jìn)行指令發(fā)布，而終端設(shè)備在接收到相關(guān)指令之后，就可以完成對(duì)應(yīng)的操作，并將結(jié)果反饋到控制板上。而控制板在接收到對(duì)應(yīng)的信息后，會(huì)利用聲音與文字的方式將信息傳遞給用戶。

3.3 多模式交互控制功能

傳統(tǒng)模式的智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)在家居方面的控制均是被動(dòng)控制的模式，也就是當(dāng)用戶向系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)確的指令之后，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)指令來(lái)完成相應(yīng)的動(dòng)作。但是，該系統(tǒng)無(wú)法在很多特定的場(chǎng)合當(dāng)中有效滿足全部的控制需求。同時(shí)也有部分用戶在使用時(shí)，并不會(huì)注重家居的環(huán)境設(shè)計(jì)，需要設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)喚醒才行。這就需要在單一的被動(dòng)控制模式上增添新的控制模式使得家居變得更加智能化、集中化[7]。如可以增加自動(dòng)控制模式和自動(dòng)提醒模式等，其中從自動(dòng)控制模式方面來(lái)看，當(dāng)系統(tǒng)滿足該控制條件時(shí)，設(shè)備會(huì)根據(jù)情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，而整個(gè)過(guò)程當(dāng)中不需要用戶的干涉就能夠滿足智能化要求。而自動(dòng)提醒模式的設(shè)計(jì)，通過(guò)配置之后，設(shè)備會(huì)主動(dòng)向用戶進(jìn)行信息反饋，從而警告用戶設(shè)備發(fā)生異常行為。而ZigBee 傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信兩者的接入，以及終端通電后，先通過(guò)對(duì)控制板設(shè)備的配置信息進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，還會(huì)對(duì)其他傳感器設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)計(jì)。整個(gè)過(guò)程就是為了檢測(cè)ZigBee傳感器的串口連接緩沖區(qū)，是否可以成功收到控制指令協(xié)議，并且是否根據(jù)指令來(lái)完成相應(yīng)的操作，如燈光調(diào)節(jié)、空調(diào)開(kāi)關(guān)等。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了能夠進(jìn)一步證明ZigBee 技術(shù)在智能電子信息系統(tǒng)中的應(yīng)用效果及其性能，本文選擇從其通信性能方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試[8]。如以ZigBee 技術(shù)的通信距離為例，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中需要利用到CC2540 節(jié)點(diǎn)模塊、電池模塊、USB 模塊和PC 機(jī)等。在測(cè)試開(kāi)始前，首先需要進(jìn)行相關(guān)程序編寫，耳機(jī)則利用ZigBee 節(jié)點(diǎn)，向?qū)?yīng)的協(xié)調(diào)器上進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)送，并將其發(fā)送周期控制在3 秒的時(shí)間之內(nèi)[9-10]。其次，利用電池為系統(tǒng)提供非常充足的供電需要。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程當(dāng)中可以通過(guò)增加2 個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而得到基于ZigBee 技術(shù)的通信距離結(jié)果，如表1所示。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)具有良好的通信質(zhì)量和入網(wǎng)效果[11]。

表1 基于ZigBee 技術(shù)的通信距離測(cè)試結(jié)果分析表

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用，所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的智能電子信息系統(tǒng)在人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的作用下，具有較低的能耗、高智能化和低成本等優(yōu)點(diǎn)，還使得其穩(wěn)定性和安全性得到有效提高。因此，ZigBee 智能化通信技術(shù)的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。