智能物聯網插電板設計

朱青 昌小寶 張健

摘要：伴隨著這些年來綠色環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，可以及時準確的監控住宅內電器的功率、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無線網傳感技術為基礎，設計了基于物聯網技術的智能插電板，從而實現對信息的監控和采集，通過嵌入式處理器使家庭內部的網絡系統與互聯網以及無線網絡之間實現互相連通，進一步實現計算機或手機等移動設備對終端進行控制。

關鍵詞：Zigbee技術;智能插電板;物聯網技術

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新創業訓練計劃項目：智能物聯網插電板（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，安徽三聯學院計算機工程學院學生，研究方向為智能家居;張?。?979—），安徽泗縣人，碩士，安徽三聯學院計算機工程學院副教授，研究方向為無線傳感網。

1 概述

目前市場上大多的標識為智能插電板的產品，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，為了實現電器低功耗待機和智能化自動斷電功能，需把智能芯片內嵌入插板內，利用實時自動偵測電器用電量大小改變，成功實現了這一目標。本款插電板是一款滿 足家居各種訴求的物聯網智能插電板，擁有能耗低物美價廉、基于人性化設計等優點。

2 數據傳輸原理

2.1 Zigbee通信技術概括

Zigbee以配置文件和互操作的平臺的基礎架構為基礎，可完成近距、低耗、自由組網的無線網絡通信，該架構具備延展性高、成本低的長處。它的特征主要是自身的無線電協議，另外單個網絡節點有三類工作模式，包含：終端設備、協調器和路由器。這三類模式在運用時，都是以節點間做相互組網的方式實現數據之間無線輸送。通過Zigbee進行數據傳輸，具備耗能低的特點，數據之間形成網絡拓撲結構，從節點之間不斷地傳遞，最終被終端被匯總接收，再進行數據的處理?；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的網絡拓撲結構

Zigbee網絡依照現實要求能夠實現三類網絡拓撲組成，包含星型、網狀和簇狀網絡拓撲。

如圖1所示，星型網絡拓撲結構，簡單地說就是一個單跳系統，所有設備（不包括網絡協調器）都與網絡協調器這一點，他們之間進行雙向自由通信。其中這一點，也就是網絡協調器起協調作用，是星型拓撲中的中心，其他的節點的數據傳送都將直接通過它來實現數據交換。其余的節點僅僅依附在周圍，不與其存在現實層面的關聯，此框架使得現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，網狀拓撲結構是把路由器當作數據的中轉橋梁。路由作為數據的中途中繼紐帶維持拓撲結構，除協調器之外別的節點都存在某個父節點完成上級的數據傳送。明顯的，因為復雜的結構，所以功耗也會隨之增強。

如圖3所示，簇狀拓撲結構結合了，上述兩種結構的特點，其結構特點是網絡結構更加復雜、豐富。組網的過程中，這種網絡拓撲結構能夠很好地進行數據的長距離傳輸，這種拓撲的優勢即是優異的自我修復功能，當輸送過程中出現節點損壞的現象，網絡會自行組建新的網絡，使系統快速恢復正常狀態。

2.3 Zigbee系統的通信途徑

Zigbee系統的通信途徑通常包含三類：組播、廣播和點播。（1）點播：網絡系統中，若已知其中一個節點的網絡短地址，則可通過點點通信實現其他點與該點的連接。

（2）組播：網絡系統中，將一部分節點劃分為一個小組，僅小組內的節點間能自由傳送信息，小組外的節點無此功能。

（3）廣播：網絡系統中，任意一個節點和任意其他一個節點之間都能進行信息的傳遞。

3 單片機電路設計

本智能家居系統中的Zigbee網絡硬件模塊包含電源、終端、協調器、網關控制等。網關中ARM控制模塊選用AM3352芯片，利用UART接口與Zigbee協調器進行串口通信聯絡方式，與此同時，互聯網與RJ45相連通。系統選用CC2530設計Zigbee協調器與終端的移動交互模塊。CC2530是一種全兼容性的8051內核并且符合Zigbee 2007協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、數據以及外部數據，它們以單周期的方式實現與數據、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。處在系統中心的存儲器，交叉開關的運用，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據存儲器的空間。除了保存程序代碼和常量以外，應用程序保存必要的數據在不易失性的程序存儲器中得到了允許，從而可以實現：在設備重啟后，這些數據仍然被保存下來，可以直接使用。使用本功能，可以保存具體網絡參數，當系統再次通電后，可直接匯入網絡。

（2）電源、時鐘的管理

1.8V穩壓低差電源給CC2530的外部設備和數字核心供電，此外CC2530還包含電源管理模塊，從而能夠實現電池低功耗，長壽命的差異化供電運行模式。

（3）外設CC2530有特別多的外設，在開發新應用時，這些外設使開發者的操作得到允許。如下所示：

①調試接口不僅能夠清除掉閃存存儲器里的全部內容、還可以管控振蕩器的各部分應用、另外，還可以調節用戶網絡程序的起始、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系統通過利用五通道的多功能DMA控制器，定時器、ADC接口、AES內核、以及USART等硬件外設，通過利用DMA控制器在XREG與SFR地址之間進行數據之間的傳輸，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工作之外，還負擔著實時計數器的工作，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協調處理器來利用128位密鑰的AES算法加密和解密數據。這一內核能夠確保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器是由CC2530提供的。RF內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，實現他們之間命令的發送、實時狀態的讀取、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據包過濾模塊。

4 Zigbee終端設備軟件設計

智能插座裝置接電后，對網絡狀態、發送序列號及任務ID執行初始化操作始化操作，并對節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，數據位為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網絡進行搜索，并且連接。

當設備接入網絡之后，可以激活并且上報，CC2530芯片把，版本號打包到數據幀之中，并且傳送到服務器上，此外，機動查詢插座狀態的事件，向插座內單片機傳送查詢第一次電插座目;前狀態的指令。如果有事件發生，發生的事件是串口接收緩沖區滿或者串口接收超時，則應用串口回調函數，從串口獲取數據，分析獲得插座狀態數據幀之后按Zigbee協議傳送到協調器。

5 系統測試

5.1 系統通信測試

被測試的是系統整體組網通，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。網關內部配備的協調器組件，主要負責組建網絡，傳送數據，傳送控制指令的任務，同時共同測試創建Zigbee無線網絡;智能插座在接入Zigbee網絡后，測試它的數據采集，數據發送以及執行命令等功能;手機客戶端測試智能插座通斷電，及智能插座定時開關信息遠程查看。

智能插座通電后，當藍燈亮時，說明已經成功接入服務器，當紅燈持續閃亮10秒鐘，意味著智能插座裝置上實現上電而且完成初始化;當手機APP和網關聯通到同樣的路由器后，選擇新增設備，在設備顯示界面，網關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的通斷電，手機端軟件顯示智能插座的狀態為打開與關閉。

5.2 系統性能測試

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信息，如果可以，就可以實現手機移動客戶端的遠程調控和監測。將智能插座開啟，手機端插座按下按鈕顯示打開，將智能插座關閉，手機端插座顯示關閉，如圖4所示。

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

（1）Zigbee網絡可以由Zigbee協調器成功建立，在Zigbee終端設備鎖，可以根據通信協議進行通信;

（2）各Zigbee終端能夠成功采集相關數據：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議取得聯系;

（4）同時，服務器也可以通過通信協議與網關通信;

（5）遠程手機端APP，對上傳的消息，能夠實現遠程操作并查閱，再實現智能操控。

6 結束語

實際生活和生產中，物聯網科技在完成人物、物物之間的智能通訊方面具有非常好的創新和實用價值。物聯網應用Zigbee技術實現各個節點之間通訊一般，它不但有效性高，同時能耗較低和創建網絡便捷。本文以Zigbee無線網傳感技術為基礎，設計了此款物聯網智能插電板，從而可以實現對信息的監控和采集，通過嵌入式處理器使家庭內部的網絡系統和Internet網與無線網絡之間實現互相連通，進一步實現計算機或手機等移動設備對終端進行控制。本文提出的系統通過實現無線組網技術與家庭網絡之間良好的信息溝通，達到了家庭內部電路信息能被很好地監測從而實現智能管理，減少了家庭不美觀的冗雜線路現象，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，家居系統的前沿研究和實際運用，都具有很好利用參考價值。