項(xiàng)目8現(xiàn)代智能式傳感器及應(yīng)用任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制

系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)◎知識(shí)目標(biāo)1.了解智能傳感器的概念。2.熟悉智能傳感器的結(jié)構(gòu)。3.掌握智能傳感器的工作原理?！蚰芰δ繕?biāo)1.能正確選用智能傳感器。2.學(xué)會(huì)智能傳感器典型電路的設(shè)計(jì)、分析、制作及調(diào)試方法。3.掌握一定的程序設(shè)計(jì)和編程技能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)◎素質(zhì)目標(biāo)1.提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和溝通的能力。2.樹(shù)立勇于奉獻(xiàn)、開(kāi)拓創(chuàng)新的精神。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入張智聽(tīng)說(shuō)鄰居陳叔叔酒后駕駛出了車禍，所幸沒(méi)有造成嚴(yán)重傷害。慶幸之余，張智不由想到，如果每輛車的駕駛座上有一個(gè)智能儀器可以測(cè)試出駕駛?cè)说暮魵饩凭珴舛?，?dāng)發(fā)現(xiàn)酒駕就發(fā)出警報(bào)或者鎖定汽車，這樣就可以減少此類事故的發(fā)生，為安全駕駛提供保障。因此張智決定結(jié)合高性能單片機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種智能型的酒精測(cè)試儀，能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)酒駕行為進(jìn)行提前預(yù)防，保障駕駛?cè)说纳踩Ｄ敲丛O(shè)計(jì)一款智能酒精測(cè)試儀，需要什么樣的芯片作為智能核心呢？任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

相關(guān)知識(shí)8.1.1引言傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一。隨著新一輪工業(yè)革命的興起，傳感器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景不可估量。同時(shí)受可穿戴、智能制造技術(shù)發(fā)展加快和全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇等因素影響，市場(chǎng)需求可能出現(xiàn)更大幅度增長(zhǎng)。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)傳感器制造行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》，到2017年全球傳感器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)至1955億美元，同比增長(zhǎng)12.29%，2018年全球傳感器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模突破2000億美元，2024年將突破3000億元。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)與巨大的市場(chǎng)需求相比，現(xiàn)階段我國(guó)市場(chǎng)主要應(yīng)用的傳感器絕大部分仍然依賴進(jìn)口，主流市場(chǎng)產(chǎn)品依賴國(guó)外配套的情況尤為突出。與國(guó)外相比，我國(guó)企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規(guī)模、市場(chǎng)占有率和綜合競(jìng)爭(zhēng)能力等方面仍不能與國(guó)外同類企業(yè)抗衡。同國(guó)際先進(jìn)水平相比，新品研制仍落后5~10年，而產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)工藝則落后10~15年。同時(shí)常規(guī)傳感器存在以下問(wèn)題：1.能夠被準(zhǔn)確標(biāo)定是所有傳感器必備的優(yōu)良特性，但是傳感器一旦被實(shí)際使用，往往就很難甚至不能再對(duì)其進(jìn)行手工標(biāo)定。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)2.傳感器性能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。如果沒(méi)有采用某種方式來(lái)補(bǔ)償漂移，傳感器的性能就會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，從而引失去使用價(jià)值。3.容易受到工作環(huán)境的影響。4.通用性較差。常規(guī)的傳感器需要信號(hào)調(diào)理電路將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)化為其他系統(tǒng)可用的量，這種電路往往專用或者是唯一的，通用性較差。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)5.物理空間的限制。一般來(lái)說(shuō)，傳感器距離監(jiān)控系統(tǒng)越遠(yuǎn)，檢查信號(hào)的質(zhì)量越差。因此常規(guī)傳感器通常需要在物理空間上靠近接收檢測(cè)信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)，這就限制了它的使用空間。6.其他限制。（1）結(jié)構(gòu)尺寸大，故時(shí)間（頻率）響應(yīng)特性差；（2）輸入輸出特性存在非線性；（3）信噪比低，容易受干擾；（4）存在交叉靈敏度，選擇性、分辨率不高。7.相對(duì)于計(jì)算機(jī)性能突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以及價(jià)格的大幅下降，常規(guī)傳感器的性能和價(jià)格很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)都變化不大，因此性價(jià)比不高。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，研發(fā)新型傳感器迫在眉睫，智能式傳感器應(yīng)運(yùn)而生。隨著《中國(guó)制造2025》的提出，智能制造正處于跨界融合、加速創(chuàng)新發(fā)展的歷史階段，呈現(xiàn)出萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的新特征。通過(guò)各類智能式傳感器及其各種設(shè)備載體，源源不斷地實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物、云端的無(wú)縫交互，從而讓設(shè)備、終端擁有“智能”，使人的感知、處理信息的能力得到極大拓展和延伸。作為感知信息的重要途徑，智能式傳感器正呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，已成為決定未來(lái)智能制造發(fā)展的核心與基礎(chǔ)之一。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能應(yīng)用的興起，推動(dòng)傳感技術(shù)由單點(diǎn)突破向系統(tǒng)化、體系化的轉(zhuǎn)變，大平臺(tái)、大生態(tài)主導(dǎo)核心技術(shù)走向態(tài)勢(shì)明顯，并成為發(fā)達(dá)國(guó)家及跨國(guó)企業(yè)布局的戰(zhàn)略高地。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)8.1.2智能式傳感器的概念與形式1.傳感器的概念智能式傳感器一詞是從國(guó)外首先提出，英國(guó)人將智能式傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國(guó)人則習(xí)慣于把智能式傳感器稱作“SmartSensor”。所謂智能式傳感器就是一種以微處理器為核心單元的，具有檢測(cè)、判斷和信息處理等功能的傳感器。根據(jù)《智能傳感器第三部分：術(shù)語(yǔ)》(GB/T33905.3-2017)中的定義：智能傳感器（IntelligentSensor）是具有與外部系統(tǒng)雙向通信手段，用于發(fā)送測(cè)量、狀態(tài)信息、接受和處理外部命令的傳感器。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)2.智能式傳感器的形式智能式傳感器包括傳感器的智能化和智能傳感器兩種主要形式：傳感器的智能化是采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)擴(kuò)展和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個(gè)分立的功能單元，傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)放大調(diào)理和轉(zhuǎn)換后由接口送人微處理器進(jìn)行處理。智能傳感器是借助于半導(dǎo)體技術(shù)將傳感器部分與信號(hào)放大調(diào)理電路、接口電路和微處理器等制作在同一塊芯片上，即形成大規(guī)模集成電路的智能傳感器。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)8.1.3智能式傳感器的構(gòu)成智能式傳感器一般由傳感器部分、嵌入式系統(tǒng)部分、通信部分、供電部分組成，如圖8-1所示。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)1 .傳感器部分傳感器部分包含了傳感器及其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。傳感器是指利用一些效應(yīng)如物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等，能感受特定的物理量，按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成符合需要的輸出量的器件。傳感器可以是傳統(tǒng)的傳感器如壓電晶體、電磁、應(yīng)變等傳感器，更多的是MEMS傳感器。目前在低端應(yīng)用中，MEMS傳感器已可完全替代傳統(tǒng)傳感器;在高端應(yīng)用中，MEMS傳感器還有一些差距。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)M EMS傳感器即微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，微米級(jí)的特征尺寸使其可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。MEMS傳感器的分類如圖8-2所示。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)MEMS傳感器物理傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、傾角傳感器、陀螺儀、慣性、微壓力、微流量等化學(xué)傳感器包括氣體成分、液體成分等圖像傳感器包括圖像、紅外熱成像、人體感應(yīng)等聲音傳感器接受各類聲音，包括超聲波的傳感器生物傳感器包括指紋傳感器、虹膜傳感器、心率傳感器、血氧傳感器、血壓傳感器等任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)把傳感器獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，是傳感器中的關(guān)鍵一環(huán)，它決定了傳感器的分辨率、頻率響應(yīng)等關(guān)鍵參數(shù)。在MEMS傳感器中，轉(zhuǎn)換電路一般是與傳感器一起集成在一個(gè)芯片之中，可以與傳感器做到良好的匹配。采用傳統(tǒng)傳感器時(shí)一般需要單獨(dú)進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換，這個(gè)環(huán)節(jié)就決定了傳感器的量程、頻響、分辨率及精度等關(guān)鍵指標(biāo)。因此，良好的匹配是智能式傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)2.嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(Embed-dedsystem)通常是指綜合了計(jì)算機(jī)軟硬件、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)并執(zhí)行帶有特定要求的任務(wù)，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。完成智能式傳感器的數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)處理、分析、預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等功能，是智能式傳感器的大腦。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)硬件根據(jù)傳感器成本、體積、功能、功耗進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般采用低(微)功耗微處理器等芯片，在尺寸、成本、形狀等有很大的創(chuàng)新空間，可執(zhí)行有特定要求的任務(wù)，達(dá)到系統(tǒng)任務(wù)要求，可以做到體積小、成本低、符合特定的功能要求。根據(jù)傳感器的功能要求，軟件系統(tǒng)有的較為簡(jiǎn)單，不帶有操作系統(tǒng)，但大部分都帶有嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded-OperatingSystem)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)并發(fā)任務(wù)。能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有:嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows-Embedded、VxWorks等。應(yīng)用軟件是為完成傳感器的特有功能而專門設(shè)計(jì)的軟件，是每一種智能式傳感器的專有功能，體現(xiàn)了用戶端的核心需求。傳感器的智能化程度及適用化程度就是由應(yīng)用軟件的功能確定的。而這部分功能是與特定的應(yīng)用要求緊密相關(guān)的，因此應(yīng)用需求也是其核心技術(shù)。但是在設(shè)計(jì)應(yīng)用需求時(shí)，要把握好通用性與專用性之間的關(guān)系:通用性好的由于使用量大，因此每個(gè)傳感器分擔(dān)的研發(fā)費(fèi)用低，因此價(jià)格會(huì)較低;而專用性高的傳感器由于使用量較少，因此成本會(huì)較高。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)3 .通信部分智能式傳感器要接受外部監(jiān)測(cè)要求，并將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠?，必然需要進(jìn)行通信。通信分有線通信和無(wú)線通信兩種，其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼具低功耗、低成本、多功能的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)代熱門前沿技術(shù)。無(wú)線通信的種類較多，這里介紹最常用的無(wú)線通信協(xié)議。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（1）無(wú)線局域網(wǎng)通信，由眾多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，并把它們科學(xué)地分布于被監(jiān)測(cè)區(qū)域，各節(jié)點(diǎn)間自組織形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(一般多采用ZigBee協(xié)議)，采用多條鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，最終把各類屬性測(cè)量數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、煙霧濃度、物體移動(dòng)等)匯聚后經(jīng)網(wǎng)關(guān)與外網(wǎng)連接。其常用的協(xié)議主要有:①ZigBee，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問(wèn)層與物理層。主要特色為低速、低電耗、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)②Z-Wave，是基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。工作頻帶為908．42MHz(美國(guó))、868．42MHz(歐洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)調(diào)制方式。信號(hào)的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過(guò)100m，適合于窄寬帶應(yīng)用場(chǎng)合。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（2）基于低功耗廣域網(wǎng)的通信，是采用一個(gè)基站對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行通信，最常用的協(xié)議有:①NB-ioT，是基于現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用LTE的無(wú)線技術(shù)，可減少開(kāi)發(fā)全系列技術(shù)規(guī)范的時(shí)間，對(duì)于采用授權(quán)頻譜的電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，該技術(shù)可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有蜂窩設(shè)備升級(jí)的方式，使運(yùn)營(yíng)商能夠以低成本、高效率地切入新興的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。NB-ioT具備四大能力，一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，NB-ioT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提高20dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍;二是具備支撐海量連接的能力，NB-ioT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接;三是更低功耗，NB-ioT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年;四是更低的模塊成本。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)①NB-ioT，是基于現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用LTE的無(wú)線技術(shù)，可減少開(kāi)發(fā)全系列技術(shù)規(guī)范的時(shí)間，對(duì)于采用授權(quán)頻譜的電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，該技術(shù)可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有蜂窩設(shè)備升級(jí)的方式，使運(yùn)營(yíng)商能夠以低成本、高效率地切入新興的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。NB-ioT具備四大能力，一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，NB-ioT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提高20dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍;二是具備支撐海量連接的能力，NB-ioT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接;三是更低功耗，NB-ioT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年;四是更低的模塊成本。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)4.供電系統(tǒng)供電是驅(qū)動(dòng)智能式傳感器工作的動(dòng)力，只有少數(shù)特別設(shè)計(jì)的無(wú)源傳感器例外。對(duì)于無(wú)線智能式傳感器，一般為電池供電，為了保證傳感器能夠在不更換電池的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作(一般要求為2～10年)，電池的體積及質(zhì)量往往占傳感器整體的一半以上，因此，有必要降低待機(jī)功耗，提高電源轉(zhuǎn)化效率等。在一些特殊場(chǎng)合，有傳感器設(shè)計(jì)成無(wú)線供電，通過(guò)外部電源實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電;也有設(shè)計(jì)成自發(fā)電的傳感器，如用振動(dòng)、太陽(yáng)能、溫差、風(fēng)能、電磁感應(yīng)、壓力變化等進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換提供電能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析張智要設(shè)置一個(gè)智能型的酒精測(cè)試儀，首先要進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，然后用進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和制作，再進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)二、實(shí)施過(guò)程1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）功能設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)基于STC12C5A60S2微處理器，用于檢測(cè)氣體中的酒精濃度，可使用在一些對(duì)環(huán)境酒精氣體濃度要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，本設(shè)計(jì)可以及時(shí)檢測(cè)車間內(nèi)的氣體酒精濃度。當(dāng)氣體酒精濃度高于設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出告警提示，提醒車間管理者及時(shí)通風(fēng)換氣，以便于安全生產(chǎn)。除此之外，還可用于酒駕測(cè)試，用來(lái)測(cè)試當(dāng)前呼氣酒精濃度，是否高于酒駕濃度閾值，以此來(lái)時(shí)刻提醒駕駛員請(qǐng)勿酒后駕駛。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量數(shù)據(jù)精度，需要高精度的酒精傳感器，本設(shè)計(jì)中采用了MQ-3型酒精傳感器，將酒精氣體濃度值轉(zhuǎn)換成0～5V的模擬電壓輸出，再將模擬電壓值傳送到微處理內(nèi)部自帶的高精度10位A/D轉(zhuǎn)換模塊中去，得到一組10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)內(nèi)部寄存器中，再通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和控制部件，將相應(yīng)結(jié)果顯示在液晶顯示屏中。為了便于使用，采用通用USB接口充電器，大容量鋰電池，提供穩(wěn)定可靠的電源支持。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8-3所示，包含MQ-3乙醇?xì)怏w檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、鋰電池充放電模塊、報(bào)警模塊、單片機(jī)模塊等。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（3）外觀工藝設(shè)計(jì)測(cè)試儀的定位是日常使用便攜式測(cè)試器，主要特點(diǎn)是使用方便，容易攜帶，安全衛(wèi)生，重復(fù)使用操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)對(duì)測(cè)試儀外觀工藝做要求：重量要輕；三維尺寸要小，適合手持要求；氣嘴由于經(jīng)常使用，可以采用價(jià)格適中的一次性氣嘴設(shè)計(jì)，符合市面上通用氣嘴標(biāo)準(zhǔn)；充電設(shè)備兼容手機(jī)等電子產(chǎn)品充電設(shè)備規(guī)范，采用迷你USB接口；顯示屏幕不能太大，為了縮小整體尺寸，顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和相關(guān)報(bào)警信息等。測(cè)試儀外觀滿足人體工程學(xué)相關(guān)要求，外觀采用流線型設(shè)計(jì)。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)2.硬件設(shè)計(jì)（1）主處理器模塊在這次設(shè)計(jì)中采用了STC12C5A60S2微處理器，該處理器屬于增強(qiáng)型51單片機(jī)，是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)。普通51單片機(jī)的機(jī)器周期是振蕩頻率進(jìn)行12分頻后得到的，而該單片機(jī)機(jī)器周期相等于振蕩周期，這樣在相同振蕩頻率下，該單片機(jī)指令執(zhí)行速度至少比普通單片機(jī)快12倍，適合用于響應(yīng)及時(shí)的場(chǎng)合，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該單片機(jī)價(jià)格已經(jīng)接近普通51單片機(jī)價(jià)格。它內(nèi)部集成1280字節(jié)RAM和64KROM空間，適合運(yùn)行大型單片機(jī)程序，給程序員提供方便。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)內(nèi)部還集成了8路10位高精度高速A/D轉(zhuǎn)換器，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，本設(shè)計(jì)正是利用單片機(jī)內(nèi)部高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在不影響測(cè)試精度的條件下，方便控制測(cè)試儀的整體尺寸，節(jié)約成本。（2）MQ-3傳感器模塊MQ-3酒精傳感器采用半導(dǎo)體二氧化錫（2SnO）為氣敏材料，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中的酒精氣體濃度增加而增大，具有高靈敏度、外圍電路簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，將氣體信號(hào)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)下圖是MQ-3外部結(jié)構(gòu)，圖中①、②、③分別是傳感器的引腳排列圖、引腳功能圖、電路接線圖。圖①中的H-H是加熱電極，供電電壓為5V，A-A、B-B表示傳感器的兩個(gè)電極，圖③中“V”部分是傳感器的供電電壓。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)傳感器電壓輸出信號(hào)Vout和氣體酒精濃度，以及環(huán)境溫度密切相關(guān)，為了減小氣體酒精濃度測(cè)量誤差，需要在傳感器測(cè)量前進(jìn)行預(yù)熱，一般預(yù)熱時(shí)間為20秒左右。Vout電壓每升高0.1V，實(shí)際被測(cè)氣體的濃度增加20ppm，這里的1ppm=1mg/kg=1mg/L,常用來(lái)表示氣體濃度，或者溶液濃度。MQ-3模塊信號(hào)有數(shù)字電平輸出和模擬信號(hào)電壓輸出兩種模式，由于本設(shè)計(jì)需要適時(shí)顯示被測(cè)量的酒精濃度，所以采用模擬電壓輸出模式。模擬電壓輸出范圍0～5V，濃度越高輸出電壓值越高。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（3）液晶模塊為了讓產(chǎn)品便于攜帶，考慮到待機(jī)時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用成熟的1602液晶作為顯示單元。1602液晶體積小，能固定顯示兩行各16個(gè)字符，采用移位顯示模式還可以顯示兩行各32個(gè)字符，本項(xiàng)目第一行顯示“Alcohol：”，第二行顯示“xxxmg/100ml”。如果將第一閾值設(shè)置為20mg/100ml，第二閾值設(shè)置為80mg/100ml，那么測(cè)試值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行顯示數(shù)值會(huì)以1Hz頻率閃爍，并開(kāi)啟蜂鳴器和報(bào)警燈以相同頻率報(bào)警；如果數(shù)值大于等于80mg/100ml，則數(shù)值以10Hz的頻率快速閃爍，并開(kāi)啟蜂鳴器和報(bào)警燈以相同頻率報(bào)警。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（4）鍵盤模塊設(shè)計(jì)鍵盤模塊主要作用是可以設(shè)置閥門值，根據(jù)不同場(chǎng)合對(duì)酒精濃度的要求進(jìn)行修改，擴(kuò)大了本設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍。一個(gè)按鍵定義為數(shù)值加，每按一次數(shù)值增加1mg/100ml；另一個(gè)為數(shù)值減，每按一次數(shù)值減少1mg/100ml；第三個(gè)按鍵為數(shù)值清零，講預(yù)設(shè)的閥門值清零；第四個(gè)按鍵為設(shè)置鍵，用于設(shè)置數(shù)據(jù)確認(rèn)鍵。本系統(tǒng)所需按鍵較少，采用獨(dú)立式按鍵電路連接方式。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（5）鋰電池充放電模塊設(shè)計(jì)鋰電池充電、放電模塊采用TP5410來(lái)解決，TP5410是一款專為移動(dòng)電源鋰電池充電和升壓至恒定5V的電源管理芯片，它可以進(jìn)行高精度的電壓充電和精確調(diào)節(jié)充電電流，還具有預(yù)充、充電狀態(tài)指示和充電截止等功能。R6是充電電流調(diào)節(jié)電阻，將它設(shè)為680Ω，最大充電電流可以到1A，充、放電電路如圖8-5所示。本系統(tǒng)耗電部分主要集中在MQ-3傳感器檢測(cè)和蜂鳴器報(bào)警期間，最大供電電流不大，實(shí)際最大工作電流不足300mA，輸出電壓在+5V±0.1V。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)圖8-5鋰電池充、放電電路圖任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體程序流程圖如圖8-6所示。系統(tǒng)初始化包括液晶屏初始化、A/D初始化、數(shù)據(jù)初始化。設(shè)定判斷閾值主要是根據(jù)環(huán)境需要設(shè)定極限值，系統(tǒng)允許設(shè)定三個(gè)不同閾值，如果是測(cè)試酒駕、醉駕，則設(shè)定第一個(gè)閾值為20mg/100ml，第二個(gè)閾值為80mg/100ml，第三個(gè)閾值可以不用設(shè)置，系統(tǒng)默認(rèn)不啟用。系統(tǒng)也可以用在其他需要測(cè)試酒精濃度的場(chǎng)合，比如食品加工車間、釀酒車間等。聲光報(bào)警是由一只紅色LED和蜂鳴器組成，通過(guò)報(bào)警聲音頻率和LED閃爍頻率來(lái)確定超出規(guī)定閾值酒精濃度的高低，綠色LED表示濃度值正常。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)在酒精濃度測(cè)量過(guò)程中，連續(xù)多次測(cè)量值都會(huì)有不同，為了讓測(cè)量值更加穩(wěn)定和精確，這里采用多次測(cè)量取平均值的辦法，系統(tǒng)每隔10ms測(cè)量一次數(shù)據(jù)，將測(cè)量到的五次數(shù)據(jù)做平均處理。傳感器在測(cè)量不同濃度酒精溶液時(shí)，測(cè)試濃度值與電壓值之間是非線性關(guān)系，為了使處理數(shù)據(jù)方便，系統(tǒng)將電壓值區(qū)間分為六段，分別做線性處理，具體映射方式如表8-4所示。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)電壓值（單位：V）濃度C與V轉(zhuǎn)換關(guān)系3.21～3.62C=0.12*V-0.0212.73～3.21C=0.36*V-0.7882.32～2.73C=0.16*V-0.3951.71～2.32C=0.12*V-0.1551.44～1.71C=0.045*V-0.0450.74～1.44C=0.013*V表8-4電壓值-酒精濃度映射關(guān)系任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)4.系統(tǒng)測(cè)試由于考慮到便攜性特點(diǎn)，電路板盡量設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，液晶屏罩在單片機(jī)上，吹嘴通過(guò)軟管接到傳感器上，讓氣體都能噴到傳感器感應(yīng)頭上，然后做以下4組測(cè)試：（1）配置酒精濃度為10mg/100ml的氣體通過(guò)吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計(jì)算最大的誤差；（2）配置酒精濃度為22mg/100ml的氣體通過(guò)吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計(jì)算最大的誤差；任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)（3）配置酒精濃度為48mg/100ml的氣體通過(guò)吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計(jì)算最大的誤差；（4）配置酒精濃度為112mg/100ml的氣體通過(guò)吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計(jì)算最大的誤差。最后通過(guò)以上4組測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比對(duì)，了解濃度高低對(duì)測(cè)量誤差的影響；了解整體是否符合系統(tǒng)的應(yīng)用要求；了解由于溶液中酒精揮發(fā)，對(duì)酒精濃度影響。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測(cè)試儀設(shè)計(jì)

任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制

系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)◎知識(shí)目標(biāo)1.了解智能家居的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。2.了解ZigBee的技術(shù)。3.掌握Z(yǔ)igBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。◎能力目標(biāo)1.能設(shè)計(jì)智能家居方案。2.能夠?qū)χ悄芗揖酉到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試。3.掌握一定的程序設(shè)計(jì)和編程技能?！蛩刭|(zhì)目標(biāo)1.養(yǎng)成健全的人格。2.增強(qiáng)創(chuàng)新精神及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入冬天的晚上，張智躺在床上準(zhǔn)備睡覺(jué)，卻發(fā)現(xiàn)客廳的燈和電視還開(kāi)著，無(wú)奈離開(kāi)溫暖的被窩，跑去關(guān)了燈和電視。這個(gè)過(guò)程實(shí)在太痛苦，于是他萌生了一個(gè)利用自己的專業(yè)技能設(shè)計(jì)一套智能家居系統(tǒng)的想法。智能家居都有些什么功能呢？要設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)需要掌握哪些核心技能呢？任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相關(guān)知識(shí)8.2.1智能家居的研究現(xiàn)狀1.國(guó)外智能家居發(fā)展與現(xiàn)狀1984年，在美國(guó)哈特福特市有一棟比較陳舊的大樓被拿來(lái)作為智能家居的實(shí)驗(yàn)地，研究人員對(duì)整個(gè)房子做了二次建設(shè)，對(duì)大樓里面的電器設(shè)備包括空調(diào)、照明、安防設(shè)備等進(jìn)行統(tǒng)一的檢測(cè)與控制，為辦公用戶提供文字影音等信息服務(wù)功能，由此誕生了最早的智能家居系統(tǒng)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了一定時(shí)間的發(fā)展之后，各種不同的智能家居系統(tǒng)解決方案也相繼被一些國(guó)際性知名企業(yè)提出，如Google（谷歌）、IBM（國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司）、SUMSUNG（三星）、Apple（蘋果）、Honeywell（霍尼韋爾）、LEGRAND（羅格朗）、Intel（英特爾）、Simons（西門子）等公司。LEGRAND公司的BTicino以集成化家電自動(dòng)控制體系提供給用戶舒適、健康、安全、經(jīng)濟(jì)的智能家居管理方案；德國(guó)Simons公司的SyncoIC云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程供暖、遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全球智能家居市場(chǎng)主要由美國(guó)、日本、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)，其中，美國(guó)的智能家居市場(chǎng)收入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家，如圖8-9所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.國(guó)內(nèi)智能家居發(fā)展與現(xiàn)狀相較于美國(guó)、日本、英國(guó)、韓國(guó)這些發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)的智能家居起步就比較晚。相關(guān)的智能家居產(chǎn)品在二十世紀(jì)末才開(kāi)始陸陸續(xù)續(xù)從國(guó)外引進(jìn)到國(guó)內(nèi)。雖然國(guó)內(nèi)智能家居的起步比較晚，但是國(guó)內(nèi)的發(fā)展環(huán)境和其他國(guó)家相比又有比較大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于智能家居產(chǎn)業(yè)化，政府以及有關(guān)部門都大力支持，加上國(guó)內(nèi)優(yōu)越市場(chǎng)環(huán)境的引導(dǎo)，國(guó)內(nèi)的智能家居發(fā)展步伐是非?？斓摹Ｈ蝿?wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2009年，海爾集團(tuán)在國(guó)內(nèi)較早推出了U-home智能家居系統(tǒng)。并于2018年發(fā)布了行業(yè)首個(gè)全場(chǎng)景定制化智能家居系統(tǒng)，用戶可以在廚房、臥室等家居空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣、用水、洗護(hù)等全屋環(huán)境設(shè)置，還可以根據(jù)自己的需求實(shí)現(xiàn)定制化生活服務(wù)。2012年，國(guó)家在“十二五”計(jì)劃中將智能家居作為發(fā)展戰(zhàn)略，政府制定出多項(xiàng)政策來(lái)加速智能家居的成長(zhǎng)。此時(shí)，我國(guó)智能家居發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了融合演變期，出現(xiàn)了一些比較完整的智能家居產(chǎn)品，逐漸走向了系統(tǒng)化。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2014年，長(zhǎng)虹公司推出了CHiQ電視，能夠通過(guò)手機(jī)對(duì)電視進(jìn)行播放、緩存、回放等操作。2018年，長(zhǎng)虹公司在中國(guó)家電及消費(fèi)電子博覽會(huì)（AWE）上推出了CHiQLife智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合語(yǔ)音交互技術(shù)及人工智能技術(shù)，在娛樂(lè)、空氣、用水等場(chǎng)景中，擺脫了傳統(tǒng)控制方式的束縛，實(shí)現(xiàn)了更智能化的控制，給用戶帶來(lái)了更加舒適的生活體驗(yàn)。2015年，華為公司宣布進(jìn)入智能家居市場(chǎng)。并于2018年，華為公司發(fā)布了智能家居領(lǐng)域的“百億計(jì)劃”，利用華為技術(shù)、品牌等能力來(lái)促進(jìn)智能家居生態(tài)發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)一些大型公司，例如小米、百度、360、騰訊、京東、美的也都推出了相應(yīng)的智能家居產(chǎn)品。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在20年的智能家居發(fā)展中，從一開(kāi)始行業(yè)處于一個(gè)概念熟悉、產(chǎn)品認(rèn)知的階段，到智能家居市場(chǎng)營(yíng)銷、技術(shù)培訓(xùn)體系逐漸完善，再到因智能家居惡性競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致大批企業(yè)退出市場(chǎng)現(xiàn)象發(fā)生，最終進(jìn)入如今行業(yè)的迅速騰飛階段，我國(guó)總共經(jīng)歷了萌芽期、開(kāi)創(chuàng)期、徘徊期、融合演變期四個(gè)時(shí)期。現(xiàn)如今，智能家居市場(chǎng)總產(chǎn)值增長(zhǎng)趨勢(shì)越發(fā)明顯。2017年，我國(guó)智能家居市場(chǎng)規(guī)模突破3000億人民幣，到2018年，接近4000億人民幣，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年內(nèi)智能家居行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖8-10所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖然我國(guó)智能家居發(fā)展步伐很快，但是智能家居布局主要分布在一些一線城市，智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品也多出現(xiàn)在一些高檔住宅中，對(duì)于智能家居全民化仍有一段路要走。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、成本太高都是亟待解決的問(wèn)題。8.2.2智能家居的發(fā)展趨勢(shì)智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，已經(jīng)成為了許多國(guó)家的重點(diǎn)研究對(duì)象。智能家居的發(fā)展，能夠給人們的生活帶來(lái)極大的便利。目前，智能家居系統(tǒng)體系并未完全建立，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)都會(huì)影響智能家居的發(fā)展。未來(lái)的智能家居將會(huì)朝著以下幾點(diǎn)發(fā)展。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.智能家居技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。我國(guó)智能家居起步晚，還處于研發(fā)狀態(tài)，并沒(méi)有形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)廠家產(chǎn)品之間的通信，不僅可以促進(jìn)智能家居的可持續(xù)性發(fā)展還便于智能家居的市場(chǎng)管理。2.智能家居全民化。未來(lái)的智能家居必然是朝著全民化去發(fā)展，從安全、舒適、低成本、低功耗、便捷、智能等各個(gè)方向去發(fā)展，完成一套各方面比較完善的智能家居系統(tǒng)。節(jié)能、綠色和可持續(xù)發(fā)展是現(xiàn)代智能家居必不可少的體現(xiàn)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.智能家居與新技術(shù)的結(jié)合。當(dāng)今社會(huì)，人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G等相關(guān)技術(shù)興起，隨著這些技術(shù)的發(fā)展變得成熟，以后的智能家居必然會(huì)與之結(jié)合，成為主流趨勢(shì)。在安防方面，會(huì)添加各種智能設(shè)備，結(jié)合人臉識(shí)別等技術(shù)，一旦有陌生人進(jìn)入就會(huì)將消息反饋給主人。另外，會(huì)結(jié)合每個(gè)人的身體素質(zhì)和喜好，在主人或客人進(jìn)行一定的工作之后，完成一些操作，比如調(diào)節(jié)溫濕度、自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈等。同時(shí)，也可以進(jìn)行語(yǔ)音交互，或是結(jié)合機(jī)器人來(lái)完成一些需要的操作。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.2.3智能家居中廣泛使用的無(wú)線通信技術(shù)-ZigBee1.ZigBee簡(jiǎn)介ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需要的一系列通信協(xié)議，基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，最大傳輸速率為250kbps。ZigBee主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.ZigBee的特點(diǎn)（1）高可靠性無(wú)線通信中，障礙物、天氣等都是構(gòu)成電磁波傳輸不可靠的因素。同時(shí)，無(wú)線控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也會(huì)存在數(shù)據(jù)沖突、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤等不可靠性因素?？紤]到這些因素，ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范的時(shí)候，利用短距離無(wú)線通信協(xié)議IEEE802.11.5以及OQPSK和DSSS技術(shù)來(lái)提高物理層兼容性。同時(shí)使用CSMA-CA技術(shù)以及16-bitsCRC來(lái)解決數(shù)據(jù)沖突，保證傳輸數(shù)據(jù)正確性；另外還采用星型網(wǎng)絡(luò)保證數(shù)據(jù)能夠演著不同的路徑達(dá)到目的地址。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）成本低、功耗低TI公司推出了一款SoC芯片CC2530來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線傳輸，該芯片應(yīng)用了8-bitMCU，能夠兼容ZigBee2007協(xié)議，并且成本較低，大概在20~35元之間。而低功耗則主要體現(xiàn)在終端節(jié)點(diǎn)上。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備主要分為三種：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)調(diào)器的作用是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，路由器的作用是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的路由，終端節(jié)點(diǎn)則是負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。協(xié)調(diào)器和路由器是需要一直處于供電狀態(tài)，而終端節(jié)點(diǎn)可以定時(shí)休眠，因此，終端節(jié)點(diǎn)是對(duì)ZigBee低功耗的重要體現(xiàn)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）高安全性高安全性的體現(xiàn)是因?yàn)榭梢允褂肁ES-128加密技術(shù)來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。?）延遲短無(wú)論是通信、搜索設(shè)備還是從睡眠狀態(tài)下激活，延時(shí)時(shí)間都很短。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，如圖8-11所示。在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置也有不同的要求。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中，星型結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由一個(gè)Co-ordinator（協(xié)調(diào)器）和若干個(gè)EndDevice（終端節(jié)點(diǎn)）組成。每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都只能和協(xié)調(diào)器連接，如果兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)需要通信，也只能通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)包含有一個(gè)Co-ordinator（協(xié)調(diào)器）和若干個(gè)Router路由）以及若干個(gè)EndDevice（終端節(jié)點(diǎn)）。通常在支持網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化路徑。并且，這些特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用層并不需要進(jìn)行任何的參與。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.ZigBee協(xié)議棧ZigBee協(xié)議棧是在OSI參考模型的基礎(chǔ)上，采用分層的思想實(shí)現(xiàn)，分為物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中應(yīng)用層包含應(yīng)用程序支持子層、應(yīng)用程序?qū)ο蠛蚙DO設(shè)備對(duì)象。其結(jié)構(gòu)如圖8-12所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ZigBee的協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層的技術(shù)規(guī)范，而ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用程序支持子層以及應(yīng)用層的技術(shù)規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)層主要是對(duì)網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)提供支持，如在全國(guó)范圍發(fā)送廣播包，為單播數(shù)據(jù)包選擇路由，確保數(shù)據(jù)包能夠可靠地從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，此外，網(wǎng)絡(luò)層還具有安全性，用戶可以自行選擇所需要的安全策略。應(yīng)用程序支持子層主要是提供了一些API函數(shù)供用戶調(diào)用。此外，綁定表也是存儲(chǔ)在應(yīng)用程序支持子層。ZigBee對(duì)象ZDO是運(yùn)行在端口0的應(yīng)用程序，主要是提供了一些網(wǎng)絡(luò)管理方面的函數(shù)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。在協(xié)議棧中，上層實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)下層來(lái)說(shuō)是不知道的，上層可以調(diào)用下層提供的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)某些功能。本任務(wù)采用了ZigBee2007協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack是一款業(yè)界領(lǐng)先的商業(yè)級(jí)協(xié)議棧軟件，通過(guò)對(duì)這個(gè)協(xié)議棧軟件的使用，用戶可以很容易地開(kāi)發(fā)出具體的應(yīng)用程序。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)分析張智要設(shè)計(jì)一個(gè)智能家居系統(tǒng)，首先要根據(jù)需求進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與制作，再進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和編程，最后進(jìn)行系統(tǒng)安裝調(diào)試。二、實(shí)施過(guò)程1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1）總體設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由STM32主控制器、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、各類智能終端、上位機(jī)等七大部分共同組成的家居設(shè)備智能化管控系統(tǒng)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖8-13系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖圖8-13是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶可以通過(guò)上位機(jī)或直接語(yǔ)音交互的方式向STM32主控制器發(fā)送指令，STM32主控制器接收用戶命令后，通過(guò)串口把要操作的節(jié)點(diǎn)和命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收消息后,判斷用戶是切換節(jié)點(diǎn)還是操作當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收消息并解析消息，從而來(lái)隨時(shí)獲取家居情況控制家居相應(yīng)設(shè)備狀態(tài)。建立的數(shù)據(jù)庫(kù)是放在遠(yuǎn)程服務(wù)器上的，通過(guò)電腦可以隨時(shí)調(diào)用出家居中的設(shè)備狀態(tài)及近期室內(nèi)的環(huán)境信息。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)、安防監(jiān)測(cè)、家居設(shè)備狀態(tài)控制3個(gè)主要模塊。室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)單元包括：室內(nèi)溫度、濕度檢測(cè)、污染物的氣體濃度檢測(cè)、光照強(qiáng)度檢測(cè)和當(dāng)前天氣狀況檢測(cè)。ZigBee終端將這些信息聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云服務(wù)器中。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)安防監(jiān)測(cè)單元包括：紅外熱釋電監(jiān)測(cè)、指紋驗(yàn)證和自動(dòng)報(bào)警。如果家里出現(xiàn)了異常狀況(如發(fā)生火災(zāi))，4G通信終端將會(huì)給主人撥打電話或發(fā)送短信通知。配備的指紋門禁終端能夠提前錄入主人指紋，并且通過(guò)紅外熱釋電監(jiān)測(cè)是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時(shí)則要求驗(yàn)證指紋。若指紋驗(yàn)證失敗，則進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警以保證安全。家居設(shè)備狀態(tài)控制單元包括：燈光亮度控制、窗簾控制、家電控制等。用戶可以通過(guò)語(yǔ)音控制或上位機(jī)控制，進(jìn)行家居基礎(chǔ)設(shè)備有關(guān)命令的下達(dá)，中央處理器在接收到命令后，通過(guò)ZigBee模塊將有關(guān)信息傳遞給智能終端，實(shí)現(xiàn)命令在智能終端上的具體體現(xiàn)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）主微處理器設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件部分的核心微控制器采用的是意法半導(dǎo)體公司（ST公司）推出一款以ARMCortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片，其最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHz；片上集成256-512KB的Flash存儲(chǔ)器，高達(dá)的64K的SRAM存儲(chǔ)器；多達(dá)9個(gè)通信接口，其中2個(gè)I2C接口，3個(gè)USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個(gè)SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主動(dòng)），USB2.0全速接口；任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)多達(dá)3個(gè)同步的16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道，達(dá)140個(gè)具有中斷功能的I/O端口。與其他單片機(jī)相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)要求。圖8-14是這個(gè)芯片在本系統(tǒng)硬件電路中的核心控制電路框圖。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）4G通信模塊SIM7600CE本系統(tǒng)的SIM7600CE是一款支持移動(dòng)、聯(lián)通和電信4G網(wǎng)絡(luò)的高度集成化模塊，具有性能高，成本低和功耗低等特點(diǎn)。利用該模塊可以使遠(yuǎn)程控制端與家庭中網(wǎng)絡(luò)相互連接，主體控制器和遠(yuǎn)程控制終端能夠相互通信，發(fā)送控制指令，實(shí)際功能在操作中效果良好。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3）無(wú)線傳輸ZigBee模塊ZigBee技術(shù)是一種非常優(yōu)秀的雙向互通無(wú)線通訊技術(shù)，其技術(shù)方案是介于藍(lán)牙技術(shù)和無(wú)線標(biāo)記技術(shù)之間，它廣泛應(yīng)用于簡(jiǎn)單、低速、短距、少耗能、低成本的多種電氣信息設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換傳遞，所以ZigBee技術(shù)非常適用于智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為ZigBee模塊的CPU，該芯片整合了ZigBeeRF前端、內(nèi)存和基于51內(nèi)核的微控制器等。CC2530是廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，具有靈敏度高和干擾性強(qiáng)，以及成本較低的優(yōu)勢(shì)。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（4）智能語(yǔ)音模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的SYN7318語(yǔ)音模塊是由一款龍邱科技公司最新推出的語(yǔ)音控制芯片。SYN7318中文語(yǔ)音交互模塊集成了語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成和語(yǔ)音喚醒功能模塊、是通過(guò)UART接口通訊方式接收命令幀。語(yǔ)音識(shí)別控制終端是用戶與該家居智能控制系統(tǒng)的主要交互方式，用戶可以通過(guò)語(yǔ)音喚醒功能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別通過(guò)從云端返回的字符串，判斷出用戶的指令，把命令發(fā)給服務(wù)器，由服務(wù)器把命令轉(zhuǎn)發(fā)給已上線的主控制器端，從而執(zhí)行用戶命令，實(shí)現(xiàn)智能家居的語(yǔ)音控制。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5）室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)該部分設(shè)計(jì)的功能用于監(jiān)測(cè)家居室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等，通過(guò)采集的各類信息進(jìn)行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時(shí)，加濕器會(huì)自動(dòng)打開(kāi)以增加濕度；當(dāng)室內(nèi)亮度不足或者過(guò)亮?xí)r，可變亮度燈和遮光窗簾會(huì)自動(dòng)調(diào)整，以保持室內(nèi)光強(qiáng)恒定；濕度傳感器采用DHT11，它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0~50℃。其接線如右圖所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光傳感器采用GY-30,GY-30采用ROHM-BH1750FVI芯片，基于標(biāo)準(zhǔn)NXPIIC通信協(xié)議，可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1勒克斯的高精度測(cè)定，供電范圍3.3V-5V，光照范圍0-65535lx。具體的電路模塊設(shè)計(jì)策略為：GY-30的2腳連接ZigBee的IIC總線時(shí)鐘引腳,3腳連接ZigBee的IIC總線數(shù)據(jù)引腳，1腳連接3.3V-5V直流電源端,4腳接GND。其硬件接線如右圖所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6）消防報(bào)警設(shè)計(jì)該部分設(shè)計(jì)的功能用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居室內(nèi)的煙霧濃度，根據(jù)預(yù)設(shè)好的閾值進(jìn)行報(bào)警提示或靜默運(yùn)行，以提升用戶室內(nèi)煙霧濃度是否超標(biāo)，以此作為消防報(bào)警系統(tǒng)是否運(yùn)行的參照。選擇MQ-2煙霧及可燃?xì)怏w傳感模塊，該傳感器共4個(gè)引腳，其中2個(gè)用于檢測(cè)信號(hào)的傳輸，2個(gè)用于電源和地線的連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙霧、液化氣、酒精揮發(fā)氣體的檢測(cè)。具體的電路設(shè)計(jì)策略如圖所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（7）系統(tǒng)電源管理設(shè)計(jì)為了增加系統(tǒng)的可靠性和安全性，在城市電網(wǎng)供電的基礎(chǔ)上增加電池供電來(lái)降低系統(tǒng)因市電斷電造成的故障。當(dāng)外部電源斷開(kāi)時(shí)，繼電器內(nèi)部導(dǎo)通，由電池給外部系統(tǒng)供電，當(dāng)外部電源接入時(shí)，繼電器內(nèi)部關(guān)閉，電池和系統(tǒng)電源之間斷開(kāi)，外部電源對(duì)系統(tǒng)供電。圖8-18