智能物联网插电板设计

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　　摘要：伴随着这些年来绿色环保宣传所带来深入人心的效果，智能家居也搭上了这股热潮，可以及时准确的监控住宅内电器的功率、电压、电流等指标的智能化插排的重要性在不断提升。本文以Zigbee无线网传感技术为基础，设计了基于物联网技术的智能插电板，从而实现对信息的监控和采集，通过嵌入式处理器使家庭内部的网络系统与互联网以及无线网络之间实现互相连通，进一步实现计算机或手机等移动设备对终端进行控制。
　　关键词：Zigbee技术;智能插电板;物联网技术
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）04-0284-03.
　　收稿日期：2019-10-28
　　基金项目：2018年度国家级大学生创新创业训练计划项目：智能物联网插电板（项目编号：201810959010）
　　作者简介：朱青（1997—），女，安徽宿州人，本科，安徽三联学院计算机工程学院学生，研究方向为智能家居;昌小宝（1997—），女，安徽
　　无为人，本科，安徽三联学院计算机工程学院学生，研究方向为智能家居;张健（1979—），安徽泗县人，硕士，安徽三联学院计算机工程学院副教授，研究方向为无线传感网。
　　1 概述
　　目前市场上大多的标识为智能插电板的产品，仅仅具备集中单一的功用，用途单一，且价格昂贵。本人自主设计的主控.制器为低功耗单片机，并添加室温侦测、计时通断、远距离遥控、过载侦测等功效，具备漏电、过载、高压及雷电防控功能，为了实现电器低功耗待机和智能化自动断电功能，需把智能芯片内嵌入插板内，利用实时自动侦测电器用电量大小改变，成功实现了这一目标。本款插电板是一款满 足家居各种诉求的物联网智能插电板，拥有能耗低物美价廉、基于人性化设计等优点。
　　2 数据传输原理
　　2.1 Zigbee通信技术概括
　　Zigbee以配置文件和互操作的平台的基础架构为基础，可完成近距、低耗、自由组网的无线网络通信，该架构具备延展性高、成本低的长处。它的特征主要是自身的无线电协议，另外单个网络节点有三类工作模式，包含：终端设备、协调器和路由器。这三类模式在运用时，都是以节点间做相互组网的方式实现数据之间无线输送。通过Zigbee进行数据传输，具备耗能低的特点，数据之间形成网络拓扑结构，从节点之间不断地传递，最终被终端被汇总接收，再进行数据的处理。基于这种工作原理，通讯效率达到了一个非常高的层次，同时耗能也很低，难度水平也不高，此为采取这种方法主要原因。
　　2.2 Zigbee的网络拓扑结构
　　Zigbee网络依照现实要求能够实现三类网络拓扑组成，包含星型、网状和簇状网络拓扑。
　　如图1所示，星型网络拓扑结构，简单地说就是一个单跳系统，所有设备（不包括网络协调器）都与网络协调器这一点，他们之间进行双向自由通信。其中这一点，也就是网络协调器起协调作用，是星型拓扑中的中心，其他的节点的数据传送都将直接通过它来实现数据交换。其余的节点仅仅依附在周围，不与其存在现实层面的关联，此框架使得现实运行的过程中能耗最小，但不可进行长距离的通信。
　　如图2所示，网状拓扑结构是把路由器当作数据的中转桥梁。路由作为数据的中途中继纽带维持拓扑结构，除协调器之外别的节点都存在某个父节点完成上级的数据传送。明显的，因为复杂的结构，所以功耗也会随之增强。
　　如圖3所示，簇状拓扑结构结合了，上述两种结构的特点，其结构特点是网络结构更加复杂、丰富。组网的过程中，这种网络拓扑结构能够很好地进行数据的长距离传输，这种拓扑的优势即是优异的自我修复功能，当输送过程中出现节点损坏的现象，网络会自行组建新的网络，使系统快速恢复正常状态。
　　2.3 Zigbee系统的通信途径
　　Zigbee系统的通信途径通常包含三类：组播、广播和点播。（1）点播：网络系统中，若已知其中一个节点的网络短地址，则可通过点点通信实现其他点与该点的连接。
　　（2）组播：网络系统中，将一部分节点划分为一个小组，仅小组内的节点间能自由传送信息，小组外的节点无此功能。
　　（3）广播：网络系统中，任意一个节点和任意其他一个节点之间都能进行信息的传递。
　　3 单片机电路设计
　　本智能家居系统中的Zigbee网络硬件模块包含电源、终端、协调器、网关控制等。网关中ARM控制模块选用AM3352芯片，利用UART接口与Zigbee协调器进行串口通信联络方式，与此同时，互联网与RJ45相连通。系统选用CC2530设计Zigbee协调器与终端的移动交互模块。CC2530是一种全兼容性的8051内核并且符合Zigbee 2007协议标准的无线射频模式的单片机，是专用的Zigbee应用芯片，简要说明如下所示：
　　（1）内存、CPU
　　CC2530有三个各不相同的存储器访问总线：特殊功能寄存器、数据以及外部数据，它们以单周期的方式实现与数据、主SRAM之间的交互。
　　除此之外，它还包含一个18输入的扩展中断单元和调试接入口，当它处在休闲模式时，任何的中断活动都能使它突变到主动模式。甚至在休眠模式都能被激活。处在系统中心的存储器，交叉开关的运用，利用的是SFR总线把CPU、DMA控制器以及物理存储器和一切的外设设备连接。32/64/128/256KB闪存块则为设备给予内电路可编程的非易失性程序存储器，并将它映射到代码和外部数据存储器的空间。除了保存程序代码和常量以外，应用程序保存必要的数据在不易失性的程序存储器中得到了允许，从而可以实现：在设备重启后，这些数据仍然被保存下来，可以直接使用。使用本功能，可以保存具体网络参数，当系统再次通电后，可直接汇入网络。
　　（2）电源、时钟的管理 　　1.8V稳压低差电源给CC2530的外部设备和数字核心供电，此外CC2530还包含电源管理模块，从而能够实现电池低功耗，长寿命的差异化供电运行模式。
　　（3）外设CC2530有特别多的外设，在开发新应用时，这些外设使开发者的操作得到允许。如下所示：
　　①调试接口不仅能够清除掉闪存存储器里的全部内容、还可以管控振荡器的各部分应用、另外，还可以调节用户网络程序的起始、完成8051核心命令、设立代码的断点，以及核心中所有命令的单步调试。
　　②所有的GPIO引脚都受到I/O控制器的控制，CPU的作用是可以调控配置外设组件受软件控制的与否以及对某个脚本的控制与否，如果是，则可以通过为每个引脚配置输入或输出，连接上拉电阻或下拉电阻，来中断分开每个引脚。
　　③系统通过利用五通道的多功能DMA控制器，定时器、ADC接口、AES内核、以及USART等硬件外设，通过利用DMA控制器在XREG与SFR地址之间进行数据之间的传输，从而提高操作的效率。
　　④定时器一是16位的定时器，它具有PWM、定时以及计数的功能。定时器二（也被称为MAC定时器），是专门为IEEE802.15.4MAC而设计的。定时器三和定时器四皆是8位定时器，和定时器一样，也具有定时、计数和PWM三个功能。
　　⑤功耗最低定时器是睡眠定时器。在3供电模式工作模式下，睡眠定时器除了会继续工作之外，还负担着实时计数器的工作，除此之外，也可以作为一个唤醒定时器从1或2模式中跳出。
　　⑥ADC可以支持在30kHz带宽（7）到在4kHz带宽（12）的分辨率。
　　⑦用户可以通过AES协调处理器来利用128位密钥的AES算法加密和解密数据。这一内核能够确保IEEE 802.15.4MAC 安全，还可以支持Zigbee各层要求的AES操作。
　　⑧内置的看门狗定时器在固件挂起设备的情况下允许复位自己。当看门狗定时器利用软件行使功能的时候，它必须定期清除，以免超时后复位设备。
　　（4）无线电
　　IEEE802.15.4兼容形式存在下的无线收发器是由CC2530提供的。RF内核可以控制和模拟无线模块形式。同时，它可以为MCU和无线设备之间的通信提供接口，实现他们之间命令的发送、实时状态的读取、特殊情况下的自动操作以及事件先后顺序的确定。除此之外，无线设备还有地址识别和数据包过滤模块。
　　4 Zigbee终端设备软件设计
　　智能插座装置接电后，对网络状态、发送序列号及任务ID执行初始化操作始化操作，并对节点实行初始化操作后完成注册，并行初始化UART串口设置，包括波特率为9600，数据位为8，停止位为1，校验位无，硬件控制流无。
　　智能插座会在手机端完成增设后，自行对Zigbee网络进行搜索，并且连接。
　　当设备接入网络之后，可以激活并且上报，CC2530芯片把，版本号打包到数据帧之中，并且传送到服务器上，此外，机动查询插座状态的事件，向插座内单片机传送查询第一次电插座目;前状态的指令。如果有事件发生，发生的事件是串口接收缓冲区满或者串口接收超时，则应用串口回调函数，从串口获取数据，分析获得插座状态数据帧之后按Zigbee协议传送到协调器。
　　5 系统测试
　　5.1 系统通信测试
　　被测试的是系统整体组网通，普通插座与智能插座相连后通电。利用电源适配器，先连接电源，然后用RJ45与路由器连.接，最后在连通服务器。网关内部配备的协调器组件，主要负责组建网络，传送数据，传送控制指令的任务，同时共同测试创建Zigbee无线网络;智能插座在接入Zigbee網络后，测试它的数据采集，数据发送以及执行命令等功能;手机客户端测试智能插座通断电，及智能插座定时开关信息远程查看。
　　智能插座通电后，当蓝灯亮时，说明已经成功接入服务器，当红灯持续闪亮10秒钟，意味着智能插座装置上实现上电而且完成初始化;当手机APP和网关联通到同样的路由器后，选择新增设备，在设备显示界面，网关设备和智能插座显示成功添加，分别将智能插座终端模拟开关的通断电，手机端软件显示智能插座的状态为打开与关闭。
　　5.2 系统性能测试
　　将手机客户端打开，打开终端设备后，选择添加设备，在手机客户端查看能不能获得终端的实时状态信息，如果可以，就可以实现手机移动客户端的远程调控和监测。将智能插座开启，手机端插座按下按钮显示打开，将智能插座关闭，手机端插座显示关闭，如图4所示。
　　综上所述，本系统按照当代用户的需求进行分析，结合总体设计方案的标准，具体功能如下：
　　（1）Zigbee网络可以由Zigbee协调器成功建立，在Zigbee终端设备锁，可以根据通信协议进行通信;
　　（2）各Zigbee终端能够成功采集相关数据：智能插座终端可以智能通断电;自动检测过流过载情况，进行自动断电安全保护
　　（3）可移动终端可以与服务器之间利用通信协议取得联系;
　　（4）同时，服务器也可以通过通信协议与网关通信;
　　（5）远程手机端APP，对上传的消息，能够实现远程操作并查阅，再实现智能操控。
　　6 结束语
　　实际生活和生产中，物联网科技在完成人物、物物之间的智能通讯方面具有非常好的创新和实用价值。物联网应用Zigbee技术实现各个节点之间通讯一般，它不但有效性高，同时能耗较低和创建网络便捷。本文以Zigbee无线网传感技术为基础，设计了此款物联网智能插电板，从而可以实现对信息的监控和采集，通过嵌入式处理器使家庭内部的网络系统和Internet网与无线网络之间实现互相连通，进一步实现计算机或手机等移动设备对终端进行控制。本文提出的系统通过实现无线组网技术与家庭网络之间良好的信息沟通，达到了家庭内部电路信息能被很好地监测从而实现智能管理，减少了家庭不美观的冗杂线路现象，极大地解决了智能板块与控制中心之间的无线通信。因此，该系统在很大的程度上，为当代社会人们的日常起居生活提供了非常大的便利，与此同时，也对未来智能时代，家居系统的前沿研究和实际运用，都具有很好利用参考价值。 　　参考文献：
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