《傳感器與檢測技術(shù)》課件 項目8 現(xiàn)代智能式傳感器及應(yīng)用

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

任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制

系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計◎知識目標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?.能正確選用智能傳感器。2.學(xué)會智能傳感器典型電路的設(shè)計、分析、制作及調(diào)試方法。3.掌握一定的程序設(shè)計和編程技能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計◎素質(zhì)目標1.提高分析問題、解決問題的能力和溝通的能力。2.樹立勇于奉獻、開拓創(chuàng)新的精神。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計

任務(wù)導(dǎo)入張智聽說鄰居陳叔叔酒后駕駛出了車禍，所幸沒有造成嚴重傷害。慶幸之余，張智不由想到，如果每輛車的駕駛座上有一個智能儀器可以測試出駕駛?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)合高性能單片機的特點，設(shè)計一種智能型的酒精測試儀，能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場合，對酒駕行為進行提前預(yù)防，保障駕駛?cè)说纳踩?。那么設(shè)計一款智能酒精測試儀，需要什么樣的芯片作為智能核心呢？任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計

相關(guān)知識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)市場前景不可估量。同時受可穿戴、智能制造技術(shù)發(fā)展加快和全球經(jīng)濟復(fù)蘇等因素影響，市場需求可能出現(xiàn)更大幅度增長。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國傳感器制造行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測分析報告》，到2017年全球傳感器行業(yè)市場規(guī)模增長至1955億美元，同比增長12.29%，2018年全球傳感器行業(yè)市場規(guī)模突破2000億美元，2024年將突破3000億元。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計與巨大的市場需求相比，現(xiàn)階段我國市場主要應(yīng)用的傳感器絕大部分仍然依賴進口，主流市場產(chǎn)品依賴國外配套的情況尤為突出。與國外相比，我國企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)、工藝水平、生產(chǎn)裝備、企業(yè)規(guī)模、市場占有率和綜合競爭能力等方面仍不能與國外同類企業(yè)抗衡。同國際先進水平相比，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。同時常規(guī)傳感器存在以下問題：1.能夠被準確標定是所有傳感器必備的優(yōu)良特性，但是傳感器一旦被實際使用，往往就很難甚至不能再對其進行手工標定。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計2.傳感器性能會隨時間發(fā)生變化，產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。如果沒有采用某種方式來補償漂移，傳感器的性能就會隨時間而發(fā)生變化，從而引失去使用價值。3.容易受到工作環(huán)境的影響。4.通用性較差。常規(guī)的傳感器需要信號調(diào)理電路將被測的物理量轉(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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計5.物理空間的限制。一般來說，傳感器距離監(jiān)控系統(tǒng)越遠，檢查信號的質(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信號的監(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.相對于計算機性能突飛猛進的發(fā)展，以及價格的大幅下降，常規(guī)傳感器的性能和價格很長時間以來都變化不大，因此性價比不高。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的升級，研發(fā)新型傳感器迫在眉睫，智能式傳感器應(yīng)運而生。隨著《中國制造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)出萬物互聯(lián)、萬物智能的新特征。通過各類智能式傳感器及其各種設(shè)備載體，源源不斷地實現(xiàn)人、機、物、云端的無縫交互，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)式增長態(tài)勢，已成為決定未來智能制造發(fā)展的核心與基礎(chǔ)之一。同時，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能應(yīng)用的興起，推動傳感技術(shù)由單點突破向系統(tǒng)化、體系化的轉(zhuǎn)變，大平臺、大生態(tài)主導(dǎo)核心技術(shù)走向態(tài)勢明顯，并成為發(fā)達國家及跨國企業(yè)布局的戰(zhàn)略高地。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計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外首先提出，英國人將智能式傳感器稱為“IntelligentSensor”；美國人則習(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、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》(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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計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算機系統(tǒng)來擴展和提高傳統(tǒng)傳感器的功能，傳感器與微處理器可為兩個分立的功能單元，傳感器的輸出信號經(jīng)放大調(diào)理和轉(zhuǎn)換后由接口送人微處理器進行處理。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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計M EMS傳感器即微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems)，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(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械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。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)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，微米級的特征尺寸使其可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。MEMS傳感器的分類如圖8-2所示。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計把傳感器獲得的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)傳感器時一般需要單獨進行信號的放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換，這個環(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。因此，良好的匹配是智能式傳感器設(shè)計的關(guān)鍵。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計2.嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)(Embed-dedsystem)通常是指綜合了計算機軟硬件、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)計的一種專用計算機系統(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、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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計嵌入式系統(tǒng)硬件根據(jù)傳感器成本、體積、功能、功耗進行設(shè)計，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)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負責(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)。能夠通過裝卸某些模塊來達到系統(tǒng)所要求的功能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計目前在嵌入式領(lǐng)域廣泛使用的操作系統(tǒng)有:嵌入式實時操作系統(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)計應(yīng)用需求時，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，因此每個傳感器分擔(dān)的研發(fā)費用低，因此價格會較低;而專用性高的傳感器由于使用量較少，因此成本會較高。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計3 .通信部分智能式傳感器要接受外部監(jiān)測要求，并將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠?，必然需要進行通信。通信分有線通信和無線通信兩種，其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼具低功耗、低成本、多功能的優(yōu)點，已經(jīng)成為當(dāng)代熱門前沿技術(shù)。無線通信的種類較多，這里介紹最常用的無線通信協(xié)議。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（1）無線局域網(wǎng)通信，由眾多功能相同或者不同的傳感器節(jié)點組成，并把它們科學(xué)地分布于被監(jiān)測區(qū)域，各節(jié)點間自組織形成無線網(wǎng)絡(luò)(一般多采用ZigBee協(xié)議)，采用多條鏈路進行數(shù)據(jù)傳送，最終把各類屬性測量數(shù)據(jù)(如溫度、濕度、煙霧濃度、物體移動等)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線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色為低速、低電耗、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計②Z-Wave，是基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。工作頻帶為908．42MHz(美國)、868．42MHz(歐洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)調(diào)制方式。信號的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m，適合于窄寬帶應(yīng)用場合。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（2）基于低功耗廣域網(wǎng)的通信，是采用一個基站對應(yīng)多個傳感器節(jié)點的方式進行通信，最常用的協(xié)議有:①NB-ioT，是基于現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用LTE的無線技術(shù)，可減少開發(fā)全系列技術(shù)規(guī)范的時間，對于采用授權(quán)頻譜的電信運營商來說，該技術(shù)可通過對現(xiàn)有蜂窩設(shè)備升級的方式，使運營商能夠以低成本、高效率地切入新興的物聯(lián)網(wǎng)市場。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，覆蓋面積擴大100倍;二是具備支撐海量連接的能力，NB-ioT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接;三是更低功耗，NB-ioT終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計①NB-ioT，是基于現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)使用LTE的無線技術(shù)，可減少開發(fā)全系列技術(shù)規(guī)范的時間，對于采用授權(quán)頻譜的電信運營商來說，該技術(shù)可通過對現(xiàn)有蜂窩設(shè)備升級的方式，使運營商能夠以低成本、高效率地切入新興的物聯(lián)網(wǎng)市場。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，覆蓋面積擴大100倍;二是具備支撐海量連接的能力，NB-ioT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接;三是更低功耗，NB-ioT終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計4.供電系統(tǒng)供電是驅(qū)動智能式傳感器工作的動力，只有少數(shù)特別設(shè)計的無源傳感器例外。對于無線智能式傳感器，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，有必要降低待機功耗，提高電源轉(zhuǎn)化效率等。在一些特殊場合，有傳感器設(shè)計成無線供電，通過外部電源實現(xiàn)無線供電;也有設(shè)計成自發(fā)電的傳感器，如用振動、太陽能、溫差、風(fēng)能、電磁感應(yīng)、壓力變化等進行能源轉(zhuǎn)換提供電能。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計

任務(wù)實施一、任務(wù)分析張智要設(shè)置一個智能型的酒精測試儀，首先要進行系統(tǒng)總體設(shè)計，然后用進行硬件設(shè)計和制作，再進行軟件設(shè)計，最后進行系統(tǒng)調(diào)試。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計二、實施過程1系統(tǒng)總體設(shè)計（1）功能設(shè)計本設(shè)計基于STC12C5A60S2微處理器，用于檢測氣體中的酒精濃度，可使用在一些對環(huán)境酒精氣體濃度要求嚴格的生產(chǎn)車間，本設(shè)計可以及時檢測車間內(nèi)的氣體酒精濃度。當(dāng)氣體酒精濃度高于設(shè)定閾值時，發(fā)出告警提示，提醒車間管理者及時通風(fēng)換氣，以便于安全生產(chǎn)。除此之外，還可用于酒駕測試，用來測試當(dāng)前呼氣酒精濃度，是否高于酒駕濃度閾值，以此來時刻提醒駕駛員請勿酒后駕駛。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計為了提高測量數(shù)據(jù)精度，需要高精度的酒精傳感器，本設(shè)計中采用了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位二進制數(shù)據(jù)存放在單片機內(nèi)部寄存器中，再通過單片機數(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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8-3所示，包含MQ-3乙醇氣體檢測模塊、液晶顯示模塊、鍵盤模塊、鋰電池充放電模塊、報警模塊、單片機模塊等。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（3）外觀工藝設(shè)計測試儀的定位是日常使用便攜式測試器，主要特點是使用方便，容易攜帶，安全衛(wèi)生，重復(fù)使用操作簡便等特點。根據(jù)以上特點對測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，可以采用價格適中的一次性氣嘴設(shè)計，符合市面上通用氣嘴標準；充電設(shè)備兼容手機等電子產(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，顯示測試數(shù)據(jù)和相關(guān)報警信息等。測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。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計2.硬件設(shè)計（1）主處理器模塊在這次設(shè)計中采用了STC12C5A60S2微處理器，該處理器屬于增強型51單片機，是單時鐘/機器周期(1T)單片機。普通51單片機的機器周期是振蕩頻率進行12分頻后得到的，而該單片機機器周期相等于振蕩周期，這樣在相同振蕩頻率下，該單片機指令執(zhí)行速度至少比普通單片機快12倍，適合用于響應(yīng)及時的場合，隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，該單片機價格已經(jīng)接近普通51單片機價格。它內(nèi)部集成1280字節(jié)RAM和64KROM空間，適合運行大型單片機程序，給程序員提供方便。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計內(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，本設(shè)計正是利用單片機內(nèi)部高精度A/D轉(zhuǎn)換器，在不影響測試精度的條件下，方便控制測試儀的整體尺寸，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、外圍電路簡單、成本低、穩(wěn)定性好和壽命長等優(yōu)點，將氣體信號準確的轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計下圖是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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計傳感器電壓輸出信號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量誤差，需要在傳感器測量前進行預(yù)熱，一般預(yù)熱時間為20秒左右。Vout電壓每升高0.1V，實際被測氣體的濃度增加20ppm，這里的1ppm=1mg/kg=1mg/L,常用來表示氣體濃度，或者溶液濃度。MQ-3模塊信號有數(shù)字電平輸出和模擬信號電壓輸出兩種模式，由于本設(shè)計需要適時顯示被測量的酒精濃度，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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（3）液晶模塊為了讓產(chǎn)品便于攜帶，考慮到待機時長問題，本設(shè)計采用成熟的1602液晶作為顯示單元。1602液晶體積小，能固定顯示兩行各16個字符，采用移位顯示模式還可以顯示兩行各32個字符，本項目第一行顯示“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，那么測試值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行顯示數(shù)值會以1Hz頻率閃爍，并開啟蜂鳴器和報警燈以相同頻率報警；如果數(shù)值大于等于80mg/100ml，則數(shù)值以10Hz的頻率快速閃爍，并開啟蜂鳴器和報警燈以相同頻率報警。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（4）鍵盤模塊設(shè)計鍵盤模塊主要作用是可以設(shè)置閥門值，根據(jù)不同場合對酒精濃度的要求進行修改，擴大了本設(shè)計的應(yīng)用范圍。一個按鍵定義為數(shù)值加，每按一次數(shù)值增加1mg/100ml；另一個為數(shù)值減，每按一次數(shù)值減少1mg/100ml；第三個按鍵為數(shù)值清零，講預(yù)設(shè)的閥門值清零；第四個按鍵為設(shè)置鍵，用于設(shè)置數(shù)據(jù)確認鍵。本系統(tǒng)所需按鍵較少，采用獨立式按鍵電路連接方式。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（5）鋰電池充放電模塊設(shè)計鋰電池充電、放電模塊采用TP5410來解決，TP5410是一款專為移動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傳感器檢測和蜂鳴器報警期間，最大供電電流不大，實際最大工作電流不足300mA，輸出電壓在+5V±0.1V。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計圖8-5鋰電池充、放電電路圖任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計3.系統(tǒng)軟件設(shè)計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)定三個不同閾值，如果是測試酒駕、醉駕，則設(shè)定第一個閾值為20mg/100ml，第二個閾值為80mg/100ml，第三個閾值可以不用設(shè)置，系統(tǒng)默認不啟用。系統(tǒng)也可以用在其他需要測試酒精濃度的場合，比如食品加工車間、釀酒車間等。聲光報警是由一只紅色LED和蜂鳴器組成，通過報警聲音頻率和LED閃爍頻率來確定超出規(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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計在酒精濃度測量過程中，連續(xù)多次測量值都會有不同，為了讓測量值更加穩(wěn)定和精確，這里采用多次測量取平均值的辦法，系統(tǒng)每隔10ms測量一次數(shù)據(jù)，將測量到的五次數(shù)據(jù)做平均處理。傳感器在測量不同濃度酒精溶液時，測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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計電壓值（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便攜式智能酒精測試儀設(shè)計4.系統(tǒng)測試由于考慮到便攜性特點，電路板盡量設(shè)計為長方形，液晶屏罩在單片機上，吹嘴通過軟管接到傳感器上，讓氣體都能噴到傳感器感應(yīng)頭上，然后做以下4組測試：（1）配置酒精濃度為10mg/100ml的氣體通過吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計算最大的誤差；（2）配置酒精濃度為22mg/100ml的氣體通過吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計算最大的誤差；任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計（3）配置酒精濃度為48mg/100ml的氣體通過吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計算最大的誤差；（4）配置酒精濃度為112mg/100ml的氣體通過吹嘴，觀察系統(tǒng)顯示濃度，計算最大的誤差。最后通過以上4組測試數(shù)據(jù)，進行分析比對，了解濃度高低對測量誤差的影響；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)，對酒精濃度影響。任務(wù)8.1便攜式智能酒精測試儀設(shè)計

任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制

系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計◎知識目標1.了解智能家居的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。2.了解ZigBee的技術(shù)。3.掌握ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用?！蚰芰δ繕?.能設(shè)計智能家居方案。2.能夠?qū)χ悄芗揖酉到y(tǒng)進行設(shè)計、安裝與調(diào)試。3.掌握一定的程序設(shè)計和編程技能?！蛩刭|(zhì)目標1.養(yǎng)成健全的人格。2.增強創(chuàng)新精神及團隊協(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

任務(wù)導(dǎo)入冬天的晚上，張智躺在床上準備睡覺，卻發(fā)現(xiàn)客廳的燈和電視還開著，無奈離開溫暖的被窩，跑去關(guān)了燈和電視。這個過程實在太痛苦，于是他萌生了一個利用自己的專業(yè)技能設(shè)計一套智能家居系統(tǒng)的想法。智能家居都有些什么功能呢？要設(shè)計一個智能家居系統(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

相關(guān)知識8.2.1智能家居的研究現(xiàn)狀1.國外智能家居發(fā)展與現(xiàn)狀1984年，在美國哈特福特市有一棟比較陳舊的大樓被拿來作為智能家居的實驗地，研究人員對整個房子做了二次建設(shè)，對大樓里面的電器設(shè)備包括空調(diào)、照明、安防設(shè)備等進行統(tǒng)一的檢測與控制，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)計經(jīng)過了一定時間的發(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際性知名企業(yè)提出，如Google（谷歌）、IBM（國際商業(yè)機器公司）、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以集成化家電自動控制體系提供給用戶舒適、健康、安全、經(jīng)濟的智能家居管理方案；德國Simons公司的SyncoIC云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)遠程供暖、遠程抄表、遠程監(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)計根據(jù)最新調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全球智能家居市場主要由美國、日本、英國、德國等發(fā)達國家主導(dǎo)，其中，美國的智能家居市場收入遠遠超過其他國家，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2.國內(nèi)智能家居發(fā)展與現(xiàn)狀相較于美國、日本、英國、韓國這些發(fā)達國家，國內(nèi)的智能家居起步就比較晚。相關(guān)的智能家居產(chǎn)品在二十世紀末才開始陸陸續(xù)續(xù)從國外引進到國內(nèi)。雖然國內(nèi)智能家居的起步比較晚，但是國內(nèi)的發(fā)展環(huán)境和其他國家相比又有比較大的優(yōu)勢。對于智能家居產(chǎn)業(yè)化，政府以及有關(guān)部門都大力支持，加上國內(nèi)優(yōu)越市場環(huán)境的引導(dǎo)，國內(nèi)的智能家居發(fā)展步伐是非?？斓?。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計2009年，海爾集團在國內(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)首個全場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)，實現(xiàn)對空氣、用水、洗護等全屋環(huán)境設(shè)置，還可以根據(jù)自己的需求實現(xiàn)定制化生活服務(wù)。2012年，國家在“十二五”計劃中將智能家居作為發(fā)展戰(zhàn)略，政府制定出多項政策來加速智能家居的成長。此時，我國智能家居發(fā)展已經(jīng)進入了融合演變期，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2014年，長虹公司推出了CHiQ電視，能夠通過手機對電視進行播放、緩存、回放等操作。2018年，長虹公司在中國家電及消費電子博覽會（AWE）上推出了CHiQLife智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合語音交互技術(shù)及人工智能技術(shù)，在娛樂、空氣、用水等場景中，擺脫了傳統(tǒng)控制方式的束縛，實現(xiàn)了更智能化的控制，給用戶帶來了更加舒適的生活體驗。2015年，華為公司宣布進入智能家居市場。并于2018年，華為公司發(fā)布了智能家居領(lǐng)域的“百億計劃”，利用華為技術(shù)、品牌等能力來促進智能家居生態(tài)發(fā)展。目前，國內(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)計在20年的智能家居發(fā)展中，從一開始行業(yè)處于一個概念熟悉、產(chǎn)品認知的階段，到智能家居市場營銷、技術(shù)培訓(xùn)體系逐漸完善，再到因智能家居惡性競爭導(dǎo)致大批企業(yè)退出市場現(xiàn)象發(fā)生，最終進入如今行業(yè)的迅速騰飛階段，我國總共經(jīng)歷了萌芽期、開創(chuàng)期、徘徊期、融合演變期四個時期?，F(xiàn)如今，智能家居市場總產(chǎn)值增長趨勢越發(fā)明顯。2017年，我國智能家居市場規(guī)模突破3000億人民幣，到2018年，接近4000億人民幣，增長趨勢明顯。預(yù)計在未來的幾年內(nèi)智能家居行業(yè)市場規(guī)模將進一步擴大，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)計任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計雖然我國智能家居發(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，對于智能家居全民化仍有一段路要走。技術(shù)標準不統(tǒng)一、成本太高都是亟待解決的問題。8.2.2智能家居的發(fā)展趨勢智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要組成部分，已經(jīng)成為了許多國家的重點研究對象。智能家居的發(fā)展，能夠給人們的生活帶來極大的便利。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)標準。同時，人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)都會影響智能家居的發(fā)展。未來的智能家居將會朝著以下幾點發(fā)展。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計1.智能家居技術(shù)標準的統(tǒng)一。我國智能家居起步晚，還處于研發(fā)狀態(tài)，并沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)標準。技術(shù)的標準統(tǒng)一，就可以實現(xiàn)各個廠家產(chǎn)品之間的通信，不僅可以促進智能家居的可持續(xù)性發(fā)展還便于智能家居的市場管理。2.智能家居全民化。未來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3.智能家居與新技術(shù)的結(jié)合。當(dāng)今社會，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與之結(jié)合，成為主流趨勢。在安防方面，會添加各種智能設(shè)備，結(jié)合人臉識別等技術(shù)，一旦有陌生人進入就會將消息反饋給主人。另外，會結(jié)合每個人的身體素質(zhì)和喜好，在主人或客人進行一定的工作之后，完成一些操作，比如調(diào)節(jié)溫濕度、自動開關(guān)燈等。同時，也可以進行語音交互，或是結(jié)合機器人來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8.2.3智能家居中廣泛使用的無線通信技術(shù)-ZigBee1.ZigBee簡介ZigBee是一種標準，該標準定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議，基于ZigBee的無線網(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2.ZigBee的特點（1）高可靠性無線通信中，障礙物、天氣等都是構(gòu)成電磁波傳輸不可靠的因素。同時，無線控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時也會存在數(shù)據(jù)沖突、數(shù)據(jù)錯誤等不可靠性因素。考慮到這些因素，ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范的時候，利用短距離無線通信協(xié)議IEEE802.11.5以及OQPSK和DSSS技術(shù)來提高物理層兼容性。同時使用CSMA-CA技術(shù)以及16-bitsCRC來解決數(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（2）成本低、功耗低TI公司推出了一款SoC芯片CC2530來實現(xiàn)ZigBee無線傳輸，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。其中協(xié)調(diào)器的作用是負責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，路由器的作用是負責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的路由，終端節(jié)點則是負責(zé)無線網(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)點可以定時休眠，因此，終端節(jié)點是對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（3）高安全性高安全性的體現(xiàn)是因為可以使用AES-128加密技術(shù)來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。?）延遲短無論是通信、搜索設(shè)備還是從睡眠狀態(tài)下激活，延時時間都很短。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

3.ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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無線網(wǎng)絡(luò)中，不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲對應(yīng)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)計其中，星型結(jié)構(gòu)是最簡單的一種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，它由一個Co-ordinator（協(xié)調(diào)器）和若干個EndDevice（終端節(jié)點）組成。每一個終端節(jié)點都只能和協(xié)調(diào)器連接，如果兩個終端節(jié)點需要通信，也只能通過協(xié)調(diào)器來進行數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)包含有一個Co-ordinator（協(xié)調(diào)器）和若干個Router路由）以及若干個EndDevice（終端節(jié)點）。通常在支持網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會提供相應(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)層來實現(xiàn)的，應(yīng)用層并不需要進行任何的參與。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，采用分層的思想實現(xiàn)，分為物理層、介質(zhì)訪問控制層、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)層主要是對網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)提供支持，如在全國范圍發(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節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點，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，綁定表也是存儲在應(yīng)用程序支持子層。ZigBee對象ZDO是運行在端口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ZigBee協(xié)議棧就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(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，上層實現(xiàn)的功能對下層來說是不知道的，上層可以調(diào)用下層提供的函數(shù)來實現(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)級協(xié)議棧軟件，通過對這個協(xié)議棧軟件的使用，用戶可以很容易地開發(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

任務(wù)實施一、任務(wù)分析張智要設(shè)計一個智能家居系統(tǒng)，首先要根據(jù)需求進行系統(tǒng)總體設(shè)計，然后進行硬件設(shè)計與制作，再進行軟件設(shè)計和編程，最后進行系統(tǒng)安裝調(diào)試。二、實施過程1.系統(tǒng)總體設(shè)計（1）總體設(shè)計本文設(shè)計的系統(tǒng)主要由STM32主控制器、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)關(guān)、遠程服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、各類智能終端、上位機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)計任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計圖8-13系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖圖8-13是系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可通過4G網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。用戶可以通過上位機或直接語音交互的方式向STM32主控制器發(fā)送指令，STM32主控制器接收用戶命令后，通過串口把要操作的節(jié)點和命令發(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)點還是操作當(dāng)前節(jié)點，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對應(yīng)的節(jié)點，節(jié)點接收消息并解析消息，從而來隨時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)庫是放在遠程服務(wù)器上的，通過電腦可以隨時調(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（2）系統(tǒng)功能設(shè)計智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括室內(nèi)環(huán)境檢測、安防監(jiān)測、家居設(shè)備狀態(tài)控制3個主要模塊。室內(nèi)環(huán)境檢測單元包括：室內(nèi)溫度、濕度檢測、污染物的氣體濃度檢測、光照強度檢測和當(dāng)前天氣狀況檢測。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)計安防監(jiān)測單元包括：紅外熱釋電監(jiān)測、指紋驗證和自動報警。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，并且通過紅外熱釋電監(jiān)測是否有人靠近門口，當(dāng)有人靠近時則要求驗證指紋。若指紋驗證失敗，則進行蜂鳴器報警以保證安全。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。用戶可以通過語音控制或上位機控制，進行家居基礎(chǔ)設(shè)備有關(guān)命令的下達，中央處理器在接收到命令后，通過ZigBee模塊將有關(guān)信息傳遞給智能終端，實現(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2.系統(tǒng)硬件設(shè)計（1）主微處理器設(shè)計本系統(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，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz；片上集成256-512KB的Flash存儲器，高達的64K的SRAM存儲器；多達9個通信接口，其中2個I2C接口，3個USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制），2個SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主動），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)計多達3個同步的16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道，達140個具有中斷功能的I/O端口。與其他單片機相比擁有性能高、成本低、功耗低等特點，可滿足系統(tǒng)要求。圖8-14是這個芯片在本系統(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（2）4G通信模塊SIM7600CE本系統(tǒng)的SIM7600CE是一款支持移動、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。利用該模塊可以使遠程控制端與家庭中網(wǎng)絡(luò)相互連接，主體控制器和遠程控制終端能夠相互通信，發(fā)送控制指令，實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（3）無線傳輸ZigBee模塊ZigBee技術(shù)是一種非常優(yōu)秀的雙向互通無線通訊技術(shù)，其技術(shù)方案是介于藍牙技術(shù)和無線標記技術(shù)之間，它廣泛應(yīng)用于簡單、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，以及成本較低的優(yōu)勢。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計（4）智能語音模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用的SYN7318語音模塊是由一款龍邱科技公司最新推出的語音控制芯片。SYN7318中文語音交互模塊集成了語音識別、語音合成和語音喚醒功能模塊、是通過UART接口通訊方式接收命令幀。語音識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，用戶可以通過語音喚醒功能實現(xiàn)語音識別通過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，實現(xiàn)智能家居的語音控制。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計（5）室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計該部分設(shè)計的功能用于監(jiān)測家居室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度等，通過采集的各類信息進行分析處理，當(dāng)室內(nèi)濕度太低時，加濕器會自動打開以增加濕度；當(dāng)室內(nèi)亮度不足或者過亮?xí)r，可變亮度燈和遮光窗簾會自動調(diào)整，以保持室內(nèi)光強恒定；濕度傳感器采用DHT11，它是一款有已校準數(shù)字信號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

光傳感器采用GY-30,GY-30采用ROHM-BH1750FVI芯片，基于標準NXPIIC通信協(xié)議，可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定，供電范圍3.3V-5V，光照范圍0-65535lx。具體的電路模塊設(shè)計策略為：GY-30的2腳連接ZigBee的IIC總線時鐘引腳,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（6）消防報警設(shè)計該部分設(shè)計的功能用于實時監(jiān)測家居室內(nèi)的煙霧濃度，根據(jù)預(yù)設(shè)好的閾值進行報警提示或靜默運行，以提升用戶室內(nèi)煙霧濃度是否超標，以此作為消防報警系統(tǒng)是否運行的參照。選擇MQ-2煙霧及可燃氣體傳感模塊，該傳感器共4個引腳，其中2個用于檢測信號的傳輸，2個用于電源和地線的連接，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)對煙霧、液化氣、酒精揮發(fā)氣體的檢測。具體的電路設(shè)計策略如圖所示。任務(wù)8.2基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計（7）系統(tǒng)電源管理設(shè)計為了增加系統(tǒng)的可靠性和安全性，在城市電網(wǎng)供電的基礎(chǔ)上增加電池供電來降低系統(tǒng)因市電斷電造成的故障。當(dāng)外部電源斷開時，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，繼電器內(nèi)部關(guān)閉，電池和系統(tǒng)電源之間斷開，外部電源對系統(tǒng)供電。圖8-18