《传感器与检测技术》课件 项目8 现代智能式传感器及应用

项目8现代智能式传感器及应用任务8.1便携式智能酒精测试仪设计

任务8.2基于ZigBee的智能家居控制

系统设计任务8.1便携式智能酒精测试仪设计◎知识目标1.了解智能传感器的概念。2.熟悉智能传感器的结构。3.掌握智能传感器的工作原理。◎能力目标1.能正确选用智能传感器。2.学会智能传感器典型电路的设计、分析、制作及调试方法。3.掌握一定的程序设计和编程技能。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计◎素质目标1.提高分析问题、解决问题的能力和沟通的能力。2.树立勇于奉献、开拓创新的精神。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计

任务导入张智听说邻居陈叔叔酒后驾驶出了车祸，所幸没有造成严重伤害。庆幸之余，张智不由想到，如果每辆车的驾驶座上有一个智能仪器可以测试出驾驶人的呼气酒精浓度，当发现酒驾就发出警报或者锁定汽车，这样就可以减少此类事故的发生，为安全驾驶提供保障。因此张智决定结合高性能单片机的特点，设计一种智能型的酒精测试仪，能够适应不同应用场合，对酒驾行为进行提前预防，保障驾驶人的生命安全。那么设计一款智能酒精测试仪，需要什么样的芯片作为智能核心呢？任务8.1便携式智能酒精测试仪设计

相关知识8.1.1引言传感器作为现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一。随着新一轮工业革命的兴起，传感器产业市场前景不可估量。同时受可穿戴、智能制造技术发展加快和全球经济复苏等因素影响，市场需求可能出现更大幅度增长。根据前瞻产业研究院发布的《中国传感器制造行业发展前景与投资预测分析报告》，到2017年全球传感器行业市场规模增长至1955亿美元，同比增长12.29%，2018年全球传感器行业市场规模突破2000亿美元，2024年将突破3000亿元。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计与巨大的市场需求相比，现阶段我国市场主要应用的传感器绝大部分仍然依赖进口，主流市场产品依赖国外配套的情况尤为突出。与国外相比，我国企业在产品品质、工艺水平、生产装备、企业规模、市场占有率和综合竞争能力等方面仍不能与国外同类企业抗衡。同国际先进水平相比，新品研制仍落后5~10年，而产业化规模生产技术工艺则落后10~15年。同时常规传感器存在以下问题：1.能够被准确标定是所有传感器必备的优良特性，但是传感器一旦被实际使用，往往就很难甚至不能再对其进行手工标定。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计2.传感器性能会随时间发生变化，产生漂移现象。如果没有采用某种方式来补偿漂移，传感器的性能就会随时间而发生变化，从而引失去使用价值。3.容易受到工作环境的影响。4.通用性较差。常规的传感器需要信号调理电路将被测的物理量转化为其他系统可用的量，这种电路往往专用或者是唯一的，通用性较差。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计5.物理空间的限制。一般来说，传感器距离监控系统越远，检查信号的质量越差。因此常规传感器通常需要在物理空间上靠近接收检测信号的监控系统，这就限制了它的使用空间。6.其他限制。（1）结构尺寸大，故时间（频率）响应特性差；（2）输入输出特性存在非线性；（3）信噪比低，容易受干扰；（4）存在交叉灵敏度，选择性、分辨率不高。7.相对于计算机性能突飞猛进的发展，以及价格的大幅下降，常规传感器的性能和价格很长时间以来都变化不大，因此性价比不高。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计随着技术的发展，产业的升级，研发新型传感器迫在眉睫，智能式传感器应运而生。随着《中国制造2025》的提出，智能制造正处于跨界融合、加速创新发展的历史阶段，呈现出万物互联、万物智能的新特征。通过各类智能式传感器及其各种设备载体，源源不断地实现人、机、物、云端的无缝交互，从而让设备、终端拥有“智能”，使人的感知、处理信息的能力得到极大拓展和延伸。作为感知信息的重要途径，智能式传感器正呈现爆发式增长态势，已成为决定未来智能制造发展的核心与基础之一。同时，物联网、云计算、大数据、人工智能应用的兴起，推动传感技术由单点突破向系统化、体系化的转变，大平台、大生态主导核心技术走向态势明显，并成为发达国家及跨国企业布局的战略高地。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计8.1.2智能式传感器的概念与形式1.传感器的概念智能式传感器一词是从国外首先提出，英国人将智能式传感器称为“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能式传感器称作“SmartSensor”。所谓智能式传感器就是一种以微处理器为核心单元的，具有检测、判断和信息处理等功能的传感器。根据《智能传感器第三部分：术语》(GB/T33905.3-2017)中的定义：智能传感器（IntelligentSensor）是具有与外部系统双向通信手段，用于发送测量、状态信息、接受和处理外部命令的传感器。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计2.智能式传感器的形式智能式传感器包括传感器的智能化和智能传感器两种主要形式：传感器的智能化是采用微处理器或微型计算机系统来扩展和提高传统传感器的功能，传感器与微处理器可为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经放大调理和转换后由接口送人微处理器进行处理。智能传感器是借助于半导体技术将传感器部分与信号放大调理电路、接口电路和微处理器等制作在同一块芯片上，即形成大规模集成电路的智能传感器。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计8.1.3智能式传感器的构成智能式传感器一般由传感器部分、嵌入式系统部分、通信部分、供电部分组成，如图8-1所示。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计1 .传感器部分传感器部分包含了传感器及其数据转换功能。传感器是指利用一些效应如物理效应、化学效应、生物效应等，能感受特定的物理量，按照一定的规律转换成符合需要的输出量的器件。传感器可以是传统的传感器如压电晶体、电磁、应变等传感器，更多的是MEMS传感器。目前在低端应用中，MEMS传感器已可完全替代传统传感器;在高端应用中，MEMS传感器还有一些差距。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计M EMS传感器即微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米级的特征尺寸使其可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。MEMS传感器的分类如图8-2所示。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计MEMS传感器物理传感器包括温度传感器、湿度传感器、加速度传感器、角速度传感器、倾角传感器、陀螺仪、惯性、微压力、微流量等化学传感器包括气体成分、液体成分等图像传感器包括图像、红外热成像、人体感应等声音传感器接受各类声音，包括超声波的传感器生物传感器包括指纹传感器、虹膜传感器、心率传感器、血氧传感器、血压传感器等任务8.1便携式智能酒精测试仪设计把传感器获得的模拟信号转换成数字信号，是传感器中的关键一环，它决定了传感器的分辨率、频率响应等关键参数。在MEMS传感器中，转换电路一般是与传感器一起集成在一个芯片之中，可以与传感器做到良好的匹配。采用传统传感器时一般需要单独进行信号的放大、滤波及A/D转换，这个环节就决定了传感器的量程、频响、分辨率及精度等关键指标。因此，良好的匹配是智能式传感器设计的关键。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计2.嵌入式系统嵌入式系统(Embed-dedsystem)通常是指综合了计算机软硬件、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术并执行带有特定要求的任务，为特定应用而设计的一种专用计算机系统。完成智能式传感器的数据采集控制、数据处理、分析、预警、数据存储、数据通信、自诊断、自学习、自适应等功能，是智能式传感器的大脑。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计嵌入式系统硬件根据传感器成本、体积、功能、功耗进行设计，一般采用低(微)功耗微处理器等芯片，在尺寸、成本、形状等有很大的创新空间，可执行有特定要求的任务，达到系统任务要求，可以做到体积小、成本低、符合特定的功能要求。根据传感器的功能要求，软件系统有的较为简单，不带有操作系统，但大部分都带有嵌入式操作系统。嵌入式操作系统(Embedded-OperatingSystem)是指用于嵌入式系统的操作系统。通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度、控制、协调并发任务。能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计目前在嵌入式领域广泛使用的操作系统有:嵌入式实时操作系统μC/OS-II、嵌入式Linux、Windows-Embedded、VxWorks等。应用软件是为完成传感器的特有功能而专门设计的软件，是每一种智能式传感器的专有功能，体现了用户端的核心需求。传感器的智能化程度及适用化程度就是由应用软件的功能确定的。而这部分功能是与特定的应用要求紧密相关的，因此应用需求也是其核心技术。但是在设计应用需求时，要把握好通用性与专用性之间的关系:通用性好的由于使用量大，因此每个传感器分担的研发费用低，因此价格会较低;而专用性高的传感器由于使用量较少，因此成本会较高。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计3 .通信部分智能式传感器要接受外部监测要求，并将获取的数据传输到外部，必然需要进行通信。通信分有线通信和无线通信两种，其中，无线传感器网络技术兼具低功耗、低成本、多功能的优点，已经成为当代热门前沿技术。无线通信的种类较多，这里介绍最常用的无线通信协议。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（1）无线局域网通信，由众多功能相同或者不同的传感器节点组成，并把它们科学地分布于被监测区域，各节点间自组织形成无线网络(一般多采用ZigBee协议)，采用多条链路进行数据传送，最终把各类属性测量数据(如温度、湿度、烟雾浓度、物体移动等)汇聚后经网关与外网连接。其常用的协议主要有:①ZigBee，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色为低速、低电耗、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计②Z-Wave，是基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908．42MHz(美国)、868．42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式。信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄宽带应用场合。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（2）基于低功耗广域网的通信，是采用一个基站对应多个传感器节点的方式进行通信，最常用的协议有:①NB-ioT，是基于现有的移动蜂窝网络使用LTE的无线技术，可减少开发全系列技术规范的时间，对于采用授权频谱的电信运营商来说，该技术可通过对现有蜂窝设备升级的方式，使运营商能够以低成本、高效率地切入新兴的物联网市场。NB-ioT具备四大能力，一是广覆盖，在同样的频段下，NB-ioT比现有的网络增益提高20dB，覆盖面积扩大100倍;二是具备支撑海量连接的能力，NB-ioT一个扇区能够支持10万个连接;三是更低功耗，NB-ioT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计①NB-ioT，是基于现有的移动蜂窝网络使用LTE的无线技术，可减少开发全系列技术规范的时间，对于采用授权频谱的电信运营商来说，该技术可通过对现有蜂窝设备升级的方式，使运营商能够以低成本、高效率地切入新兴的物联网市场。NB-ioT具备四大能力，一是广覆盖，在同样的频段下，NB-ioT比现有的网络增益提高20dB，覆盖面积扩大100倍;二是具备支撑海量连接的能力，NB-ioT一个扇区能够支持10万个连接;三是更低功耗，NB-ioT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计4.供电系统供电是驱动智能式传感器工作的动力，只有少数特别设计的无源传感器例外。对于无线智能式传感器，一般为电池供电，为了保证传感器能够在不更换电池的情况下长期稳定工作(一般要求为2～10年)，电池的体积及质量往往占传感器整体的一半以上，因此，有必要降低待机功耗，提高电源转化效率等。在一些特殊场合，有传感器设计成无线供电，通过外部电源实现无线供电;也有设计成自发电的传感器，如用振动、太阳能、温差、风能、电磁感应、压力变化等进行能源转换提供电能。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计

任务实施一、任务分析张智要设置一个智能型的酒精测试仪，首先要进行系统总体设计，然后用进行硬件设计和制作，再进行软件设计，最后进行系统调试。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计二、实施过程1系统总体设计（1）功能设计本设计基于STC12C5A60S2微处理器，用于检测气体中的酒精浓度，可使用在一些对环境酒精气体浓度要求严格的生产车间，本设计可以及时检测车间内的气体酒精浓度。当气体酒精浓度高于设定阈值时，发出告警提示，提醒车间管理者及时通风换气，以便于安全生产。除此之外，还可用于酒驾测试，用来测试当前呼气酒精浓度，是否高于酒驾浓度阈值，以此来时刻提醒驾驶员请勿酒后驾驶。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计为了提高测量数据精度，需要高精度的酒精传感器，本设计中采用了MQ-3型酒精传感器，将酒精气体浓度值转换成0～5V的模拟电压输出，再将模拟电压值传送到微处理内部自带的高精度10位A/D转换模块中去，得到一组10位二进制数据存放在单片机内部寄存器中，再通过单片机数据处理和控制部件，将相应结果显示在液晶显示屏中。为了便于使用，采用通用USB接口充电器，大容量锂电池，提供稳定可靠的电源支持。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（2）系统结构设计系统结构框图如图8-3所示，包含MQ-3乙醇气体检测模块、液晶显示模块、键盘模块、锂电池充放电模块、报警模块、单片机模块等。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（3）外观工艺设计测试仪的定位是日常使用便携式测试器，主要特点是使用方便，容易携带，安全卫生，重复使用操作简便等特点。根据以上特点对测试仪外观工艺做要求：重量要轻；三维尺寸要小，适合手持要求；气嘴由于经常使用，可以采用价格适中的一次性气嘴设计，符合市面上通用气嘴标准；充电设备兼容手机等电子产品充电设备规范，采用迷你USB接口；显示屏幕不能太大，为了缩小整体尺寸，显示测试数据和相关报警信息等。测试仪外观满足人体工程学相关要求，外观采用流线型设计。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计2.硬件设计（1）主处理器模块在这次设计中采用了STC12C5A60S2微处理器，该处理器属于增强型51单片机，是单时钟/机器周期(1T)单片机。普通51单片机的机器周期是振荡频率进行12分频后得到的，而该单片机机器周期相等于振荡周期，这样在相同振荡频率下，该单片机指令执行速度至少比普通单片机快12倍，适合用于响应及时的场合，随着单片机技术的发展，该单片机价格已经接近普通51单片机价格。它内部集成1280字节RAM和64KROM空间，适合运行大型单片机程序，给程序员提供方便。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计内部还集成了8路10位高精度高速A/D转换器，指令代码完全兼容传统51单片机，本设计正是利用单片机内部高精度A/D转换器，在不影响测试精度的条件下，方便控制测试仪的整体尺寸，节约成本。（2）MQ-3传感器模块MQ-3酒精传感器采用半导体二氧化锡（2SnO）为气敏材料，传感器的电导率随着空气中的酒精气体浓度增加而增大，具有高灵敏度、外围电路简单、成本低、稳定性好和寿命长等优点，将气体信号准确的转换为电压信号输出。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计下图是MQ-3外部结构，图中①、②、③分别是传感器的引脚排列图、引脚功能图、电路接线图。图①中的H-H是加热电极，供电电压为5V，A-A、B-B表示传感器的两个电极，图③中“V”部分是传感器的供电电压。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计传感器电压输出信号Vout和气体酒精浓度，以及环境温度密切相关，为了减小气体酒精浓度测量误差，需要在传感器测量前进行预热，一般预热时间为20秒左右。Vout电压每升高0.1V，实际被测气体的浓度增加20ppm，这里的1ppm=1mg/kg=1mg/L,常用来表示气体浓度，或者溶液浓度。MQ-3模块信号有数字电平输出和模拟信号电压输出两种模式，由于本设计需要适时显示被测量的酒精浓度，所以采用模拟电压输出模式。模拟电压输出范围0～5V，浓度越高输出电压值越高。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（3）液晶模块为了让产品便于携带，考虑到待机时长问题，本设计采用成熟的1602液晶作为显示单元。1602液晶体积小，能固定显示两行各16个字符，采用移位显示模式还可以显示两行各32个字符，本项目第一行显示“Alcohol：”，第二行显示“xxxmg/100ml”。如果将第一阈值设置为20mg/100ml，第二阈值设置为80mg/100ml，那么测试值大于等于20mg/100ml，小于80mg/100ml，第二行显示数值会以1Hz频率闪烁，并开启蜂鸣器和报警灯以相同频率报警；如果数值大于等于80mg/100ml，则数值以10Hz的频率快速闪烁，并开启蜂鸣器和报警灯以相同频率报警。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（4）键盘模块设计键盘模块主要作用是可以设置阀门值，根据不同场合对酒精浓度的要求进行修改，扩大了本设计的应用范围。一个按键定义为数值加，每按一次数值增加1mg/100ml；另一个为数值减，每按一次数值减少1mg/100ml；第三个按键为数值清零，讲预设的阀门值清零；第四个按键为设置键，用于设置数据确认键。本系统所需按键较少，采用独立式按键电路连接方式。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（5）锂电池充放电模块设计锂电池充电、放电模块采用TP5410来解决，TP5410是一款专为移动电源锂电池充电和升压至恒定5V的电源管理芯片，它可以进行高精度的电压充电和精确调节充电电流，还具有预充、充电状态指示和充电截止等功能。R6是充电电流调节电阻，将它设为680Ω，最大充电电流可以到1A，充、放电电路如图8-5所示。本系统耗电部分主要集中在MQ-3传感器检测和蜂鸣器报警期间，最大供电电流不大，实际最大工作电流不足300mA，输出电压在+5V±0.1V。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计图8-5锂电池充、放电电路图任务8.1便携式智能酒精测试仪设计3.系统软件设计总体程序流程图如图8-6所示。系统初始化包括液晶屏初始化、A/D初始化、数据初始化。设定判断阈值主要是根据环境需要设定极限值，系统允许设定三个不同阈值，如果是测试酒驾、醉驾，则设定第一个阈值为20mg/100ml，第二个阈值为80mg/100ml，第三个阈值可以不用设置，系统默认不启用。系统也可以用在其他需要测试酒精浓度的场合，比如食品加工车间、酿酒车间等。声光报警是由一只红色LED和蜂鸣器组成，通过报警声音频率和LED闪烁频率来确定超出规定阈值酒精浓度的高低，绿色LED表示浓度值正常。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计在酒精浓度测量过程中，连续多次测量值都会有不同，为了让测量值更加稳定和精确，这里采用多次测量取平均值的办法，系统每隔10ms测量一次数据，将测量到的五次数据做平均处理。传感器在测量不同浓度酒精溶液时，测试浓度值与电压值之间是非线性关系，为了使处理数据方便，系统将电压值区间分为六段，分别做线性处理，具体映射方式如表8-4所示。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计任务8.1便携式智能酒精测试仪设计电压值（单位：V）浓度C与V转换关系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电压值-酒精浓度映射关系任务8.1便携式智能酒精测试仪设计4.系统测试由于考虑到便携性特点，电路板尽量设计为长方形，液晶屏罩在单片机上，吹嘴通过软管接到传感器上，让气体都能喷到传感器感应头上，然后做以下4组测试：（1）配置酒精浓度为10mg/100ml的气体通过吹嘴，观察系统显示浓度，计算最大的误差；（2）配置酒精浓度为22mg/100ml的气体通过吹嘴，观察系统显示浓度，计算最大的误差；任务8.1便携式智能酒精测试仪设计（3）配置酒精浓度为48mg/100ml的气体通过吹嘴，观察系统显示浓度，计算最大的误差；（4）配置酒精浓度为112mg/100ml的气体通过吹嘴，观察系统显示浓度，计算最大的误差。最后通过以上4组测试数据，进行分析比对，了解浓度高低对测量误差的影响；了解整体是否符合系统的应用要求；了解由于溶液中酒精挥发，对酒精浓度影响。任务8.1便携式智能酒精测试仪设计

任务8.2基于ZigBee的智能家居控制

系统设计任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计◎知识目标1.了解智能家居的研究现状和发展趋势。2.了解ZigBee的技术。3.掌握ZigBee技术在智能家居中的应用。◎能力目标1.能设计智能家居方案。2.能够对智能家居系统进行设计、安装与调试。3.掌握一定的程序设计和编程技能。◎素质目标1.养成健全的人格。2.增强创新精神及团队协作精神。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计

任务导入冬天的晚上，张智躺在床上准备睡觉，却发现客厅的灯和电视还开着，无奈离开温暖的被窝，跑去关了灯和电视。这个过程实在太痛苦，于是他萌生了一个利用自己的专业技能设计一套智能家居系统的想法。智能家居都有些什么功能呢？要设计一个智能家居系统需要掌握哪些核心技能呢？任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计

相关知识8.2.1智能家居的研究现状1.国外智能家居发展与现状1984年，在美国哈特福特市有一栋比较陈旧的大楼被拿来作为智能家居的实验地，研究人员对整个房子做了二次建设，对大楼里面的电器设备包括空调、照明、安防设备等进行统一的检测与控制，为办公用户提供文字影音等信息服务功能，由此诞生了最早的智能家居系统。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计经过了一定时间的发展之后，各种不同的智能家居系统解决方案也相继被一些国际性知名企业提出，如Google（谷歌）、IBM（国际商业机器公司）、SUMSUNG（三星）、Apple（苹果）、Honeywell（霍尼韦尔）、LEGRAND（罗格朗）、Intel（英特尔）、Simons（西门子）等公司。LEGRAND公司的BTicino以集成化家电自动控制体系提供给用户舒适、健康、安全、经济的智能家居管理方案；德国Simons公司的SyncoIC云平台能够实现远程供暖、远程抄表、远程监控等功能。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计根据最新调查数据显示，全球智能家居市场主要由美国、日本、英国、德国等发达国家主导，其中，美国的智能家居市场收入远远超过其他国家，如图8-9所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计2.国内智能家居发展与现状相较于美国、日本、英国、韩国这些发达国家，国内的智能家居起步就比较晚。相关的智能家居产品在二十世纪末才开始陆陆续续从国外引进到国内。虽然国内智能家居的起步比较晚，但是国内的发展环境和其他国家相比又有比较大的优势。对于智能家居产业化，政府以及有关部门都大力支持，加上国内优越市场环境的引导，国内的智能家居发展步伐是非常快的。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计2009年，海尔集团在国内较早推出了U-home智能家居系统。并于2018年发布了行业首个全场景定制化智能家居系统，用户可以在厨房、卧室等家居空间内，实现对空气、用水、洗护等全屋环境设置，还可以根据自己的需求实现定制化生活服务。2012年，国家在“十二五”计划中将智能家居作为发展战略，政府制定出多项政策来加速智能家居的成长。此时，我国智能家居发展已经进入了融合演变期，出现了一些比较完整的智能家居产品，逐渐走向了系统化。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计2014年，长虹公司推出了CHiQ电视，能够通过手机对电视进行播放、缓存、回放等操作。2018年，长虹公司在中国家电及消费电子博览会（AWE）上推出了CHiQLife智能家居系统，该系统结合语音交互技术及人工智能技术，在娱乐、空气、用水等场景中，摆脱了传统控制方式的束缚，实现了更智能化的控制，给用户带来了更加舒适的生活体验。2015年，华为公司宣布进入智能家居市场。并于2018年，华为公司发布了智能家居领域的“百亿计划”，利用华为技术、品牌等能力来促进智能家居生态发展。目前，国内一些大型公司，例如小米、百度、360、腾讯、京东、美的也都推出了相应的智能家居产品。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计在20年的智能家居发展中，从一开始行业处于一个概念熟悉、产品认知的阶段，到智能家居市场营销、技术培训体系逐渐完善，再到因智能家居恶性竞争导致大批企业退出市场现象发生，最终进入如今行业的迅速腾飞阶段，我国总共经历了萌芽期、开创期、徘徊期、融合演变期四个时期。现如今，智能家居市场总产值增长趋势越发明显。2017年，我国智能家居市场规模突破3000亿人民币，到2018年，接近4000亿人民币，增长趋势明显。预计在未来的几年内智能家居行业市场规模将进一步扩大，如图8-10所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计虽然我国智能家居发展步伐很快，但是智能家居布局主要分布在一些一线城市，智能家居系统产品也多出现在一些高档住宅中，对于智能家居全民化仍有一段路要走。技术标准不统一、成本太高都是亟待解决的问题。8.2.2智能家居的发展趋势智能家居作为物联网的一个重要组成部分，已经成为了许多国家的重点研究对象。智能家居的发展，能够给人们的生活带来极大的便利。目前，智能家居系统体系并未完全建立，缺乏统一的技术标准。同时，人工智能、大数据等新兴技术都会影响智能家居的发展。未来的智能家居将会朝着以下几点发展。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计1.智能家居技术标准的统一。我国智能家居起步晚，还处于研发状态，并没有形成统一的技术标准。技术的标准统一，就可以实现各个厂家产品之间的通信，不仅可以促进智能家居的可持续性发展还便于智能家居的市场管理。2.智能家居全民化。未来的智能家居必然是朝着全民化去发展，从安全、舒适、低成本、低功耗、便捷、智能等各个方向去发展，完成一套各方面比较完善的智能家居系统。节能、绿色和可持续发展是现代智能家居必不可少的体现。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计3.智能家居与新技术的结合。当今社会，人工智能、大数据、工业互联网、5G等相关技术兴起，随着这些技术的发展变得成熟，以后的智能家居必然会与之结合，成为主流趋势。在安防方面，会添加各种智能设备，结合人脸识别等技术，一旦有陌生人进入就会将消息反馈给主人。另外，会结合每个人的身体素质和喜好，在主人或客人进行一定的工作之后，完成一些操作，比如调节温湿度、自动开关灯等。同时，也可以进行语音交互，或是结合机器人来完成一些需要的操作。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计8.2.3智能家居中广泛使用的无线通信技术-ZigBee1.ZigBee简介ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议，基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz，最大传输速率为250kbps。ZigBee主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计2.ZigBee的特点（1）高可靠性无线通信中，障碍物、天气等都是构成电磁波传输不可靠的因素。同时，无线控制系统在数据传输时也会存在数据冲突、数据错误等不可靠性因素。考虑到这些因素，ZigBee联盟在制定ZigBee规范的时候，利用短距离无线通信协议IEEE802.11.5以及OQPSK和DSSS技术来提高物理层兼容性。同时使用CSMA-CA技术以及16-bitsCRC来解决数据冲突，保证传输数据正确性；另外还采用星型网络保证数据能够演着不同的路径达到目的地址。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（2）成本低、功耗低TI公司推出了一款SoC芯片CC2530来实现ZigBee无线传输，该芯片应用了8-bitMCU，能够兼容ZigBee2007协议，并且成本较低，大概在20~35元之间。而低功耗则主要体现在终端节点上。ZigBee网络中的设备主要分为三种：协调器、路由器、终端节点。其中协调器的作用是负责无线网络的建立和维护，路由器的作用是负责无线网络的路由，终端节点则是负责无线网络数据的采集。协调器和路由器是需要一直处于供电状态，而终端节点可以定时休眠，因此，终端节点是对ZigBee低功耗的重要体现。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（3）高安全性高安全性的体现是因为可以使用AES-128加密技术来保证数据传输的安全性。（4）延迟短无论是通信、搜索设备还是从睡眠状态下激活，延时时间都很短。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计

3.ZigBee的网络拓扑结构ZigBee网络拓扑结构主要有星型网络和网型网络，如图8-11所示。在ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，对网络节点的配置也有不同的要求。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计其中，星型结构是最简单的一种网络拓扑结构，它由一个Co-ordinator（协调器）和若干个EndDevice（终端节点）组成。每一个终端节点都只能和协调器连接，如果两个终端节点需要通信，也只能通过协调器来进行数据交互。网型结构包含有一个Co-ordinator（协调器）和若干个Router路由）以及若干个EndDevice（终端节点）。通常在支持网型网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化路径。并且，这些特性都是由网络层来实现的，应用层并不需要进行任何的参与。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计4.ZigBee协议栈ZigBee协议栈是在OSI参考模型的基础上，采用分层的思想实现，分为物理层、介质访问控制层、网络层和应用层，其中应用层包含应用程序支持子层、应用程序对象和ZDO设备对象。其结构如图8-12所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计ZigBee的协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和介质访问控制层的技术规范，而ZigBee协议定义了网络层、应用程序支持子层以及应用层的技术规范。网络层主要是对网型网络提供支持，如在全国范围发送广播包，为单播数据包选择路由，确保数据包能够可靠地从一个节点发送到另一个节点，此外，网络层还具有安全性，用户可以自行选择所需要的安全策略。应用程序支持子层主要是提供了一些API函数供用户调用。此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。ZigBee对象ZDO是运行在端口0的应用程序，主要是提供了一些网络管理方面的函数。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提一些应用层API，供用户调用。在协议栈中，上层实现的功能对下层来说是不知道的，上层可以调用下层提供的函数来实现某些功能。本任务采用了ZigBee2007协议栈Z-Stack。Z-Stack是一款业界领先的商业级协议栈软件，通过对这个协议栈软件的使用，用户可以很容易地开发出具体的应用程序。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计

任务实施一、任务分析张智要设计一个智能家居系统，首先要根据需求进行系统总体设计，然后进行硬件设计与制作，再进行软件设计和编程，最后进行系统安装调试。二、实施过程1.系统总体设计（1）总体设计本文设计的系统主要由STM32主控制器、ZigBee无线传感网络、无线通信网关、远程服务器、数据库、各类智能终端、上位机等七大部分共同组成的家居设备智能化管控系统。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计图8-13系统总体设计结构图图8-13是系统总体设计结构。系统可通过4G网络、ZigBee无线传感网络实现信息的互联互通。用户可以通过上位机或直接语音交互的方式向STM32主控制器发送指令，STM32主控制器接收用户命令后，通过串口把要操作的节点和命令发送给协调器，协调器接收消息后,判断用户是切换节点还是操作当前节点，再转换成命令消息，并转发相应的消息到对应的节点，节点接收消息并解析消息，从而来随时获取家居情况控制家居相应设备状态。建立的数据库是放在远程服务器上的，通过电脑可以随时调用出家居中的设备状态及近期室内的环境信息。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（2）系统功能设计智能家居控制系统设计主要包括室内环境检测、安防监测、家居设备状态控制3个主要模块。室内环境检测单元包括：室内温度、湿度检测、污染物的气体浓度检测、光照强度检测和当前天气状况检测。ZigBee终端将这些信息联网发送到云服务器中。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计安防监测单元包括：红外热释电监测、指纹验证和自动报警。如果家里出现了异常状况(如发生火灾)，4G通信终端将会给主人拨打电话或发送短信通知。配备的指纹门禁终端能够提前录入主人指纹，并且通过红外热释电监测是否有人靠近门口，当有人靠近时则要求验证指纹。若指纹验证失败，则进行蜂鸣器报警以保证安全。家居设备状态控制单元包括：灯光亮度控制、窗帘控制、家电控制等。用户可以通过语音控制或上位机控制，进行家居基础设备有关命令的下达，中央处理器在接收到命令后，通过ZigBee模块将有关信息传递给智能终端，实现命令在智能终端上的具体体现。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计2.系统硬件设计（1）主微处理器设计本系统的硬件部分的核心微控制器采用的是意法半导体公司（ST公司）推出一款以ARMCortex-M3为内核的STM32F103ZET6芯片，其最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz；片上集成256-512KB的Flash存储器，高达的64K的SRAM存储器；多达9个通信接口，其中2个I2C接口，3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制），2个SPI接口(18M位/秒），CAN接口（2.0B主动），USB2.0全速接口；任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计多达3个同步的16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道，达140个具有中断功能的I/O端口。与其他单片机相比拥有性能高、成本低、功耗低等特点，可满足系统要求。图8-14是这个芯片在本系统硬件电路中的核心控制电路框图。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（2）4G通信模块SIM7600CE本系统的SIM7600CE是一款支持移动、联通和电信4G网络的高度集成化模块，具有性能高，成本低和功耗低等特点。利用该模块可以使远程控制端与家庭中网络相互连接，主体控制器和远程控制终端能够相互通信，发送控制指令，实际功能在操作中效果良好。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（3）无线传输ZigBee模块ZigBee技术是一种非常优秀的双向互通无线通讯技术，其技术方案是介于蓝牙技术和无线标记技术之间，它广泛应用于简单、低速、短距、少耗能、低成本的多种电气信息设备间的数据交换传递，所以ZigBee技术非常适用于智能家居系统。系统采用TI公司生产的CC2530芯片作为ZigBee模块的CPU，该芯片整合了ZigBeeRF前端、内存和基于51内核的微控制器等。CC2530是广泛应用于智能家居系统的数据传输，具有灵敏度高和干扰性强，以及成本较低的优势。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（4）智能语音模块设计本系统采用的SYN7318语音模块是由一款龙邱科技公司最新推出的语音控制芯片。SYN7318中文语音交互模块集成了语音识别、语音合成和语音唤醒功能模块、是通过UART接口通讯方式接收命令帧。语音识别控制终端是用户与该家居智能控制系统的主要交互方式，用户可以通过语音唤醒功能实现语音识别通过从云端返回的字符串，判断出用户的指令，把命令发给服务器，由服务器把命令转发给已上线的主控制器端，从而执行用户命令，实现智能家居的语音控制。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（5）室内环境监测设计该部分设计的功能用于监测家居室内的温度、湿度和光照强度等，通过采集的各类信息进行分析处理，当室内湿度太低时，加湿器会自动打开以增加湿度；当室内亮度不足或者过亮时，可变亮度灯和遮光窗帘会自动调整，以保持室内光强恒定；湿度传感器采用DHT11，它是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0~50℃。其接线如右图所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计

光传感器采用GY-30,GY-30采用ROHM-BH1750FVI芯片，基于标准NXPIIC通信协议，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，供电范围3.3V-5V，光照范围0-65535lx。具体的电路模块设计策略为：GY-30的2脚连接ZigBee的IIC总线时钟引脚,3脚连接ZigBee的IIC总线数据引脚，1脚连接3.3V-5V直流电源端,4脚接GND。其硬件接线如右图所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（6）消防报警设计该部分设计的功能用于实时监测家居室内的烟雾浓度，根据预设好的阈值进行报警提示或静默运行，以提升用户室内烟雾浓度是否超标，以此作为消防报警系统是否运行的参照。选择MQ-2烟雾及可燃气体传感模块，该传感器共4个引脚，其中2个用于检测信号的传输，2个用于电源和地线的连接，结构简单，成本低廉，能够实现对烟雾、液化气、酒精挥发气体的检测。具体的电路设计策略如图所示。任务8.2基于ZigBee的智能家居控制系统设计（7）系统电源管理设计为了增加系统的可靠性和安全性，在城市电网供电的基础上增加电池供电来降低系统因市电断电造成的故障。当外部电源断开时，继电器内部导通，由电池给外部系统供电，当外部电源接入时，继电器内部关闭，电池和系统电源之间断开，外部电源对系统供电。图8-18