夏冰清

摘 要：針對室內(nèi)地面環(huán)境的智能清潔監(jiān)控，研究設(shè)計一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)移動清潔監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計主要分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)、掃地機器人和手機APP三部分，終端節(jié)點的各類傳感器收集室內(nèi)地面的環(huán)境信息，將收集的信息參數(shù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手機客戶端，以及時反映家庭地面的實際情況，從而通知用戶根據(jù)需要及時采取清潔措施。

關(guān)鍵詞：ZigBee;智能清潔;掃地機器人;手機APP;傳感器;網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP39文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

隨著當(dāng)前信息化進程的不斷發(fā)展，智能化產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于居家生活中。如今，無線網(wǎng)絡(luò)和智能家電取得了飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠被有效運用到智能家居領(lǐng)域。智能家居產(chǎn)品將計算機網(wǎng)絡(luò)、自動化系統(tǒng)和通信技術(shù)合為一體，將家庭裝置通過智慧家居系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化管理。人們通過寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。考慮到現(xiàn)代社會人們工作繁忙，本文提出了解放人力的室內(nèi)移動清潔監(jiān)控系統(tǒng)，針對各類傳感器收集的環(huán)境信息來監(jiān)控清潔過程中的實時情況并反饋給ZigBee處理器，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將分別檢測不同內(nèi)容的傳感器聯(lián)結(jié)在一起用以感知當(dāng)前的位置和任務(wù)狀態(tài)，通過手機APP進行信息的查詢、接收和控制，智能解決生活問題[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)選擇簇-樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要包括終端節(jié)點（各種類型的傳感器）、智能設(shè)備、協(xié)調(diào)器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)和用戶終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)總體流程由信息采集、信息整合、任務(wù)執(zhí)行三部分組成。其中，信息采集模塊包括紅外循跡模塊、超聲波傳感模塊、MPU-6050模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊等。傳感器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，通過協(xié)調(diào)器處理后反饋到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1.2 執(zhí)行控制系統(tǒng)

執(zhí)行控制系統(tǒng)由步進電機、L298N電機驅(qū)動、微處理器和車輪等控制設(shè)備組成。通過數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)做出系統(tǒng)分析后將判斷結(jié)果發(fā)送到手機客戶端，進行相應(yīng)模塊的控制操作。L298N電機用于驅(qū)動步進電機，以控制車輪行走。微處理器采用PWM控制方式。各項模塊搭載在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，可以將控制指令及時、準(zhǔn)確地傳送到具體器件上，實現(xiàn)室內(nèi)地面的實時監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

由于系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)特點，系統(tǒng)硬件設(shè)計主要內(nèi)容包括協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計以及終端節(jié)點的設(shè)計。協(xié)調(diào)器節(jié)點在設(shè)計時要考慮終端節(jié)點如何利用通信技術(shù)給管理平臺傳送信息;終端節(jié)點設(shè)計時需要考慮傳感器對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

本設(shè)計的核心處理器采用CC2530芯片。CC2530 結(jié)合了技術(shù)領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)擁有可編程閃存與8 KB RAM，以及其他強大功能。CC2530 有四種不同的閃存版本，即CC2530F32/64/128/256，分別具有32 KB/64 KB/128 KB/

256 KB閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間較短，進一步確保系統(tǒng)可滿足低能源消耗要求，故選取該芯片作為ZigBee系統(tǒng)的微處理器模塊較為穩(wěn)定可靠。

2.2 終端節(jié)點設(shè)計

終端節(jié)點的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足對各模塊進行管理的要求，對采集的數(shù)據(jù)進行分析、傳輸與處理，運用射頻天線進行指令的發(fā)送、接收等。終端節(jié)點整體結(jié)構(gòu)主要包括CC2530模塊、傳感器、電源等。

2.3 傳感器選擇

傳感器包括MPU-6050傳感器、溫濕度傳感器、紅外線傳感器等。

MPU-6050為整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時間軸之差的問題，減少了大量的封裝空間。通過集成三軸陀螺儀、三軸加速度計、數(shù)字運動處理器等精密儀器實現(xiàn)對物體的精密跟蹤和速度控制，還可以根據(jù)客戶的不同需求來實現(xiàn)大小調(diào)節(jié)，方便易操作。

溫濕度傳感器是把空氣中的溫濕度通過一定的檢測裝置測量后，按一定的規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，用以滿足用戶需求。在本設(shè)計中，利用溫濕度傳感器采集外界環(huán)境信息，使用蜂鳴器實現(xiàn)預(yù)告與報警。在該系統(tǒng)上裝設(shè)有溫濕度傳感器，可檢測環(huán)境中的溫度與濕度，當(dāng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)超過原先設(shè)定的初始值時，蜂鳴器發(fā)出警報。本設(shè)計選用 DHT11作為終端傳感器節(jié)點，該傳感器具有精度高、體積小、成本低、穩(wěn)定性好、安全可靠等優(yōu)點，同時外圍電路簡單，適合本設(shè)計電路。

在本設(shè)計中，由于軌跡彎曲角度不同，為了使小車能夠更加精確高效地隨黑線轉(zhuǎn)彎，在小車前部左右各裝有紅外循跡模塊，不同的物理表面顏色下紅外線反射的差異特性是實現(xiàn)紅外線探測的關(guān)鍵。在小車行駛過程中不斷向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到信號。小車將根據(jù)接收到的信號產(chǎn)生的邏輯值自動做出相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)循跡功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計

接通電源，終端節(jié)點初始化，搜尋節(jié)點所在位置是否有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如果沒有就需要進行網(wǎng)絡(luò)搜索。在終端進行搜索時協(xié)調(diào)器也會檢測其覆蓋范圍，兩者只要有一種成功就可以發(fā)送請求。找到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送請求，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點通過終端的入網(wǎng)請求，則入網(wǎng)操作成功。成功后，終端進入循環(huán)模式，等待定時中斷是否喚醒，讀取傳感器數(shù)據(jù)后發(fā)送至協(xié)調(diào)器，然后進入休眠模式等待下一次喚醒。如果協(xié)調(diào)器有指令發(fā)出，終端節(jié)點便執(zhí)行指令，否則繼續(xù)休眠。工作流程如圖2所示。

3.2 手機APP應(yīng)用程序設(shè)計

根據(jù)智能家居在環(huán)境監(jiān)控中的實際應(yīng)用需求，本設(shè)計中手機APP的開發(fā)平臺采用Android Studio。手機APP的工作狀態(tài)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、邏輯判斷共三種。ZigBee模塊啟動時開始采集數(shù)據(jù)，傳感器模塊進行數(shù)據(jù)分析，待邏輯判斷結(jié)束后進行具體處理，如果判斷出現(xiàn)異常，手機APP將發(fā)出消息，方便用戶及時了解。

3.3 系統(tǒng)測試

本測試主要針對機器人的清掃性能。在測試過程中，機器人對于規(guī)避障礙物的能力極強，可較好地行走，適合家庭環(huán)境。由測試數(shù)據(jù)可知，該機器人的清掃速度和一次裝水后可以拖地的面積完全滿足日常使用。當(dāng)傳感器采集到地面濕度信息處于正常值時，手機APP上顯示當(dāng)前濕度，此時處于正常狀態(tài)，顯示界面如圖3所示。

當(dāng)傳感器檢測到濕度超過正常值時，便處于異常狀態(tài)，手機APP上顯示當(dāng)前濕度，但機器人不受影響可以正常工作，顯示界面如圖4所示。

當(dāng)?shù)孛娲嬖诖罅糠e水時，傳感器采集信息，若判斷為地面存在無法清理的積水時，上機位發(fā)送指令讓機器人停止工作，并向手機APP發(fā)送積水警報。

4 結(jié) 語

本文針對日常家居環(huán)境，設(shè)計了一種智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的智能產(chǎn)品上進行升級改造，利用ZigBee技術(shù)、STM32技術(shù)等，結(jié)合手機APP客戶端將家庭實時環(huán)境情況傳達(dá)給用戶。本設(shè)計網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、性能穩(wěn)定、性價比高、可靠性與實時性強。相比傳統(tǒng)的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)更加靈活，同時基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特殊性，本系統(tǒng)后期升級改造較方便。

參 考 文 獻

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