基于Zigbee设计的懒人闹钟

西北民族大学电气工程学院 徐东杰 臧冠华 盘丹梅 吕 旭 王 涛

基于Zigbee设计的懒人闹钟

西北民族大学电气工程学院 徐东杰 臧冠华 盘丹梅 吕 旭 王 涛

随着“互联网+”时代的到来，生活中越来越多的物品得以实现智能化控制。放眼现在，大学生普遍使用闹钟、手机进行定时，然而，二者除经常会出现时定时不准的情况外，而且出于适应性，大家会出于想再睡一会的想法不由自主的关闭它们，导致错过许多很重要的事情。本研究针对这一痛点，以Zigbee无线传输协议作为项目设计的切入点，通过CC2530芯片与语音模块的反馈，以达到“头不离枕头铃不停”的效果，使得大学生可以更有规律的作息。

Zigbee无线传输协议；CC2530芯片；语音检测；更有规律的作息

0 引言

准确时间观念的确立直接决定当代人的计划实施情况，摆脱困意、定时起床是一个人准时执行任务的基础。目前，市场上的闹钟、手机等的定时都有自己的弊端，不具备智能属性。若给闹钟模块增添更多的智能化设计，达到使人准时起床的效果，那么这种智能化定时系统将会被大家所接受。本文在研究当代人作息习惯的基础上，结合国内外检测设备的特点，开发了一种新型的闹钟，以当下最流行的Zigbee无线传输协议作为技术研发的切入点，该系统涉及相关产品技术在学校学生、上班一族中有广泛的市场应用，且在优化设备的同时也提高了自动化程度，提高了经济竞争力。

1. 系统总体设计

1.1 系统硬件组成

设备系统一共分为2部分：数据采集部分与无线通信部分。数据采集部分主要用于压力数据的采集与语音数据的采集。无线通信部分主要用于 Zigbee数据的传输。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.2 系统工作原理

确定CC2530芯片、ISD1820、继电器和检测传感装置等电子元器件的装配，并仔细检查压力芯片相对于枕头的位置，使设计结构简单、运行可靠。当闹钟达到设定的时间之后，Zigbee协调器会检测人的头部是否还在枕头上，压力传感器返回相应的标志位到Zigbee协调器，Zigbee协调器通过天线将标志位反馈到Zigbee终端，若人的头部还在枕头上，那么闹钟将继续响动，反之，闹钟将停止响动。然而在1分钟之内，若人抵抗不住困意倒头又睡，则中断会继续触发，闹铃持续响动，直至人彻底摆脱困意为止，如此进行反复的检测，实现压力传感器、语音模块及Zigbee协议相互反馈的智能化控制。

2. 硬件的设计与实现

2.1 硬件电路设计

考虑到所采用的电子元器件必须具有高精度、低功耗和设备简单等特点，因此采用CC2530芯片实现Zigbee的传输。采用模块化的实施方案，终端采用闹钟模块、继电器模块、语音检测模块等。Zigbee节点结构图如图2所示。

图2 Zigbee节点结构图

2.2 Zigbee的节点设计

本项目两个节点采用CC2530单片机，自身支持Zigbee通讯协议，且集成了2.4GHZ IEEE 802.15.4标准射频收发器，具有出色的抗干扰能力，可编程输出功率为+4.5dBm，总体无线连接链路质量101dbm，且只需要极少数的外部原件，支持网状网系统。其具有一个拥有优良性能8051微控制器内核，32、64或128KB的系统可编程闪存，8KBRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力，且支持硬件调试，Zigbee节点原理图如图3所示。

图3 Zigbee节点原理图

2.3 数据传输模块

Zigbee协议搭载于CC2530芯片之上，作为控制端和被控对象的桥梁，他具有两个功能，一个是把Zigbee终端采集的数据返回到Zigbee协调器，一个是Zigbee协调器根据采集到的数据，对Zigbee终端进行回传，实现自动反馈控制。

2.4 感知节点的设计

无线传感器模块节点是闹铃感应系统的基本组成单元， 其任务是实现环境数据的感知采集， 处理及无线通信等， 由传感器、处理器、 无线通信模块和电源模块组成。CC2530 芯片集成了微处理器和无线通信模块， 大大简化了射频电路的设计。

2.5 闹钟模块

闹钟模块是闹铃响应系统中的基本组成单元，基本任务是达到人们设定的时间之后就开始响铃，并使语音检测模块检测到语音。硬件上采用单片机、数码管、蜂鸣器等电子元器件组成，内置了1302模块；软件上采用定时器进行设计，做到准时响铃。

2.6 压力感应模块

压力感应模块是用于预判人是否起床，闹铃的关闭与否也是取决于感应之前和感应之后的压力，因此为了测定更准确的压力变化值，需要得到更准确的压力数据。

压力感应模块由传感器、信号放大部分和模数转换部分构成。它将应变电阻值的变换转换为电压或电流的变化，这就是传感器输出的电信号。电桥电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压UO。当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或者就有电压输出。如图4所示即为全桥测量电桥图。

图4 全桥测量电桥图

图5 程序设计流程图

3. 软件设计

整个软件系统为Zigbee无线通信协议与动作控制程序的整合，动作控制程序主要是通过预定协议协调各个模块，最终使得完成动作要求，下面是具体介绍：

控制端分为两大部分，一部分是Zigbee终端的软件设计，其中包括闹钟模块的编程，即达到设定的时间之后实现响铃的指令，ZigBee终端采集到声音之后开始反馈给Zigbee协调器。另一部分是设计由CC2530芯片响应电阻式薄膜压力传感器（FSR402）所采集的电压信号，与闹钟模块的指令相反馈，即检测有压力信号就反馈标志位1，检测无压力信号就反馈标志位0。程序的设计流程图如图5所示。

4 结论

1）本设计的研究基于RFID与Zigbee cc2530建立自动的反馈系统，充分发挥了两者的优势，使得闹钟更具智能化。2）通过无线网络实现了语音信息的实时反馈，其中“人不起床铃声不止”的设计理念，帮助使用者更加有规律的控制自己的作息，经过测试，准时起床的几率达到93%以上，有助于当代人形成良好的生物钟。3）系统具有布置简单、成本低及稳定性高等特点， 具有很大的实际应用价值与商业推广价值。

[1]李文仲.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京航空航天大学出版社,2007.

[2]刘文博,王涛,刘勇.基于ZigBee的奶牛采食量自动记录仪[J].自动化与仪器仪表,2014(10).

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[4]王萌.基于ZigBee技术的智能养殖系统[J].科技前沿,2012.

[5]张晓翟,基于ZigBee的实验室温湿度集中监测系统[D].黑龙江:黑龙江大学, 2011.

图4 转换操作示意图

转换的操作流程如图4所示，可以分为如下步骤：1)使用包含Tatgetlink环境生成的a2l文件通过CANape工程自MCU中读取标定数据；2)在CDM Studio中用TL环境初始状态的a2l文件加载标定数据并以物理值形式保存； 3)在Matlab环境下运行转换脚本，将第二步中保存出的数据内的二维数组进行转置，同时将字符形式的标定量还原为数字格式；4)在CDM Studio工具中使用RTW平台初始状态的a2l文件加载转置的数据并以物理值形式保存；5)使用包含RTW平台a2l文件的CANape工程将第四步保存出来的数据刷写到MCU。

通过以上五个步骤即可实现标定数据从Tatgetlink平台向RTW平台的转换。

3 效果验证

为了检验标定数据的转换效果，在CANape工程中浏览数据刷写状态。检查工程中标定量显示的数值、信号的坐标轴、二维信号坐标轴与数据的对应关系等信息。浏览检查无明显错误后，在CDM Studio工具中对转换前后的数据进行对比，并以转换过程中保存出的数据进行参考，确保转换前后数据的一致性。本文采用某款变速器的标定数据进行转换并对比,使用CDM Studio工具的排除功能，检查到有差别的数据如图5所示。

数据出现差别的原因有以下几种：1)转置后的数据是物理值，而两平台下部分类型信号的单位定义不同，如压力、转速等。排除方法是直接对比初始状态的物理值。2)由于使用的a2l文件不同，其内部的计算方式不尽相同，读取显示出的数值尾数存在非常小的差异。排除方法是直接查看数据，数值相差非常小，在信号允许误差范围内。3)部分信号显示的单位名称略有差异，如大小写格式等，排除方法是直接查看数据。

图5 差异数据汇总

考虑这三种原因，并使用相应的排除方法排除软件检测到不同的信号，即可排除全部有差别的信号。通过多次多种的数据转换验证，并通过整车实验验证，证明了本文所述的转换方法的有效性。

4 结束语

本文提出了一种汽车电子领域跨开发平台的标定数据离线转换方法，通过应用常用的工具和软件环境，实现标定数据在Targetlink嵌入式软件开发平台和Matlab/Simulink/RTW Embedded Coder工具链之间转换通用的过程。并通过对比数据和实验验证了该转换方法的正确有效。

参考文献

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[2]MATLAB软件帮助.

[3]陈鹏.基于CCP协议发动机标定系统应用研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.

The lazybones alarm clock based on ZigBee design

XU Dong-jie, ZANG Guan-hua , PAN Dan-mei , LV Xu,WANG Tao
( School of Electrical Engineering，Northwest University for Nationalities, Lanzhou ,730030,China)

with the advent of the era of “Internet +”, in the life more and more items to realize intelligent control. Look now, college students commonly use an alarm clock, mobile phone to timing, however, in addition to both often occur when the timing is not allowed, and out of adaptability, everyone will be out of the idea of want to sleep involuntarily close them, lead to miss many important things. This study on the spot to Zigbee wireless transmission protocol as the beginning of the project design, through the feedback CC2530 chip with the voice module, in order to achieve the effect of“never pillow bell”, allowing students to a more regular routine.

Zigbee wireless transmission protocol; CC2530 chips; Voice detection; More regular routine

徐东杰（1996—），男，山东东营人，2014级电气工程及其自动化专业本科生。

西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（201610742086）。