基于Zigbee設計的懶人鬧鐘

西北民族大學電氣工程學院 徐東杰 臧冠華 盤丹梅 呂 旭 王 濤

基于Zigbee設計的懶人鬧鐘

西北民族大學電氣工程學院 徐東杰 臧冠華 盤丹梅 呂 旭 王 濤

隨著“互聯網+”時代的到來，生活中越來越多的物品得以實現智能化控制。放眼現在，大學生普遍使用鬧鐘、手機進行定時，然而，二者除經常會出現時定時不準的情況外，而且出于適應性，大家會出于想再睡一會的想法不由自主的關閉它們，導致錯過許多很重要的事情。本研究針對這一痛點，以Zigbee無線傳輸協議作為項目設計的切入點，通過CC2530芯片與語音模塊的反饋，以達到“頭不離枕頭鈴不?！钡男Ч?，使得大學生可以更有規律的作息。

Zigbee無線傳輸協議；CC2530芯片；語音檢測；更有規律的作息

0 引言

準確時間觀念的確立直接決定當代人的計劃實施情況，擺脫困意、定時起床是一個人準時執行任務的基礎。目前，市場上的鬧鐘、手機等的定時都有自己的弊端，不具備智能屬性。若給鬧鐘模塊增添更多的智能化設計，達到使人準時起床的效果，那么這種智能化定時系統將會被大家所接受。本文在研究當代人作息習慣的基礎上，結合國內外檢測設備的特點，開發了一種新型的鬧鐘，以當下最流行的Zigbee無線傳輸協議作為技術研發的切入點，該系統涉及相關產品技術在學校學生、上班一族中有廣泛的市場應用，且在優化設備的同時也提高了自動化程度，提高了經濟競爭力。

1. 系統總體設計

1.1 系統硬件組成

設備系統一共分為2部分：數據采集部分與無線通信部分。數據采集部分主要用于壓力數據的采集與語音數據的采集。無線通信部分主要用于 Zigbee數據的傳輸。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.2 系統工作原理

確定CC2530芯片、ISD1820、繼電器和檢測傳感裝置等電子元器件的裝配，并仔細檢查壓力芯片相對于枕頭的位置，使設計結構簡單、運行可靠。當鬧鐘達到設定的時間之后，Zigbee協調器會檢測人的頭部是否還在枕頭上，壓力傳感器返回相應的標志位到Zigbee協調器，Zigbee協調器通過天線將標志位反饋到Zigbee終端，若人的頭部還在枕頭上，那么鬧鐘將繼續響動，反之，鬧鐘將停止響動。然而在1分鐘之內，若人抵抗不住困意倒頭又睡，則中斷會繼續觸發，鬧鈴持續響動，直至人徹底擺脫困意為止，如此進行反復的檢測，實現壓力傳感器、語音模塊及Zigbee協議相互反饋的智能化控制。

2. 硬件的設計與實現

2.1 硬件電路設計

考慮到所采用的電子元器件必須具有高精度、低功耗和設備簡單等特點，因此采用CC2530芯片實現Zigbee的傳輸。采用模塊化的實施方案，終端采用鬧鐘模塊、繼電器模塊、語音檢測模塊等。Zigbee節點結構圖如圖2所示。

圖2 Zigbee節點結構圖

2.2 Zigbee的節點設計

本項目兩個節點采用CC2530單片機，自身支持Zigbee通訊協議，且集成了2.4GHZ IEEE 802.15.4標準射頻收發器，具有出色的抗干擾能力，可編程輸出功率為+4.5dBm，總體無線連接鏈路質量101dbm，且只需要極少數的外部原件，支持網狀網系統。其具有一個擁有優良性能8051微控制器內核，32、64或128KB的系統可編程閃存，8KBRAM，具備在各種供電方式下的數據保持能力，且支持硬件調試，Zigbee節點原理圖如圖3所示。

圖3 Zigbee節點原理圖

2.3 數據傳輸模塊

Zigbee協議搭載于CC2530芯片之上，作為控制端和被控對象的橋梁，他具有兩個功能，一個是把Zigbee終端采集的數據返回到Zigbee協調器，一個是Zigbee協調器根據采集到的數據，對Zigbee終端進行回傳，實現自動反饋控制。

2.4 感知節點的設計

無線傳感器模塊節點是鬧鈴感應系統的基本組成單元， 其任務是實現環境數據的感知采集， 處理及無線通信等， 由傳感器、處理器、 無線通信模塊和電源模塊組成。CC2530 芯片集成了微處理器和無線通信模塊， 大大簡化了射頻電路的設計。

2.5 鬧鐘模塊

鬧鐘模塊是鬧鈴響應系統中的基本組成單元，基本任務是達到人們設定的時間之后就開始響鈴，并使語音檢測模塊檢測到語音。硬件上采用單片機、數碼管、蜂鳴器等電子元器件組成，內置了1302模塊；軟件上采用定時器進行設計，做到準時響鈴。

2.6 壓力感應模塊

壓力感應模塊是用于預判人是否起床，鬧鈴的關閉與否也是取決于感應之前和感應之后的壓力，因此為了測定更準確的壓力變化值，需要得到更準確的壓力數據。

壓力感應模塊由傳感器、信號放大部分和模數轉換部分構成。它將應變電阻值的變換轉換為電壓或電流的變化，這就是傳感器輸出的電信號。電橋電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓U，另一個對角線為輸出電壓UO。當四個橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，或者就有電壓輸出。如圖4所示即為全橋測量電橋圖。

圖4 全橋測量電橋圖

圖5 程序設計流程圖

3. 軟件設計

整個軟件系統為Zigbee無線通信協議與動作控制程序的整合，動作控制程序主要是通過預定協議協調各個模塊，最終使得完成動作要求，下面是具體介紹：

控制端分為兩大部分，一部分是Zigbee終端的軟件設計，其中包括鬧鐘模塊的編程，即達到設定的時間之后實現響鈴的指令，ZigBee終端采集到聲音之后開始反饋給Zigbee協調器。另一部分是設計由CC2530芯片響應電阻式薄膜壓力傳感器（FSR402）所采集的電壓信號，與鬧鐘模塊的指令相反饋，即檢測有壓力信號就反饋標志位1，檢測無壓力信號就反饋標志位0。程序的設計流程圖如圖5所示。

4 結論

1）本設計的研究基于RFID與Zigbee cc2530建立自動的反饋系統，充分發揮了兩者的優勢，使得鬧鐘更具智能化。2）通過無線網絡實現了語音信息的實時反饋，其中“人不起床鈴聲不止”的設計理念，幫助使用者更加有規律的控制自己的作息，經過測試，準時起床的幾率達到93%以上，有助于當代人形成良好的生物鐘。3）系統具有布置簡單、成本低及穩定性高等特點， 具有很大的實際應用價值與商業推廣價值。

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[5]張曉翟,基于ZigBee的實驗室溫濕度集中監測系統[D].黑龍江:黑龍江大學, 2011.

圖4 轉換操作示意圖

轉換的操作流程如圖4所示，可以分為如下步驟：1)使用包含Tatgetlink環境生成的a2l文件通過CANape工程自MCU中讀取標定數據；2)在CDM Studio中用TL環境初始狀態的a2l文件加載標定數據并以物理值形式保存； 3)在Matlab環境下運行轉換腳本，將第二步中保存出的數據內的二維數組進行轉置，同時將字符形式的標定量還原為數字格式；4)在CDM Studio工具中使用RTW平臺初始狀態的a2l文件加載轉置的數據并以物理值形式保存；5)使用包含RTW平臺a2l文件的CANape工程將第四步保存出來的數據刷寫到MCU。

通過以上五個步驟即可實現標定數據從Tatgetlink平臺向RTW平臺的轉換。

3 效果驗證

為了檢驗標定數據的轉換效果，在CANape工程中瀏覽數據刷寫狀態。檢查工程中標定量顯示的數值、信號的坐標軸、二維信號坐標軸與數據的對應關系等信息。瀏覽檢查無明顯錯誤后，在CDM Studio工具中對轉換前后的數據進行對比，并以轉換過程中保存出的數據進行參考，確保轉換前后數據的一致性。本文采用某款變速器的標定數據進行轉換并對比,使用CDM Studio工具的排除功能，檢查到有差別的數據如圖5所示。

數據出現差別的原因有以下幾種：1)轉置后的數據是物理值，而兩平臺下部分類型信號的單位定義不同，如壓力、轉速等。排除方法是直接對比初始狀態的物理值。2)由于使用的a2l文件不同，其內部的計算方式不盡相同，讀取顯示出的數值尾數存在非常小的差異。排除方法是直接查看數據，數值相差非常小，在信號允許誤差范圍內。3)部分信號顯示的單位名稱略有差異，如大小寫格式等，排除方法是直接查看數據。

圖5 差異數據匯總

考慮這三種原因，并使用相應的排除方法排除軟件檢測到不同的信號，即可排除全部有差別的信號。通過多次多種的數據轉換驗證，并通過整車實驗驗證，證明了本文所述的轉換方法的有效性。

4 結束語

本文提出了一種汽車電子領域跨開發平臺的標定數據離線轉換方法，通過應用常用的工具和軟件環境，實現標定數據在Targetlink嵌入式軟件開發平臺和Matlab/Simulink/RTW Embedded Coder工具鏈之間轉換通用的過程。并通過對比數據和實驗驗證了該轉換方法的正確有效。

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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

徐東杰（1996—），男，山東東營人，2014級電氣工程及其自動化專業本科生。

西北民族大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（201610742086）。