基于眾創模式和ZigBee的智能插座設計

劉政源，陳曉航

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院，湖北武漢430056）

基于眾創模式和ZigBee的智能插座設計

劉政源，陳曉航

（武漢商學院機電工程與汽車服務學院，湖北武漢430056）

智能家居是物聯網的主要應用之一，它將實現家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的重要組成部分，它具有智能控制、本地檢測等多種功能。本文首先分析了當下最為主流創新模式——眾創模式以及在智能家居領域中廣泛應用的ZigBee無線技術，其次在通過對眾創模式的實踐分析確定了智能插座功能的基礎上，研究了ZigBee無線技術在其中的應用，最后對智能插座進行全方位設計，使其功能完全實現。

眾創、智能家居、ZigBee、智能插座

引言

物聯網是基于互聯網所拓展的網絡，被譽為繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次革命。物聯網通過紅外線感應、定位系統、激光掃描等信息傳感設備把物品和互聯網進行連接，從而便于信息的通信和交流。智能家居是物聯網的主要應用之一，它利用其相關技術將生活中的家居進行模塊化、簡單化，構建了高效的管理系統，這樣就使得家居的可靠性、便利性和舒適性都得到了極大地提高，同時實現了綠色低碳的居住環境。

本文從主要功能和硬件設計兩方面對一種智能插座進行介紹，而智能插座決定了智能家居管理系統的成敗。通過眾創模式確定智能插座的多種功能，讓智能插座與單一功能的傳統插座有所區別。通信技術是智能插座硬件設計的關鍵，采用ZigBee無線技術，保證整個智能插座系統通信的高效、穩定。

1　眾創模式的概念、特征及分類

1.1眾創的概念

本文提到的眾創是來自Dahlander對開放式創新核心過程的界定：眾創指的是基于現代互聯網的發展前提下，一方面由熱愛創新的大眾為代表的創新者在由企業搭建的或者自發形成的互聯網平臺之下實施創新活動并且通過互聯網進行創新成果的展示或出售；另一方面由其他企業或個人為代表的需求者通過互聯網搜索和獲取創新成果并加以利用的一種新型創新模式［1］（見圖1）。

圖1　眾創模式

1.2眾創的特征

與一般的合作創新對比，眾創具有其獨有的特點（見下頁表1）。主要體現在以下三點。

1）眾創具有可參與式的特點。與一般的合作創新團隊相比，眾創的主體是大眾群體，而不是公司、學校等集體組織，所以降低了個人創業的門檻。眾創往往是基于興趣愛好，或者是簡單的利益關系而聯合起來的微弱關系，相互比較獨立和輕松。在此情況下，人人都可以參與進來，眾創的范圍和規模會大大增加，相互之間的變動性和協調性得到了均衡。

2）眾創模式以互聯網為載體。隨著計算機技術與通信技術的不斷發展，互聯網產業滋生興起并迅速發展開來，傳統行業面臨著巨大的變革。現有知識的獲取，信息的共享，溝通和交流，商業化的發展都是基于互聯網發展的。在計劃實施的過程中，互聯網可以實時監控和反饋，創新者也可以和外界很好的交流和合作。在成果展示和經驗交流的時候，互聯網也提供了廣闊的市場和眾多的平臺。

3）眾創降低了傳統創新模式下的研發成本和風險，提高了創新的效率。眾創模式下的創新是充分發揮個人的創新能力，不再受到束縛和質疑，所以要利用個人創新的成果，加以復制和傳播，人人都可以提高效率，從而獲得成功。而這些都是有成功的先例，又是在企業外部進行的，所以企業不必承擔創業失敗和投入失誤的風險［2］。

表1　眾創與一般合作創新的對比

1.3眾創的分類

眾創分為企業主導式眾創和大眾主導式眾創兩大類［2］（見表2）。

1）企業主導式眾創：在企業具有明確地創新需求的情況下，有意識地利用大眾智慧，而大眾通過分辨機會也加入到此次創新過程中。這種模式下，企業是創新的提倡者和主導者，根據古話“眾人拾柴火焰高”這種邏輯思維的引導之下，主動通過互聯網科技來號召大眾去完成創新。大眾是創新的參與者，也是最終的受益者，根據網絡平臺提供的創新機會適當的選擇內容進行創新，與企業達成共贏。

2）大眾主導式眾創：在企業沒有明確地創新需求的情況下，大眾通過互聯網主動獲取創新機會，從而進行創新過程使產品商業化。這種模式下，企業并沒有明確創新目標，而是使大眾以自身的興趣為目標導向，充分利用自身的優點和條件資源，進行即興創作和自主創新形成最終創意，進而把產品市場化。

2　ZigBee技術介紹及應用

2.1ZigBee技術特點

ZigBee（又稱紫峰協議）是以IEEE802.15.4為標準的低功耗局域網協議。這一名稱又稱紫蜂協議，來源于蜜蜂所跳的ZigZag形狀的八字舞蹈，蜜蜂（bee）是靠這種舞蹈來向蜂群指引發現食物源的位置，方向和距離等信息。這也就是蜜蜂在自然中賴以生存和發展的通信交流方式，從而構成了群體中的通信網絡。ZigBee主要適合于自動控制和遠程控制領域，可嵌入各類設備之中。簡而言之，ZigBee就是一種較其它幾種常用無線傳輸方式更便宜，更省電的近距離無線組網通信技術（見表3）［5］。

表2　眾創的分類

表3　無線傳輸方式的比較

ZigBee無線技術具有以下技術特點。

1）低功耗。待機功耗極低，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月。這是ZigBee的突出優勢。

2）低成本。通過簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，并且ZigBee免協議專利費。每塊芯片的價格大約為12元。

3）近距離。傳輸范圍在10～100 m間，在增加其發射功率后，亦可增加至1～3 km。如果通過路由和節點進行橋接，傳輸距離更遠。

4）短時延。響應速度較快，在15 ms到30 ms之間。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

5）高安全。提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單以及高級加密標準對稱密碼，可靈活確定其安全屬性。

2.2ZigBee在智能家居中的應用

1）控制功能。對家庭照明、供熱及空調系統進行智能管理，并能通過自動控制家居系統降低能耗，提高便利性和安全性。

2）節能。可獲取詳細的能耗數據，并通過嵌入式智能化裝置進行能耗優化。

3）便利性。支持無線安裝和升級，組成家具控制系統，可通過單一控制系統實現多系統遠程管理。

4）安全性。通過無線傳感器監控各種環境參數，可實現自動監控和異常報警［6］。

圖2　ZigBee在智能家居中的應用

3　智能插座的設計

3.1眾創模式下智能插座功能的確定

采用企業主導式眾創，首先基于市場需求，確定多功能多用途的智能插座為創新目標，然后將設計和研發過程中所面臨的難點分解成模塊化的創新需求，進而通過互聯網這一平臺尋求大眾創新者的合作和參與，最終確定了智能插座的以下幾個功能。

1）防干涉功能：通過對智能插座的結構進行優化，防止插頭相互干涉。

2）USB充電功能：在智能插座上設置USB接口，避免電源適配器占用插孔的情況發生。

3）無線路由器功能：提供無線網絡的連接，同時處理數據。

4）家庭環境數據監測功能：在不影響插座常規使用的前提下，通過相對應的傳感器實時監測房屋中的溫濕度、光照強度、煙霧濃度等數據。

3.2ZigBee模塊設計

為保證成本較低，開發方法靈活。選用了Freescale公司的MC13192芯片，其符合IEEE802.15.4標準，它的工作頻率為2.405～2.480GHz，數據傳輸速率為250kbit/s，采用O-QPSK調試方式，芯片采用可編程功率輸出模式，發送功率0～4 d Bm，接收靈敏度～92dBm，傳輸距離可達30～70m［7］。

3.3智能插座硬件設計

智能插座的設計框圖如圖3所示，主體部分實現插座、USB充電以及無線路由功能，通過各類傳感器收集數據的家庭助手，將數據通過ZigBee無線網絡傳輸至智能插座主體。智能插座主體內的無線路由模塊對數據進行分析后將其同步到Internet網，無論使用者在任何場合，只要將手機連接到Internet網，便能通過手機軟件查看家庭環境數據。

圖3　智能插座設計框圖

智能插座的主體分為三個模塊，四個家庭助手代表四種傳感器模塊，外觀如圖4所示。

1）主體上部模塊：結合了中國天圓地方的理念和古埃及金字塔的形狀，在頂端做圓角處理，而金字塔式的形狀讓它擁有四個側面，每個側面有一個新國標五號插孔，避免了插孔之間的相互干擾。另根據人機工程學，該坡度的斜面可讓插頭更為方便插入（見圖5）。

圖4　智能插座整體

圖5　主體上部模塊

2）主體中部模塊：內設路由器WiFi模塊，支持AP、STA、AP+STA共存模式，具有完善簡潔高效的AT指令，用來實現局域網內手機軟件與個傳感器之間的數據傳輸。既提供無線網絡連接，又作為接受傳感器數據的總站。棱角處設有四個USB插孔，電流強度分別為1 A、1 A、2 A、2 A，為不同型號的手機充電（見下頁圖6）。

3）主體底部模塊：設有整個主體的開關，殼體加厚的設計使得底部結構更加穩定（見圖7）。

圖6　主體中部模塊

圖7　主體下部模塊

4）人體紅外線感應燈模塊：人體紅外線感應器（見圖8）采用蜂窩型菲涅爾透鏡，BIS0001專業人體熱釋電紅外處理芯片。同時感應器可以感應人體的活動，使用者還可以根據使用者的需求調節感應的范圍和燈亮的時間，感應器上的光控開關可以讓使用者在白天不會觸發紅外開關，感應器的容錯性極高。

5）天然氣報警模塊：天然氣傳感器（見圖9）可以靈敏的捕捉到廚房內天然氣和煤氣的濃度，模擬量輸出的電壓，濃度越高電壓越高，一但氣體的濃度偏高，使用者的手機就能收到來自家庭助手的警報電話，最大限度的防止危險的發生。

圖8　人體紅外線感應器

圖9　天然氣傳感器

6）溫濕度監控模塊：溫濕度傳感器（見圖10）是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。此模塊可以幫助使用者了解室內的溫度及濕度，當使用者使用空調和暖氣的時候，溫濕度就可以幫助使用者判斷是否需要加濕器工作讓使用者所處的環境更加舒適。

7）光線強度監控模塊：光線強度傳感器（見圖11）是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路利用它的高分辨率來捕捉太陽光線，使用者看到手機軟件上的健康提示，適合外出運動或者提前做好防曬準備，有利于身心健康。

圖10　溫濕度感應器

圖11　光線強度傳感器

4　結論與展望

本文在前人研究的基礎上，提出用新的創新模式確定產品的功能及用途，用成熟的技術使功能得以完美實現，最終完成整個產品設計，即“新模式—穩技術—好產品”模式。

“眾創”是一種新的創新模式，是新時代創新模式的趨勢。新的創新模式讓產品人性化、多樣化，成熟的技術保證產品穩定、可靠。“新模式—穩技術—好產品”模式將會成為未來產品設計的趨勢。

［1］Dahlander L，Gann D M.Howopen is innovation？［J］.Research Policy，2010，39（6）:699-709.

［2］劉志迎，陳青祥，徐毅.眾創的概念模型及其理論解析［J］.科學學與科學技術管理.2015（2）:56-57.

［3］Surowiecki J.The Wisdom of Crowds:Why the Manyare Smarter than the fewand HowCollective Wis-domShapes Business［M］.NewYork: KnopfDouble-dayPublishingGroup，2004.

［4］Le Q，Panchal J H.Modeling the effect of product ar-chitecture on mass-collaborative processes［J］.Journal of Computing and Information Science in Enginee-ring，2011，11（1）:1-13.

［5］李毅.基于無線ZigBee網絡技術的用電需求側全面監測［J］.四川電力技術，2010，33（2）：80-82.

［6］江修波.ZigBee技術及其應用［J］.低壓電器，2005（7）:13-14.

［7］徐偉，姜元建，王斌.ZigBee技術在智能插座設計中的應用［J］.電力系統通信，2011（3）:32-34.

［8］徐偉，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系統中的設計和應用［J］.中國儀器儀表，2010（10）:61-62.

［9］項粵生，高瑞霞，鄔楊波，謝建軍.基于單片機的智能插座的設計與實現［J］.工業控制計算機，2012（9）:17-18.

［10］王佑鎂.發現創客:新工業革命視野下的教育新生態［J］.開放教育研究，2015（5）:27-29.

（編輯：劉楠）

Smart Socket Design Based on Public Record and Zigbee

Liu Zhengyuan，Chen Xiaohang
（Wuhan Business University，Wuhan Hubei 430056）

Intelligent Home Furnishingis one ofthe main applications ofthe Internet ofthings，it will realize the intelligence and information Home Furnishing.Smart socket is an important part of the intelligent Home Furnishing，it has many functions of intelligent control，local detection etc.This paper first analyzes the at present most mainstreaminnovation mode--public record mode and widelyused in the field of intelligent homewirelesstechnologyZigBee，secondlythroughtoallapracticeanalysisidentifiedbasedonintelligentsocketfunctiontostudythe applicationofZigBeewirelesstechnologyinthe，finallycarriesonthedesignofafullrangeofintelligentsocket，theapplicationisfullyfunctional.

public record；smart home；ZigBee；smart socket

TM503.5

A

2095-0748（2016）13-0117-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.47

2016-05-25

劉政源（1994—），男，本科，畢業于武漢商學院。通訊作者：陳曉航（1986—），男，碩士，現就職于武漢商學院，助教。