基于ZigBee技術的智能電子信息系統設計

周小勇

（漳州職業技術學院 福建 漳州 363000）

0 引言

面對日漸加快的生活節奏和壓力，越來越多的人追求智能化生活模式。以此為背景出現了部分智能電子信息系統，如智能家居系統和智能停車場系統等。本文以智能家居系統為例，結合ZigBee 技術，實現了智能電子信息系統的設計。從該系統的總體架構上來看，ZigBee 技術[1]和系統的有效結合，能夠促進智能家居系統的性能和節能效果得到有效提升。進而如何有效將ZigBee 技術和智能家居系統兩者進行結合，成為當前技術人員所需要解決的問題。

1 人工智能及ZigBee技術概述

1.1 人工智能

人工智能技術就是建立在計算機通信技術和電子信息技術基礎之上的技術，實現對數據信息的處理，且在數據信息的處理效率以及質量方面都有明顯的提升。同時，針對信息存儲、運算以及分析等方面，人工智能技術不僅使得大數據處理能力得到提高，還為各個行業的相關信息數據處理提供相應的技術支持。

1.2 ZigBee 技術

此項技術主要是一種基于調頻技術來實現的無線通信傳輸協議技術，此項技術的工作頻段主要位于2.4 G，同時其傳輸距離和傳輸速度兩者之間呈現負相關的關系。單個ZigBee 技術的單個階段，可以實現134 米的最大遠距離傳輸，而單個網絡所接入的設備數量應當不超過255 個，每個節點還具備自動尋找路由線路的功能。ZigBee 網絡節點有3 種類型：協調器、路由以及終端。其中，從路由節點上來看，該節點就是網絡的四肢，能夠實現網絡信息傳遞。而協調器節點不僅擁有強大的存儲容量，還具備相應的計算能力。此外，該技術還擁有較強的抗干擾能力、低信號延時、低功耗等優點，還具備較穩定的數據傳輸性能，在ZigBee 技術的作用下，能夠有效避免通信信號和其他信號兩者之間的沖突發生[2]，并從一定程度上使得通信技術的傳輸可靠性得到提高。

2 基于ZigBee技術的智能電子信息系統設計

2.1 系統總體架構設計

基于ZigBee 技術設計的智能電子信息系統架構，也就是智能家居系統架構如圖1所示。從圖1上來看，此系統總體架構主要由控制中心模塊、紅外線控制模塊以及遠程控制模塊3 個部分共同構成。其中，從控制中心模塊方面來說，該模塊作為智能家居系統的主要核心部分，能夠實現對家庭中的所有智能設備進行自動化配置、查詢以及管理控制，同時還具備遠程控制的功能。從紅外線控制模塊上來看，該部分功能的設計主要為用戶和編碼人員提供了人工智能學習的支持，利用系統控制中心端，還可以實現對擁有紅外線的設備進行智能化控制和集中化控制。最后，從遠程控制模塊方面來看，該模塊的設計讓用戶能夠不限空間、不限時間地實現對家庭電器運行狀況進行實時監控，所以該系統的設計具有良好的高效性、穩定性和便捷性[3]。

圖1 系統總體架構設計示意圖

2.2 系統主要功能模塊設計與實現

2.2.1 ZigBee 網絡搭建

ZigBee 網絡的搭建，離不開協調器節點的幫助。而協調器節點又是一種常見的全功能設備，因此它和ZigBee 網絡兩者之間存在著對應的關系。因此，在進行ZigBee 網絡的通信網絡組網時可以從以下幾個方面為切入點來實現：首先，從節點融入網絡方面來看，在網絡當中加入節點的方式主要有三種模式，即弧節點模式、直接加入模式和連接加入模式。借助該些模式可以有效地保障所加入節點的數量和效率，從而為網絡和節點兩者之間的有效結合奠定堅實的基礎。其次，從初始化網絡方面來看，當智能家電設備通電之后，這時需要利用電能對相關信道網絡進行掃描和檢測，然后根據對應能量值的大小，完成檢測結果的排序，并從這些結果當中選出性能最佳的通信通道[4]。

2.2.2 數據存儲模塊

利用ZigBee 技術的物理地址與網絡地址兩者之間的映射關系，通過全面對智能設備的類型、運行狀況以及設備引腳等相關信息進行收集與整理，可以有效實現對系統的內容數據進行管理與安全化存儲。

2.2.3 通信模塊

通信模塊設計在智能家居系統當中，其內部的信息均需要利用系統控制終端向指定的信息系統進行傳遞，其邏輯關系如圖2所示。

圖2 系統通信邏輯關系示意圖

從圖2上可以發現，控制中心和每個控制終端之間存在良好的通信關系。可以選擇利用以下兩種通信方式來實現控制中心和控制終端兩者之間的良好連接。首先，在控制終端與控制中心兩者之間的通信，可以選擇利用串口連接的通信模式來實現兩者的有效連接，通過將ZigBee 節點模塊與USB 接口兩者進行串口連接，這樣一來就能夠有效確保兩者的正常切換。其次，可以選擇利用手機終端實現ZigBee 網絡和控制中心兩者之間的通信，借助手機移動終端和家庭網絡可以實現通信連接，這樣既保證了通信的安全性、穩定性和及時性，同時利用控制中心與Wi-Fi模塊，還可以在局域網和家庭網絡兩者之間進行有效的銜接，從而保證通信的質量和效果。

2.2.4 燈光控制模塊

燈光控制模塊的設計離不開CC2530 芯片的幫助，并為每個引腳的配置提供對應的高電平。具體控制流程圖如圖3所示。

從圖3上來看，控制終端的設計和應用能夠實現發出大量的控制指令，并且這些信息由設備操作標識信息以及設備的ID 信息共同構成。同時，還可以借助控制中心實現對相關設備的ID 進行獲取以及數據庫數據的查詢，從而得到關于ZigBee 節點的相關地址和ZigBee 技術節點信息。因此，當系統的控制指令傳輸到相應的節點上時，借助該節點能夠實現及時的利用相關信息系統，完成燈光設備的配置信息進行自動查詢。此外，可以根據系統控制指令的實際完成情況，認識到關于開關燈的操作，從而做好對燈光設備狀態值的有效控制和調整[5]。

圖3 燈光控制程序流程示意圖

2.2.5 溫度測量模塊

該模塊的設計主要由三個部分共同構成：總程序、轉換程序和子程序。其中，從溫度測量總程序方面來說，該程序主要利用控制終端，向室內的智能設備發送相關溫度信號，并從中獲取到對應的溫度值。從溫度測量的子程序方面來看，實現了對溫度值的整理和精確獲取，以此為后續的溫度精確測試奠定了堅實的基礎。最后，從轉換程序方面來看，該功能主要實現了對溫度值的轉換，從而幫助用戶快速實現對溫度值的讀取。

3 系統監控軟件設計

3.1 監控軟件及控制邏輯

從監控軟件設計上來看，針對該軟件的設計本文選擇在Eclipse 集成開發環境的基礎上，利用JAVA 布局文件來完成。并且，該監控軟件的設計，能夠實時地實現對各個傳感器的數據進行監控和顯示。同時，還能夠實現智能燈泡和風扇的自動控制和手動控制等。從控制邏輯方面來看，本文選擇利用ZigBee 串口和波特率之后，開始選擇采集按鈕，就能夠實現對相關數據的采集。由于利用的是本地的服務器結合串口通信的模式來實現對服務器的訪問，因此，針對ZigBee 串口時，可以利用USRVCOM 軟件來實現虛擬的串口。并且，當處于手動模式時，可以直接借助開關來實現設備的開啟和關閉；處于自動模式時，可以通過對溫度或者燈光光照最大值與最小值等的配置來實現。最后，由于ZigBee 網絡的自動組網實現了傳感器的數據采集和傳輸，所以可以在系統上增加一個監聽模塊，以此來完成對相關傳感器的處理和數據信息的收集[6]。

3.2 智能語音采集與識別

該模塊的設計是系統成功獲取相關數據信息的重要途徑。并且，智能語音信息采集以及語音識別等也是系統軟件所需要實現的一項核心功能，其包含了語音合成功能、語音識別功能以及語音喚醒功能等類型。而針對語音信息的播放和采集，本文選擇利用高精度的模數轉換設備（analog to digital converter，ADC）轉換器將其轉化成數字信號，然后利用軟件將對應的信號上傳到智能語音識別庫當中，從而可以得到相應聲音的文字信息。控制板這時會根據文字信息實現相應的邏輯判斷，并利用ZigBee網絡，向對應的終端設備進行指令發布，而終端設備在接收到相關指令之后，就可以完成對應的操作，并將結果反饋到控制板上。而控制板在接收到對應的信息后，會利用聲音與文字的方式將信息傳遞給用戶。

3.3 多模式交互控制功能

傳統模式的智能語音控制系統在家居方面的控制均是被動控制的模式，也就是當用戶向系統發出準確的指令之后，系統就會根據指令來完成相應的動作。但是，該系統無法在很多特定的場合當中有效滿足全部的控制需求。同時也有部分用戶在使用時，并不會注重家居的環境設計，需要設備進行主動喚醒才行。這就需要在單一的被動控制模式上增添新的控制模式使得家居變得更加智能化、集中化[7]。如可以增加自動控制模式和自動提醒模式等，其中從自動控制模式方面來看，當系統滿足該控制條件時，設備會根據情況自動進行調節和控制，而整個過程當中不需要用戶的干涉就能夠滿足智能化要求。而自動提醒模式的設計，通過配置之后，設備會主動向用戶進行信息反饋，從而警告用戶設備發生異常行為。而ZigBee 傳感器和網絡通信兩者的接入，以及終端通電后，先通過對控制板設備的配置信息進行自動調節。同時，還會對其他傳感器設備進行系統初始化設計。整個過程就是為了檢測ZigBee傳感器的串口連接緩沖區，是否可以成功收到控制指令協議，并且是否根據指令來完成相應的操作，如燈光調節、空調開關等。

4 系統測試分析

為了能夠進一步證明ZigBee 技術在智能電子信息系統中的應用效果及其性能，本文選擇從其通信性能方面對該系統進行測試[8]。如以ZigBee 技術的通信距離為例，整個測試過程中需要利用到CC2540 節點模塊、電池模塊、USB 模塊和PC 機等。在測試開始前，首先需要進行相關程序編寫，耳機則利用ZigBee 節點，向對應的協調器上進行相關數據傳輸和發送，并將其發送周期控制在3 秒的時間之內[9-10]。其次，利用電池為系統提供非常充足的供電需要。同時，在測試過程當中可以通過增加2 個ZigBee節點之間的距離，從而得到基于ZigBee 技術的通信距離結果，如表1所示。經試驗測試，該系統具有良好的通信質量和入網效果[11]。

表1 基于ZigBee 技術的通信距離測試結果分析表

5 結語

綜上所述，通過ZigBee 技術的應用，所設計開發的智能電子信息系統在人工智能和物聯網技術的作用下，具有較低的能耗、高智能化和低成本等優點，還使得其穩定性和安全性得到有效提高。因此，ZigBee 智能化通信技術的應用具有廣闊的發展前景。