基于ZigBee的智能環(huán)境清潔監(jiān)控系統(tǒng)

夏冰清

摘 要：針對(duì)室內(nèi)地面環(huán)境的智能清潔監(jiān)控，研究設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)移動(dòng)清潔監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)主要分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)、掃地機(jī)器人和手機(jī)APP三部分，終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手機(jī)客戶端，以及時(shí)反映家庭地面的實(shí)際情況，從而通知用戶根據(jù)需要及時(shí)采取清潔措施。

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

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-00-02

0 引 言

隨著當(dāng)前信息化進(jìn)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(yùn)用到智能家居領(lǐng)域。智能家居產(chǎn)品將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。人們通過寬帶和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程控制?？紤]到現(xiàn)代社會(huì)人們工作繁忙，本文提出了解放人力的室內(nèi)移動(dòng)清潔監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)各類傳感器收集的環(huán)境信息來監(jiān)控清潔過程中的實(shí)時(shí)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(jī)APP進(jìn)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(jì)

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(diǎn)（各種類型的傳感器）、智能設(shè)備、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、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(jìn)電機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)、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(jī)客戶端，進(jìn)行相應(yīng)模塊的控制操作。L298N電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以控制車輪行走。微處理器采用PWM控制方式。各項(xiàng)模塊搭載在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，可以將控制指令及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送到具體器件上，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)地面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(diǎn)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮終端節(jié)點(diǎn)如何利用通信技術(shù)給管理平臺(tái)傳送信息;終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)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(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)擁有可編程閃存與8 KB RAM，以及其他強(qiáng)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(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，進(jìn)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(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足對(duì)各模塊進(jìn)行管理的要求，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、傳輸與處理，運(yùn)用射頻天線進(jìn)行指令的發(fā)送、接收等。終端節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)、數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器等精密儀器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(hào)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(jì)中，利用溫濕度傳感器采集外界環(huán)境信息，使用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)預(yù)告與報(bào)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(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。本設(shè)計(jì)選用 DHT11作為終端傳感器節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)，同時(shí)外圍電路簡單，適合本設(shè)計(jì)電路。

在本設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(hào)。小車將根據(jù)接收到的信號(hào)產(chǎn)生的邏輯值自動(dòng)做出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)循跡功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

接通電源，終端節(jié)點(diǎn)初始化，搜尋節(jié)點(diǎn)所在位置是否有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如果沒有就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索。在終端進(jìn)行搜索時(shí)協(xié)調(diào)器也會(huì)檢測其覆蓋范圍，兩者只要有一種成功就可以發(fā)送請(qǐng)求。找到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過終端的入網(wǎng)請(qǐng)求，則入網(wǎng)操作成功。成功后，終端進(jìn)入循環(huán)模式，等待定時(shí)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(jìn)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(diǎn)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(jī)APP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

根據(jù)智能家居在環(huán)境監(jiān)控中的實(shí)際應(yīng)用需求，本設(shè)計(jì)中手機(jī)APP的開發(fā)平臺(tái)采用Android Studio。手機(jī)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(dòng)時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，待邏輯判斷結(jié)束后進(jìn)行具體處理，如果判斷出現(xiàn)異常，手機(jī)APP將發(fā)出消息，方便用戶及時(shí)了解。

3.3 系統(tǒng)測試

本測試主要針對(duì)機(jī)器人的清掃性能。在測試過程中，機(jī)器人對(duì)于規(guī)避障礙物的能力極強(qiáng)，可較好地行走，適合家庭環(huán)境。由測試數(shù)據(jù)可知，該機(jī)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(shí)，手機(jī)APP上顯示當(dāng)前濕度，此時(shí)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(shí)，便處于異常狀態(tài)，手機(jī)APP上顯示當(dāng)前濕度，但機(jī)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(shí)，傳感器采集信息，若判斷為地面存在無法清理的積水時(shí)，上機(jī)位發(fā)送指令讓機(jī)器人停止工作，并向手機(jī)APP發(fā)送積水警報(bào)。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)日常家居環(huán)境，設(shè)計(jì)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(jìn)行升級(jí)改造，利用ZigBee技術(shù)、STM32技術(shù)等，結(jié)合手機(jī)APP客戶端將家庭實(shí)時(shí)環(huán)境情況傳達(dá)給用戶。本設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、性能穩(wěn)定、性價(jià)比高、可靠性與實(shí)時(shí)性強(qiáng)。相比傳統(tǒng)的家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)更加靈活，同時(shí)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特殊性，本系統(tǒng)后期升級(jí)改造較方便。

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