基于ZigBee技术的智能电子信息系统设计

2023-01-07周小勇

信息记录材料 2022年11期

周小勇

（漳州职业技术学院福建漳州 363000）

0 引言

面对日渐加快的生活节奏和压力，越来越多的人追求智能化生活模式。以此为背景出现了部分智能电子信息系统，如智能家居系统和智能停车场系统等。本文以智能家居系统为例，结合ZigBee 技术，实现了智能电子信息系统的设计。从该系统的总体架构上来看，ZigBee 技术[1]和系统的有效结合，能够促进智能家居系统的性能和节能效果得到有效提升。进而如何有效将ZigBee 技术和智能家居系统两者进行结合，成为当前技术人员所需要解决的问题。

1 人工智能及ZigBee技术概述

1.1 人工智能

人工智能技术就是建立在计算机通信技术和电子信息技术基础之上的技术，实现对数据信息的处理，且在数据信息的处理效率以及质量方面都有明显的提升。同时，针对信息存储、运算以及分析等方面，人工智能技术不仅使得大数据处理能力得到提高，还为各个行业的相关信息数据处理提供相应的技术支持。

1.2 ZigBee 技术

此项技术主要是一种基于调频技术来实现的无线通信传输协议技术，此项技术的工作频段主要位于2.4 G，同时其传输距离和传输速度两者之间呈现负相关的关系。单个ZigBee 技术的单个阶段，可以实现134 米的最大远距离传输，而单个网络所接入的设备数量应当不超过255 个，每个节点还具备自动寻找路由线路的功能。ZigBee 网络节点有3 种类型：协调器、路由以及终端。其中，从路由节点上来看，该节点就是网络的四肢，能够实现网络信息传递。而协调器节点不仅拥有强大的存储容量，还具备相应的计算能力。此外，该技术还拥有较强的抗干扰能力、低信号延时、低功耗等优点，还具备较稳定的数据传输性能，在ZigBee 技术的作用下，能够有效避免通信信号和其他信号两者之间的冲突发生[2]，并从一定程度上使得通信技术的传输可靠性得到提高。

2 基于ZigBee技术的智能电子信息系统设计

2.1 系统总体架构设计

基于ZigBee 技术设计的智能电子信息系统架构，也就是智能家居系统架构如图1所示。从图1上来看，此系统总体架构主要由控制中心模块、红外线控制模块以及远程控制模块3 个部分共同构成。其中，从控制中心模块方面来说，该模块作为智能家居系统的主要核心部分，能够实现对家庭中的所有智能设备进行自动化配置、查询以及管理控制，同时还具备远程控制的功能。从红外线控制模块上来看，该部分功能的设计主要为用户和编码人员提供了人工智能学习的支持，利用系统控制中心端，还可以实现对拥有红外线的设备进行智能化控制和集中化控制。最后，从远程控制模块方面来看，该模块的设计让用户能够不限空间、不限时间地实现对家庭电器运行状况进行实时监控，所以该系统的设计具有良好的高效性、稳定性和便捷性[3]。

图1 系统总体架构设计示意图

2.2 系统主要功能模块设计与实现

2.2.1 ZigBee 网络搭建

ZigBee 网络的搭建，离不开协调器节点的帮助。而协调器节点又是一种常见的全功能设备，因此它和ZigBee 网络两者之间存在着对应的关系。因此，在进行ZigBee 网络的通信网络组网时可以从以下几个方面为切入点来实现：首先，从节点融入网络方面来看，在网络当中加入节点的方式主要有三种模式，即弧节点模式、直接加入模式和连接加入模式。借助该些模式可以有效地保障所加入节点的数量和效率，从而为网络和节点两者之间的有效结合奠定坚实的基础。其次，从初始化网络方面来看，当智能家电设备通电之后，这时需要利用电能对相关信道网络进行扫描和检测，然后根据对应能量值的大小，完成检测结果的排序，并从这些结果当中选出性能最佳的通信通道[4]。

2.2.2 数据存储模块

利用ZigBee 技术的物理地址与网络地址两者之间的映射关系，通过全面对智能设备的类型、运行状况以及设备引脚等相关信息进行收集与整理，可以有效实现对系统的内容数据进行管理与安全化存储。

2.2.3 通信模块

通信模块设计在智能家居系统当中，其内部的信息均需要利用系统控制终端向指定的信息系统进行传递，其逻辑关系如图2所示。

图2 系统通信逻辑关系示意图

从图2上可以发现，控制中心和每个控制终端之间存在良好的通信关系。可以选择利用以下两种通信方式来实现控制中心和控制终端两者之间的良好连接。首先，在控制终端与控制中心两者之间的通信，可以选择利用串口连接的通信模式来实现两者的有效连接，通过将ZigBee 节点模块与USB 接口两者进行串口连接，这样一来就能够有效确保两者的正常切换。其次，可以选择利用手机终端实现ZigBee 网络和控制中心两者之间的通信，借助手机移动终端和家庭网络可以实现通信连接，这样既保证了通信的安全性、稳定性和及时性，同时利用控制中心与Wi-Fi模块，还可以在局域网和家庭网络两者之间进行有效的衔接，从而保证通信的质量和效果。

2.2.4 灯光控制模块

灯光控制模块的设计离不开CC2530 芯片的帮助，并为每个引脚的配置提供对应的高电平。具体控制流程图如图3所示。

从图3上来看，控制终端的设计和应用能够实现发出大量的控制指令，并且这些信息由设备操作标识信息以及设备的ID 信息共同构成。同时，还可以借助控制中心实现对相关设备的ID 进行获取以及数据库数据的查询，从而得到关于ZigBee 节点的相关地址和ZigBee 技术节点信息。因此，当系统的控制指令传输到相应的节点上时，借助该节点能够实现及时的利用相关信息系统，完成灯光设备的配置信息进行自动查询。此外，可以根据系统控制指令的实际完成情况，认识到关于开关灯的操作，从而做好对灯光设备状态值的有效控制和调整[5]。

图3 灯光控制程序流程示意图

2.2.5 温度测量模块

该模块的设计主要由三个部分共同构成：总程序、转换程序和子程序。其中，从温度测量总程序方面来说，该程序主要利用控制终端，向室内的智能设备发送相关温度信号，并从中获取到对应的温度值。从温度测量的子程序方面来看，实现了对温度值的整理和精确获取，以此为后续的温度精确测试奠定了坚实的基础。最后，从转换程序方面来看，该功能主要实现了对温度值的转换，从而帮助用户快速实现对温度值的读取。

3 系统监控软件设计

3.1 监控软件及控制逻辑

从监控软件设计上来看，针对该软件的设计本文选择在Eclipse 集成开发环境的基础上，利用JAVA 布局文件来完成。并且，该监控软件的设计，能够实时地实现对各个传感器的数据进行监控和显示。同时，还能够实现智能灯泡和风扇的自动控制和手动控制等。从控制逻辑方面来看，本文选择利用ZigBee 串口和波特率之后，开始选择采集按钮，就能够实现对相关数据的采集。由于利用的是本地的服务器结合串口通信的模式来实现对服务器的访问，因此，针对ZigBee 串口时，可以利用USRVCOM 软件来实现虚拟的串口。并且，当处于手动模式时，可以直接借助开关来实现设备的开启和关闭；处于自动模式时，可以通过对温度或者灯光光照最大值与最小值等的配置来实现。最后，由于ZigBee 网络的自动组网实现了传感器的数据采集和传输，所以可以在系统上增加一个监听模块，以此来完成对相关传感器的处理和数据信息的收集[6]。

3.2 智能语音采集与识别

该模块的设计是系统成功获取相关数据信息的重要途径。并且，智能语音信息采集以及语音识别等也是系统软件所需要实现的一项核心功能，其包含了语音合成功能、语音识别功能以及语音唤醒功能等类型。而针对语音信息的播放和采集，本文选择利用高精度的模数转换设备（analog to digital converter，ADC）转换器将其转化成数字信号，然后利用软件将对应的信号上传到智能语音识别库当中，从而可以得到相应声音的文字信息。控制板这时会根据文字信息实现相应的逻辑判断，并利用ZigBee网络，向对应的终端设备进行指令发布，而终端设备在接收到相关指令之后，就可以完成对应的操作，并将结果反馈到控制板上。而控制板在接收到对应的信息后，会利用声音与文字的方式将信息传递给用户。

3.3 多模式交互控制功能

传统模式的智能语音控制系统在家居方面的控制均是被动控制的模式，也就是当用户向系统发出准确的指令之后，系统就会根据指令来完成相应的动作。但是，该系统无法在很多特定的场合当中有效满足全部的控制需求。同时也有部分用户在使用时，并不会注重家居的环境设计，需要设备进行主动唤醒才行。这就需要在单一的被动控制模式上增添新的控制模式使得家居变得更加智能化、集中化[7]。如可以增加自动控制模式和自动提醒模式等，其中从自动控制模式方面来看，当系统满足该控制条件时，设备会根据情况自动进行调节和控制，而整个过程当中不需要用户的干涉就能够满足智能化要求。而自动提醒模式的设计，通过配置之后，设备会主动向用户进行信息反馈，从而警告用户设备发生异常行为。而ZigBee 传感器和网络通信两者的接入，以及终端通电后，先通过对控制板设备的配置信息进行自动调节。同时，还会对其他传感器设备进行系统初始化设计。整个过程就是为了检测ZigBee传感器的串口连接缓冲区，是否可以成功收到控制指令协议，并且是否根据指令来完成相应的操作，如灯光调节、空调开关等。

4 系统测试分析

为了能够进一步证明ZigBee 技术在智能电子信息系统中的应用效果及其性能，本文选择从其通信性能方面对该系统进行测试[8]。如以ZigBee 技术的通信距离为例，整个测试过程中需要利用到CC2540 节点模块、电池模块、USB 模块和PC 机等。在测试开始前，首先需要进行相关程序编写，耳机则利用ZigBee 节点，向对应的协调器上进行相关数据传输和发送，并将其发送周期控制在3 秒的时间之内[9-10]。其次，利用电池为系统提供非常充足的供电需要。同时，在测试过程当中可以通过增加2 个ZigBee节点之间的距离，从而得到基于ZigBee 技术的通信距离结果，如表1所示。经试验测试，该系统具有良好的通信质量和入网效果[11]。