郭褚冰

（中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，陜西西安 710068）

智能手機(jī)外設(shè)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

郭褚冰

（中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，陜西西安 710068）

基于智能手機(jī)耳麥接口設(shè)計了防跌倒檢測插件和Zigbee物聯(lián)插件，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)外設(shè)擴(kuò)展的新領(lǐng)域。通過重力加速度模塊產(chǎn)生的模擬信號量以耳麥音頻的方式傳輸至智能手機(jī)，通過相應(yīng)的APP可以對跌倒行為進(jìn)行定位?；贑C2530的Zigbee物聯(lián)網(wǎng)插件可以將室內(nèi)控制終端與智能手機(jī)組網(wǎng)，并通過相應(yīng)的APP軟件與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行對接，使物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)形成一個大的閉環(huán)系統(tǒng)，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用。

手機(jī)外設(shè)智能家居物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

隨著智能手機(jī)的快速發(fā)展，低成本高價格的智能手機(jī)成為人們生活中的必需品。作為互聯(lián)網(wǎng)的入口，并且與物聯(lián)網(wǎng)的融合正在加速，同時與云計算大數(shù)據(jù)相結(jié)合是未來科技發(fā)展的趨勢。本文從智能手機(jī)的耳機(jī)孔出發(fā)，根據(jù)市場的需求研究基于耳機(jī)孔的兩款智能外設(shè)，防跌倒檢測插件和Zigbee物聯(lián)插件，讓手機(jī)大數(shù)據(jù)生態(tài)圈的中心和爆發(fā)點(diǎn)。

2 耳麥孔的研究

耳麥孔作為我們我們最熟悉的智能手機(jī)外設(shè)接口，人們通常只關(guān)注到它的音樂功能和接聽功能。實(shí)際上耳機(jī)孔雖小，但它完全可以實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能，因?yàn)樗邆涮峁┙o外設(shè)能量和通信的能力。傳感器在有能量和通信的前提下，就可以實(shí)現(xiàn)我們所需的功能。由于智能手機(jī)的運(yùn)算處理能力越來越強(qiáng)，我們可以集成的插件越來越豐富，必將提升物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人們的生活品質(zhì)。

本文我們詳細(xì)的分析了耳機(jī)插孔中信號的協(xié)議以及能量的傳輸，設(shè)計一些硬件和軟件賦予這些外設(shè)生命力。耳機(jī)插孔中的通信協(xié)議比較簡單，信號傳輸速率為8.82kbps的曼徹斯特碼，提供7.4mW的工作電源。

2.1 耳麥孔功耗及協(xié)議研究

如圖1所示，耳麥有四個接口，1左耳麥信號接口，2右耳麥信號接口，3公共端，4麥克風(fēng)。

圖1 耳麥接口

1及2兩個接口共同的對地阻抗33歐姆，4接口的對地阻抗為640歐姆。耳麥提供的電壓通常比較低，低于晶體管的開啟電壓。為了能夠有更多的應(yīng)用場景，設(shè)計一個變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，變壓器的設(shè)計要具備較低的成本，良好的匹配效果，理想的轉(zhuǎn)換性能。

耳麥的傳輸功率通常為15.8mW，單個信號的傳輸功率為7.4mW，通信頻率為8.82kbps。因此外設(shè)的所采用的MCU要基于這兩個條件做開發(fā)。

圖2 耳機(jī)輸出電流電壓圖

首先我們的第一個設(shè)計目標(biāo)是低功耗，如圖2所示測試AC電流的波形，基于這個基本的參量找出其中的平衡點(diǎn)，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。

圖3 耳麥孔輸出匹配電路

2.2 基于耳麥孔的跌倒檢測插件

隨著老年人口數(shù)量的增加，中國社會提前進(jìn)入老齡化階段。在日常生活中，老年人跌倒的事件時有發(fā)生，由于親人和醫(yī)療機(jī)構(gòu)無法準(zhǔn)確的知道老年人跌倒的信息，包括位置信息和事件信息，延誤了搶救的時機(jī)，給家人和社會帶來了多種不幸。該外設(shè)基于耳麥插件上報的信息通過智能手機(jī)將老年人的位置狀態(tài)信息及時上報到云端，讓醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家人實(shí)時了解到老年人情況，具有實(shí)際應(yīng)用。

老年人跌倒會產(chǎn)生一個瞬時向下的加速度，如果把這個加速度量采集并進(jìn)行處理，并通過無線傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)云端上就能實(shí)現(xiàn)所期望的功能。

采用ADI公司的三向加速度傳感器ADXL346，正常工作時的功耗為0.05mW，具備超低功耗的性能。內(nèi)置10-bit位分辨率的ADC使得對跌倒模型有更準(zhǔn)確的判斷，以及32位的FIFO可以快速讀取數(shù)據(jù)。

ADXL346芯片通過一個三向加速度傳感器測量當(dāng)前狀態(tài)，傳感器的模擬量經(jīng)過ADC和低通濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，并通過IIC接口與MCU相連。整個芯片電路構(gòu)成一個負(fù)反饋系統(tǒng)用來修正當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)。

作為三向加速度傳感器，X,Y,Z三個方向上都可以從相應(yīng)的寄存器中讀取當(dāng)前狀態(tài)下的加速度量，并傳給MCU，MCU再把數(shù)據(jù)打包按照耳麥音頻協(xié)議發(fā)送給手機(jī)，手機(jī)端相應(yīng)的APP軟件會將當(dāng)前信息量通過無線信號（GSM/CDMA/LTE）傳輸?shù)皆贫恕?/p>

圖4 防跌倒插件硬件原理圖

3 Zigbee物聯(lián)網(wǎng)插件

隨著我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我們生活中的所有物體都可以通過傳感器將自身攜帶的信息并入互聯(lián)網(wǎng)中，成為云計算和大數(shù)據(jù)環(huán)境下的感知系統(tǒng)。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，家居系統(tǒng)的智能化需求越來越突出，智能手機(jī)作為個人的數(shù)據(jù)中心，物聯(lián)網(wǎng)插件則成為智能家居的感知系統(tǒng)。在目前通用的無線協(xié)議中，基于Zigbee協(xié)議下的無線設(shè)備具有功耗低，穿透能力強(qiáng)，協(xié)議棧開發(fā)簡易等優(yōu)勢。但目前智能手機(jī)并不提供基于Zigbee的模塊，所以開發(fā)低功耗的物聯(lián)網(wǎng)插件具有很好的市場前景。

3.1 Zigbee物聯(lián)網(wǎng)插件硬件設(shè)計

我們采用TI的CC2530芯片作為模塊的開發(fā)核心，該芯片封裝尺寸小6-mm*6-mm的QFN40封裝，可編程的輸出功率高達(dá)4.5dBm，超低功耗，在工作模式下工作電流僅為24mA，睡眠狀態(tài)下工作電流僅為0.4uA。超低功耗使我們選擇開發(fā)智能手機(jī)外設(shè)芯片的主要指標(biāo)。

ZigBee插件的硬件架構(gòu)：CC2530是基于IEEE802.15.4所開發(fā)的一個（SOC）片上系統(tǒng)。在2.4GHz公共波段實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能。該芯片集成了射頻前端收發(fā)系統(tǒng)和一個8051內(nèi)核，極大地增強(qiáng)了芯片的處理能力。2個可編程串口，用于SPI或UART數(shù)據(jù)傳輸；21個GPIO管腳，用于配置多種功能。這些功能足夠支持我們進(jìn)行低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。

圖6 CC2530硬件體系架構(gòu)

在基于CC2530設(shè)計的智能手機(jī)插件中，我們重點(diǎn)設(shè)計了2.4GHz的收發(fā)天線以及射頻前端的匹配電路，用HFSS建立模型，重點(diǎn)關(guān)注天線方向圖、阻抗特性、駐波比、天線增益、極化方向以及工作頻段。并將之前研究的耳機(jī)插孔供電變壓電路添加到插件電路中，對電源管理電路做了重新的規(guī)劃，讓整個插件在低功耗的情況下依然能夠運(yùn)行。

圖7 ZigBee插件硬件原理圖

如圖所示，基于CC2530開發(fā)的Zigbee插件，模塊上集成2.4GHz的無線收發(fā)天線和用于對接耳麥接口的變壓器電路。

圖8 ZigBee插件硬件PCB圖

圖9 ZigBee插件硬件實(shí)物圖

3.2 Zigbee物聯(lián)網(wǎng)插件組網(wǎng)流程

網(wǎng)絡(luò)配置方面，ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種類型的節(jié)點(diǎn):ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)以及ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)在IEEE802.15.4協(xié)議中稱作協(xié)調(diào)點(diǎn)，在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)，因此該節(jié)點(diǎn)的功能更加強(qiáng)大，是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)。它負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)?shù)谝粋€終端節(jié)點(diǎn)被激活后，首先對當(dāng)前信道進(jìn)行能量評估，以避免干擾信號進(jìn)入該通道，在眾多的信道中選擇一個最佳的信道，并確定自身的網(wǎng)絡(luò)地址，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?。?dāng)該信道工作穩(wěn)定以后，進(jìn)行同樣的工作選擇下一個終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)收到下一個終端節(jié)點(diǎn)發(fā)起的請求后，協(xié)調(diào)點(diǎn)分配給終端節(jié)點(diǎn)一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號，該終端節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)如要離開該網(wǎng)絡(luò)，即向網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送離開信號，應(yīng)答成功之后便可退出該網(wǎng)絡(luò)。

基于CC2530的ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)流程較為簡易，便于開發(fā)，而且成本低廉，因此適用于開發(fā)該類型的智能插件。

3.3 Zigbee物聯(lián)網(wǎng)插件通信軟件設(shè)計

作為一個完整的智能家居通信系統(tǒng)，在完成硬件設(shè)計的同時，需要配合相應(yīng)的軟件才能完成更多的系統(tǒng)功能。我們所采用的ZigBee/802.15.4協(xié)議棧為精簡版，該版本協(xié)議棧作為開源軟件適用于我們進(jìn)行二次開發(fā)以及對ZigBee有更深入的了解?；诰啺姹鹃_發(fā)的驅(qū)動和應(yīng)用系統(tǒng)具備與智能手機(jī)通訊以及良好的人機(jī)交互界面。軟件設(shè)計流程如圖10所示：

圖10 Zigbee插件組網(wǎng)設(shè)計

軟件開發(fā)環(huán)境：CC2530的軟件開發(fā)工具是IAR Embedded Workbench。該集成開發(fā)環(huán)境包含了嵌入式C/C++優(yōu)化編譯器，匯編器，編輯器和調(diào)試器，對軟件開發(fā)人員來說節(jié)省了很多開發(fā)時間和開發(fā)成本，可以根據(jù)芯片硬件的資源來規(guī)劃軟件設(shè)計，軟件的執(zhí)行效率更高同時也為二次開發(fā)留下了更多的空間。

如圖11所示，整個智能家居的核心是由一個通往互聯(lián)網(wǎng)接口的設(shè)備，目前最為方便的設(shè)備便是我們的智能手機(jī)。智能家居系統(tǒng)的軀干是由一些列具有特定功能的傳感器構(gòu)成，比如聲控，溫控傳感器，這些傳感器均可通過基于ZigBee的智能插件形成一個網(wǎng)絡(luò)。無論是防跌倒智能插件和物聯(lián)網(wǎng)插件，均可通過這些網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，再?jīng)過數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法提取有用的信息。消費(fèi)者將會以更快捷的方式和更經(jīng)濟(jì)的成本提升工作和生活的效率。

4 結(jié)束語

隨著國家大力推動智慧城市的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐步成為通信和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)最為活躍的領(lǐng)域。到2020年，物聯(lián)網(wǎng)所承載的數(shù)據(jù)量與目前電信業(yè)務(wù)通信的數(shù)據(jù)量之比將為10:1，物聯(lián)網(wǎng)市場的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到萬億規(guī)模。在這樣一個背景下本文所研究的內(nèi)容具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖11 智能家居系統(tǒng)

[1]智慧地球.IBM商業(yè)研究院.

[2]羨慧竹.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京工業(yè)大學(xué)2014

[3]胡國珍,王泉,魏旻.基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(5):25-28.

[4]段雨順.用于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)2009

[5]王坤.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)信息化應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2012,31(3): 234-236.

[6]李眾,王鵬澄,陸海空,等.基于ZigBee、以太網(wǎng)、WiFi技術(shù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].測控技術(shù),2015,34(3):97-100+104.

[7]林國柱,吳哲夫,許麗敏,等.基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)的語音監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電聲技術(shù),2014,38(1):79-81,84.

Application of Smart Phone Peripherals in Smart Home System

GUO Chu-bing
(The 20th Research Institute of CETC,Xi’an Shaanxi 710068,China)

The anti-fall detection plug-in and Zigbee objects-associated plug-in are designed based on smart phone headset interface,and a new field of smart phone peripheral extension is implemented.The analog signal generated from gravity acceleration module is sent to the smart phone by using headset audio channel,and the fall detection behavior can be checked and positioned by using corresponding APP.Zigbee Internet of Things plug-in based on CC2530 can be used to implement a network of indoor control terminal and smart phone,which is connected with Internet through corresponding APP software.The Internet of Things and Internet can form a large closed loop system to promote the application of Internet of Things in smart home system.

smart phone peripherals;smart home;Internet of Things

TP311.1

A

1008-1739（2015）10-56-4

定稿日期：2015-04-26