智能手机外设在智能家居系统中的应用

郭褚冰

（中国电子科技集团公司第20研究所，陕西西安 710068）

智能手机外设在智能家居系统中的应用

郭褚冰

（中国电子科技集团公司第20研究所，陕西西安 710068）

基于智能手机耳麦接口设计了防跌倒检测插件和Zigbee物联插件，实现了智能手机外设扩展的新领域。通过重力加速度模块产生的模拟信号量以耳麦音频的方式传输至智能手机，通过相应的APP可以对跌倒行为进行定位。基于CC2530的Zigbee物联网插件可以将室内控制终端与智能手机组网，并通过相应的APP软件与互联网进行对接，使物联网与互联网形成一个大的闭环系统，推进物联网在智能家居系统的应用。

手机外设智能家居物联网

1 引言

随着智能手机的快速发展，低成本高价格的智能手机成为人们生活中的必需品。作为互联网的入口，并且与物联网的融合正在加速，同时与云计算大数据相结合是未来科技发展的趋势。本文从智能手机的耳机孔出发，根据市场的需求研究基于耳机孔的两款智能外设，防跌倒检测插件和Zigbee物联插件，让手机大数据生态圈的中心和爆发点。

2 耳麦孔的研究

耳麦孔作为我们我们最熟悉的智能手机外设接口，人们通常只关注到它的音乐功能和接听功能。实际上耳机孔虽小，但它完全可以实现一些复杂的功能，因为它具备提供给外设能量和通信的能力。传感器在有能量和通信的前提下，就可以实现我们所需的功能。由于智能手机的运算处理能力越来越强，我们可以集成的插件越来越丰富，必将提升物联网和互联网的产业发展和人们的生活品质。

本文我们详细的分析了耳机插孔中信号的协议以及能量的传输，设计一些硬件和软件赋予这些外设生命力。耳机插孔中的通信协议比较简单，信号传输速率为8.82kbps的曼彻斯特码，提供7.4mW的工作电源。

2.1 耳麦孔功耗及协议研究

如图1所示，耳麦有四个接口，1左耳麦信号接口，2右耳麦信号接口，3公共端，4麦克风。

图1 耳麦接口

1及2两个接口共同的对地阻抗33欧姆，4接口的对地阻抗为640欧姆。耳麦提供的电压通常比较低，低于晶体管的开启电压。为了能够有更多的应用场景，设计一个变压器来实现电压的转换，变压器的设计要具备较低的成本，良好的匹配效果，理想的转换性能。

耳麦的传输功率通常为15.8mW，单个信号的传输功率为7.4mW，通信频率为8.82kbps。因此外设的所采用的MCU要基于这两个条件做开发。

图2 耳机输出电流电压图

首先我们的第一个设计目标是低功耗，如图2所示测试AC电流的波形，基于这个基本的参量找出其中的平衡点，设计转换电路，如图3所示。

图3 耳麦孔输出匹配电路

2.2 基于耳麦孔的跌倒检测插件

随着老年人口数量的增加，中国社会提前进入老龄化阶段。在日常生活中，老年人跌倒的事件时有发生，由于亲人和医疗机构无法准确的知道老年人跌倒的信息，包括位置信息和事件信息，延误了抢救的时机，给家人和社会带来了多种不幸。该外设基于耳麦插件上报的信息通过智能手机将老年人的位置状态信息及时上报到云端，让医疗机构和家人实时了解到老年人情况，具有实际应用。

老年人跌倒会产生一个瞬时向下的加速度，如果把这个加速度量采集并进行处理，并通过无线传输到互联网云端上就能实现所期望的功能。

采用ADI公司的三向加速度传感器ADXL346，正常工作时的功耗为0.05mW，具备超低功耗的性能。内置10-bit位分辨率的ADC使得对跌倒模型有更准确的判断，以及32位的FIFO可以快速读取数据。

ADXL346芯片通过一个三向加速度传感器测量当前状态，传感器的模拟量经过ADC和低通滤波器转换为数字量信号，并通过IIC接口与MCU相连。整个芯片电路构成一个负反馈系统用来修正当前采集的数据。

作为三向加速度传感器，X,Y,Z三个方向上都可以从相应的寄存器中读取当前状态下的加速度量，并传给MCU，MCU再把数据打包按照耳麦音频协议发送给手机，手机端相应的APP软件会将当前信息量通过无线信号（GSM/CDMA/LTE）传输到云端。

图4 防跌倒插件硬件原理图

3 Zigbee物联网插件

随着我国物联网产业的快速发展，我们生活中的所有物体都可以通过传感器将自身携带的信息并入互联网中，成为云计算和大数据环境下的感知系统。在我们日常生活中，家居系统的智能化需求越来越突出，智能手机作为个人的数据中心，物联网插件则成为智能家居的感知系统。在目前通用的无线协议中，基于Zigbee协议下的无线设备具有功耗低，穿透能力强，协议栈开发简易等优势。但目前智能手机并不提供基于Zigbee的模块，所以开发低功耗的物联网插件具有很好的市场前景。

3.1 Zigbee物联网插件硬件设计

我们采用TI的CC2530芯片作为模块的开发核心，该芯片封装尺寸小6-mm*6-mm的QFN40封装，可编程的输出功率高达4.5dBm，超低功耗，在工作模式下工作电流仅为24mA，睡眠状态下工作电流仅为0.4uA。超低功耗使我们选择开发智能手机外设芯片的主要指标。

ZigBee插件的硬件架构：CC2530是基于IEEE802.15.4所开发的一个（SOC）片上系统。在2.4GHz公共波段实现组网功能。该芯片集成了射频前端收发系统和一个8051内核，极大地增强了芯片的处理能力。2个可编程串口，用于SPI或UART数据传输；21个GPIO管脚，用于配置多种功能。这些功能足够支持我们进行低功耗无线传感网络的开发。

图6 CC2530硬件体系架构

在基于CC2530设计的智能手机插件中，我们重点设计了2.4GHz的收发天线以及射频前端的匹配电路，用HFSS建立模型，重点关注天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向以及工作频段。并将之前研究的耳机插孔供电变压电路添加到插件电路中，对电源管理电路做了重新的规划，让整个插件在低功耗的情况下依然能够运行。

图7 ZigBee插件硬件原理图

如图所示，基于CC2530开发的Zigbee插件，模块上集成2.4GHz的无线收发天线和用于对接耳麦接口的变压器电路。

图8 ZigBee插件硬件PCB图

图9 ZigBee插件硬件实物图

3.2 Zigbee物联网插件组网流程

网络配置方面，ZigBee网络有3种类型的节点:ZigBee协调点、ZigBee路由节点以及ZigBee终端节点。

ZigBee协调点在IEEE802.15.4协议中称作协调点，在一个ZigBee网络中只有一个ZigBee协调点，因此该节点的功能更加强大，是整个网络的主控节点。它负责建立新的网络，设定网络参数，进行数据转发。当第一个终端节点被激活后，首先对当前信道进行能量评估，以避免干扰信号进入该通道，在众多的信道中选择一个最佳的信道，并确定自身的网络地址，建立网络拓扑等。当该信道工作稳定以后，进行同样的工作选择下一个终端节点进行网络连接。当收到下一个终端节点发起的请求后，协调点分配给终端节点一个网络标号，该终端节点加入该网络。网络中的终端节点如要离开该网络，即向网络中的协调节点发送离开信号，应答成功之后便可退出该网络。

基于CC2530的ZigBee技术的组网流程较为简易，便于开发，而且成本低廉，因此适用于开发该类型的智能插件。

3.3 Zigbee物联网插件通信软件设计

作为一个完整的智能家居通信系统，在完成硬件设计的同时，需要配合相应的软件才能完成更多的系统功能。我们所采用的ZigBee/802.15.4协议栈为精简版，该版本协议栈作为开源软件适用于我们进行二次开发以及对ZigBee有更深入的了解。基于精简版本开发的驱动和应用系统具备与智能手机通讯以及良好的人机交互界面。软件设计流程如图10所示：

图10 Zigbee插件组网设计

软件开发环境：CC2530的软件开发工具是IAR Embedded Workbench。该集成开发环境包含了嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，编辑器和调试器，对软件开发人员来说节省了很多开发时间和开发成本，可以根据芯片硬件的资源来规划软件设计，软件的执行效率更高同时也为二次开发留下了更多的空间。

如图11所示，整个智能家居的核心是由一个通往互联网接口的设备，目前最为方便的设备便是我们的智能手机。智能家居系统的躯干是由一些列具有特定功能的传感器构成，比如声控，温控传感器，这些传感器均可通过基于ZigBee的智能插件形成一个网络。无论是防跌倒智能插件和物联网插件，均可通过这些网络将数据传输到云端，再经过数据挖掘和机器学习的方法提取有用的信息。消费者将会以更快捷的方式和更经济的成本提升工作和生活的效率。

4 结束语

随着国家大力推动智慧城市的发展，物联网逐步成为通信和互联网行业最为活跃的领域。到2020年，物联网所承载的数据量与目前电信业务通信的数据量之比将为10:1，物联网市场的产业规模将达到万亿规模。在这样一个背景下本文所研究的内容具有非常大的现实意义。

图11 智能家居系统

[1]智慧地球.IBM商业研究院.

[2]羡慧竹.基于物联网的智能网关系统研究与实现[D].北京工业大学2014

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[5]王坤.物联网技术信息化应用[J].煤炭技术,2012,31(3): 234-236.

[6]李众,王鹏澄,陆海空,等.基于ZigBee、以太网、WiFi技术的网关设计[J].测控技术,2015,34(3):97-100+104.

[7]林国柱,吴哲夫,许丽敏,等.基于物联网网关技术的语音监控系统设计[J].电声技术,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