基于众创模式和ZigBee的智能插座设计

刘政源，陈晓航

（武汉商学院机电工程与汽车服务学院，湖北武汉430056）

基于众创模式和ZigBee的智能插座设计

刘政源，陈晓航

（武汉商学院机电工程与汽车服务学院，湖北武汉430056）

智能家居是物联网的主要应用之一，它将实现家居的智能化和信息化。智能插座是智能家居的重要组成部分，它具有智能控制、本地检测等多种功能。本文首先分析了当下最为主流创新模式——众创模式以及在智能家居领域中广泛应用的ZigBee无线技术，其次在通过对众创模式的实践分析确定了智能插座功能的基础上，研究了ZigBee无线技术在其中的应用，最后对智能插座进行全方位设计，使其功能完全实现。

众创、智能家居、ZigBee、智能插座

引言

物联网是基于互联网所拓展的网络，被誉为继计算机、互联网之后世界信息技术的第三次革命。物联网通过红外线感应、定位系统、激光扫描等信息传感设备把物品和互联网进行连接，从而便于信息的通信和交流。智能家居是物联网的主要应用之一，它利用其相关技术将生活中的家居进行模块化、简单化，构建了高效的管理系统，这样就使得家居的可靠性、便利性和舒适性都得到了极大地提高，同时实现了绿色低碳的居住环境。

本文从主要功能和硬件设计两方面对一种智能插座进行介绍，而智能插座决定了智能家居管理系统的成败。通过众创模式确定智能插座的多种功能，让智能插座与单一功能的传统插座有所区别。通信技术是智能插座硬件设计的关键，采用ZigBee无线技术，保证整个智能插座系统通信的高效、稳定。

1　众创模式的概念、特征及分类

1.1众创的概念

本文提到的众创是来自Dahlander对开放式创新核心过程的界定：众创指的是基于现代互联网的发展前提下，一方面由热爱创新的大众为代表的创新者在由企业搭建的或者自发形成的互联网平台之下实施创新活动并且通过互联网进行创新成果的展示或出售；另一方面由其他企业或个人为代表的需求者通过互联网搜索和获取创新成果并加以利用的一种新型创新模式［1］（见图1）。

图1　众创模式

1.2众创的特征

与一般的合作创新对比，众创具有其独有的特点（见下页表1）。主要体现在以下三点。

1）众创具有可参与式的特点。与一般的合作创新团队相比，众创的主体是大众群体，而不是公司、学校等集体组织，所以降低了个人创业的门槛。众创往往是基于兴趣爱好，或者是简单的利益关系而联合起来的微弱关系，相互比较独立和轻松。在此情况下，人人都可以参与进来，众创的范围和规模会大大增加，相互之间的变动性和协调性得到了均衡。

2）众创模式以互联网为载体。随着计算机技术与通信技术的不断发展，互联网产业滋生兴起并迅速发展开来，传统行业面临着巨大的变革。现有知识的获取，信息的共享，沟通和交流，商业化的发展都是基于互联网发展的。在计划实施的过程中，互联网可以实时监控和反馈，创新者也可以和外界很好的交流和合作。在成果展示和经验交流的时候，互联网也提供了广阔的市场和众多的平台。

3）众创降低了传统创新模式下的研发成本和风险，提高了创新的效率。众创模式下的创新是充分发挥个人的创新能力，不再受到束缚和质疑，所以要利用个人创新的成果，加以复制和传播，人人都可以提高效率，从而获得成功。而这些都是有成功的先例，又是在企业外部进行的，所以企业不必承担创业失败和投入失误的风险［2］。

表1　众创与一般合作创新的对比

1.3众创的分类

众创分为企业主导式众创和大众主导式众创两大类［2］（见表2）。

1）企业主导式众创：在企业具有明确地创新需求的情况下，有意识地利用大众智慧，而大众通过分辨机会也加入到此次创新过程中。这种模式下，企业是创新的提倡者和主导者，根据古话“众人拾柴火焰高”这种逻辑思维的引导之下，主动通过互联网科技来号召大众去完成创新。大众是创新的参与者，也是最终的受益者，根据网络平台提供的创新机会适当的选择内容进行创新，与企业达成共赢。

2）大众主导式众创：在企业没有明确地创新需求的情况下，大众通过互联网主动获取创新机会，从而进行创新过程使产品商业化。这种模式下，企业并没有明确创新目标，而是使大众以自身的兴趣为目标导向，充分利用自身的优点和条件资源，进行即兴创作和自主创新形成最终创意，进而把产品市场化。

2　ZigBee技术介绍及应用

2.1ZigBee技术特点

ZigBee（又称紫峰协议）是以IEEE802.15.4为标准的低功耗局域网协议。这一名称又称紫蜂协议，来源于蜜蜂所跳的ZigZag形状的八字舞蹈，蜜蜂（bee）是靠这种舞蹈来向蜂群指引发现食物源的位置，方向和距离等信息。这也就是蜜蜂在自然中赖以生存和发展的通信交流方式，从而构成了群体中的通信网络。ZigBee主要适合于自动控制和远程控制领域，可嵌入各类设备之中。简而言之，ZigBee就是一种较其它几种常用无线传输方式更便宜，更省电的近距离无线组网通信技术（见表3）［5］。

表2　众创的分类

表3　无线传输方式的比较

ZigBee无线技术具有以下技术特点。

1）低功耗。待机功耗极低，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月。这是ZigBee的突出优势。

2）低成本。通过简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，并且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为12元。

3）近距离。传输范围在10～100 m间，在增加其发射功率后，亦可增加至1～3 km。如果通过路由和节点进行桥接，传输距离更远。

4）短时延。响应速度较快，在15 ms到30 ms之间。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

5）高安全。提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单以及高级加密标准对称密码，可灵活确定其安全属性。

2.2ZigBee在智能家居中的应用

1）控制功能。对家庭照明、供热及空调系统进行智能管理，并能通过自动控制家居系统降低能耗，提高便利性和安全性。

2）节能。可获取详细的能耗数据，并通过嵌入式智能化装置进行能耗优化。

3）便利性。支持无线安装和升级，组成家具控制系统，可通过单一控制系统实现多系统远程管理。

4）安全性。通过无线传感器监控各种环境参数，可实现自动监控和异常报警［6］。

图2　ZigBee在智能家居中的应用

3　智能插座的设计

3.1众创模式下智能插座功能的确定

采用企业主导式众创，首先基于市场需求，确定多功能多用途的智能插座为创新目标，然后将设计和研发过程中所面临的难点分解成模块化的创新需求，进而通过互联网这一平台寻求大众创新者的合作和参与，最终确定了智能插座的以下几个功能。

1）防干涉功能：通过对智能插座的结构进行优化，防止插头相互干涉。

2）USB充电功能：在智能插座上设置USB接口，避免电源适配器占用插孔的情况发生。

3）无线路由器功能：提供无线网络的连接，同时处理数据。

4）家庭环境数据监测功能：在不影响插座常规使用的前提下，通过相对应的传感器实时监测房屋中的温湿度、光照强度、烟雾浓度等数据。

3.2ZigBee模块设计

为保证成本较低，开发方法灵活。选用了Freescale公司的MC13192芯片，其符合IEEE802.15.4标准，它的工作频率为2.405～2.480GHz，数据传输速率为250kbit/s，采用O-QPSK调试方式，芯片采用可编程功率输出模式，发送功率0～4 d Bm，接收灵敏度～92dBm，传输距离可达30～70m［7］。

3.3智能插座硬件设计

智能插座的设计框图如图3所示，主体部分实现插座、USB充电以及无线路由功能，通过各类传感器收集数据的家庭助手，将数据通过ZigBee无线网络传输至智能插座主体。智能插座主体内的无线路由模块对数据进行分析后将其同步到Internet网，无论使用者在任何场合，只要将手机连接到Internet网，便能通过手机软件查看家庭环境数据。

图3　智能插座设计框图

智能插座的主体分为三个模块，四个家庭助手代表四种传感器模块，外观如图4所示。

1）主体上部模块：结合了中国天圆地方的理念和古埃及金字塔的形状，在顶端做圆角处理，而金字塔式的形状让它拥有四个侧面，每个侧面有一个新国标五号插孔，避免了插孔之间的相互干扰。另根据人机工程学，该坡度的斜面可让插头更为方便插入（见图5）。

图4　智能插座整体

图5　主体上部模块

2）主体中部模块：内设路由器WiFi模块，支持AP、STA、AP+STA共存模式，具有完善简洁高效的AT指令，用来实现局域网内手机软件与个传感器之间的数据传输。既提供无线网络连接，又作为接受传感器数据的总站。棱角处设有四个USB插孔，电流强度分别为1 A、1 A、2 A、2 A，为不同型号的手机充电（见下页图6）。

3）主体底部模块：设有整个主体的开关，壳体加厚的设计使得底部结构更加稳定（见图7）。

图6　主体中部模块

图7　主体下部模块

4）人体红外线感应灯模块：人体红外线感应器（见图8）采用蜂窝型菲涅尔透镜，BIS0001专业人体热释电红外处理芯片。同时感应器可以感应人体的活动，使用者还可以根据使用者的需求调节感应的范围和灯亮的时间，感应器上的光控开关可以让使用者在白天不会触发红外开关，感应器的容错性极高。

5）天然气报警模块：天然气传感器（见图9）可以灵敏的捕捉到厨房内天然气和煤气的浓度，模拟量输出的电压，浓度越高电压越高，一但气体的浓度偏高，使用者的手机就能收到来自家庭助手的警报电话，最大限度的防止危险的发生。

图8　人体红外线感应器

图9　天然气传感器

6）温湿度监控模块：温湿度传感器（见图10）是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。此模块可以帮助使用者了解室内的温度及湿度，当使用者使用空调和暖气的时候，温湿度就可以帮助使用者判断是否需要加湿器工作让使用者所处的环境更加舒适。

7）光线强度监控模块：光线强度传感器（见图11）是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路利用它的高分辨率来捕捉太阳光线，使用者看到手机软件上的健康提示，适合外出运动或者提前做好防晒准备，有利于身心健康。

图10　温湿度感应器

图11　光线强度传感器

4　结论与展望

本文在前人研究的基础上，提出用新的创新模式确定产品的功能及用途，用成熟的技术使功能得以完美实现，最终完成整个产品设计，即“新模式—稳技术—好产品”模式。

“众创”是一种新的创新模式，是新时代创新模式的趋势。新的创新模式让产品人性化、多样化，成熟的技术保证产品稳定、可靠。“新模式—稳技术—好产品”模式将会成为未来产品设计的趋势。

［1］Dahlander L，Gann D M.Howopen is innovation？［J］.Research Policy，2010，39（6）:699-709.

［2］刘志迎，陈青祥，徐毅.众创的概念模型及其理论解析［J］.科学学与科学技术管理.2015（2）:56-57.

［3］Surowiecki J.The Wisdom of Crowds:Why the Manyare Smarter than the fewand HowCollective Wis-domShapes Business［M］.NewYork: KnopfDouble-dayPublishingGroup，2004.

［4］Le Q，Panchal J H.Modeling the effect of product ar-chitecture on mass-collaborative processes［J］.Journal of Computing and Information Science in Enginee-ring，2011，11（1）:1-13.

［5］李毅.基于无线ZigBee网络技术的用电需求侧全面监测［J］.四川电力技术，2010，33（2）：80-82.

［6］江修波.ZigBee技术及其应用［J］.低压电器，2005（7）:13-14.

［7］徐伟，姜元建，王斌.ZigBee技术在智能插座设计中的应用［J］.电力系统通信，2011（3）:32-34.

［8］徐伟，姜元建，王斌.智能插座在智能家居系统中的设计和应用［J］.中国仪器仪表，2010（10）:61-62.

［9］项粤生，高瑞霞，邬杨波，谢建军.基于单片机的智能插座的设计与实现［J］.工业控制计算机，2012（9）:17-18.

［10］王佑镁.发现创客:新工业革命视野下的教育新生态［J］.开放教育研究，2015（5）:27-29.

（编辑：刘楠）

Smart Socket Design Based on Public Record and Zigbee

Liu Zhengyuan，Chen Xiaohang
（Wuhan Business University，Wuhan Hubei 430056）

Intelligent Home Furnishingis one ofthe main applications ofthe Internet ofthings，it will realize the intelligence and information Home Furnishing.Smart socket is an important part of the intelligent Home Furnishing，it has many functions of intelligent control，local detection etc.This paper first analyzes the at present most mainstreaminnovation mode--public record mode and widelyused in the field of intelligent homewirelesstechnologyZigBee，secondlythroughtoallapracticeanalysisidentifiedbasedonintelligentsocketfunctiontostudythe applicationofZigBeewirelesstechnologyinthe，finallycarriesonthedesignofafullrangeofintelligentsocket，theapplicationisfullyfunctional.

public record；smart home；ZigBee；smart socket

TM503.5

A

2095-0748（2016）13-0117-04

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.13.47

2016-05-25

刘政源（1994—），男，本科，毕业于武汉商学院。通讯作者：陈晓航（1986—），男，硕士，现就职于武汉商学院，助教。