制作智能Zigbee连接的家庭传感器集线器

描述

最初，我想通过 Zigbee 设备从 Thunderboard 收集温度和湿度数据来监控另一个房间的环境。我需要一个屏幕来显示传感器数据，但我不想使用开发板，所以我决定设计一个漂亮的外壳，创造一个精致的产品。

在考虑了各种外壳之后，我决定为床头柜或书桌设计一个精美的时钟状木制设备，它可以用作智能闹钟并显示传感器数据。设计如下图所示。

该设备将显示一天中的时间，但也能够根据需要显示温度或湿度。我还想添加一些有趣和实用的功能。该设备需要连接到云端，这意味着我需要添加一个 Wi-Fi 模块。我希望时钟具有天气预报接收能力、广播和警报功能，因此需要一个扬声器。

下面的家居传感器集线器组件结构图就是基于这些必需的功能，我决定将这个互联家居传感器集线器称为“iBox”。

外壳

虽然塑料和 3D 打印技术可以轻松制作出精确且廉价的外壳，但它们无法产生我所追求的精美美学，因此我决定使用实木并开始设计尺寸图形和 3D 模块图形。

尺寸图的绿色部分是PCB的尺寸。木方前面板上的孔是为7段数码管预留的，如下图。

接下来，粘贴一个类似纹理的薄木皮以覆盖 7 段 LED 数码管。这使该设备具有实木立方体的外观。

处理器

我决定使用 EFR32MG12P433F1024GM68 作为 iBox 的处理器。它是一款支持 ZigBee 协议的 2.4 GHz 无线 SoC。它具有 1024 kB 闪存和 256 kB RAM，足以运行多个任务并支持存储的 OTA 固件。

显示和用户交互

iBox的显示屏使用了三种不同的段式LED数码管。

我将显示区域分成三个部分。Main LED 用于显示主要值，例如时间、传感器值等。辅助 LED 用于显示一些附加信息，例如时间的秒值、传感器索引、网络状态等。电池 LED 用于显示电池电容器上的电量。三个按钮用于用户交互。

无线上网

为了简化 Wi-Fi 开发，Silicon Labs WGM160P Wi-Fi 模块用于 NCP。需要编写一个程序来通过 UART 向 WGM160P 发送或接收 TCP 包。套接字接口和驱动程序可以忽略。

WGM160P 支持 AP（接入点）模式和站模式。

· AP 模式：iBox 充当 Wi-Fi 热点，其他 Wi-Fi 设备可以连接到该热点。请注意，iBox 工作在 AP 模式，不提供任何互联网接入；它只是提供了一种在配置过程中进行设置的方法。

· 站模式：iBox 充当普通的 Wi-Fi 设备，就像您的手机、笔记本电脑或平板电脑一样。

声音的

XFS5152CE是科大讯飞著名的音频处理器芯片。它可以接收格式化的字符代码并将其转换为模拟语音信号。它支持中文和英文。

印刷电路板

电池

我用了两节锂电池；总电容高达 6400 mAh。iBox 充满电后可工作 8 小时以上。

软件和功能

RTOS 是软件开发所必需的，因为我需要运行多个任务来支持不同的功能，例如 LED 显示屏、Wi-Fi 连接、Zigbee 连接支持等。我计划使用 Micrium OS 并实现 ZigBee 应用程序和其他任务。

按钮使用

网络连接

如果 iBox 是第一次开机，它应该连接到可用的 Wi-Fi 热点。iBox 将进入 AP 模式，可在其中配置选择 Wi-Fi 热点。

· AP模式当iBox首次上电，或长按3号按钮5秒以上后，将进入AP模式，可以配置一个有用的Wi-Fi热点。

·连接iBox iBox进入AP模式后，可使用智能手机连接并浏览网页（也可使用笔记本电脑）。默认 Wi-Fi SSID 为 gecko_os-XXX，密码为“password”。当 iBox 进入 AP 模式时，主 LED 会显示“PP”，表示它处于 AP 模式。

·选择 Wi-Fi 热点连接 iBox 后，访问http://setup.comf或可用 Wi-Fi 接入点列表。

如果用户未进行任何网络连接配置，设备将在 5 分钟后自动退出 AP 模式。

网络状态

断网时会播报“断网”，副LED显示“—”。“断网”表示两种可能的状态：

· iBox 与 Wi-Fi 热点断开连接。

· iBox 已连接到 Wi-Fi 热点，但无法访问互联网。

时区和语言

易宝盒子在连接互联网时可以根据IP地址自动配置时区和语言。默认时区是奥斯汀，默认语言是英语。

时间显示

易宝盒子会根据 IP 地址自动配置时区并显示当地时间。使用按钮 2 使 iBox 在其他模式下返回时间显示模式。

Zigbee 终端设备连接

我们将Thunderboard Sense 2编程为作为外部传感器节点进行环境温度测量，这些传感器节点通过 Zigbee Mesh 网络将测量的传感器数据报告给 iBox。以下是如何设置传感器节点并将其加入网状网络的过程。

按住 iBox 的 Button 2 至少 3 秒将强制它打开网络加入，并有声音提醒您 iBox 开始发现新设备。您必须在 30 秒内连接传感器。之后，iBox 将关闭 Zigbee 网络。

传感器显示

短按按钮1，传感器的数据将显示在主LED中，传感器ID将显示在辅助LED中。继续点击按钮 1 将在所有 Zigbee 传感器之间切换数据。Sensor ID 00 为 iBox 保留，其他值由 Zigbee 终端设备使用。目前它只支持温度传感器和湿度传感器，我们打算很快增加更多的传感器，比如光、窗帘等，这样你就可以通过iBox控制它。为了区分不同的传感器类型，mainLED 会显示不同的格式。

温度显示

格式：XX.X'C传感器 ID 0 的温度代表易宝盒的内部温度，而不是室温。

湿度显示

格式：XX'H

时间广播和健康提示

易宝盒子会在一个小时后报时提醒你休息，从而成为提醒你健康的智能助手。

天气广播和预报

如果设备受到震动或敲击，易宝盒子会播报当日、次日和本周的天气预报。

新闻助理

此功能仅适用于中国。当您摇晃或敲击设备时，它可能会播报天气预报或时事新闻。

活动提醒

易宝盒提供闹钟功能，您可以在特定时间设置提醒。为了使用这个功能，我使用了一个云服务器（silabs-iot.com）来开发一个http web server。您需要在 silabs-iot.com 中添加提醒。下面列出了详细的步骤。

1. 在 silabs-iot.com/signup 申请账户

2.绑定你的iBox（你可以在iBox后面找到MAC地址）

3.添加提醒易宝箱

在 silabs-iot 中成功添加提醒后，iBox 应在 1 分钟内播放“收到提醒”。

收费

电池充电时电池 LED 会闪烁，充满或未充电时会停止闪烁。电池 LED 指示当前功率级别的容量。LED灯条的数量越多，电池容量越大。请记住在有一个 LED 灯条时充电，充满时断开充电器以保护电池。请注意，易宝盒会在电池充满时提醒您断开充电器。必须断开充电器。为保护电池，不要只关闭易宝盒的电源，即使它已关闭，它仍会继续充电。下图显示了充电。

低电量

当电池电容低时，易宝阀芯将关闭除电量 LED 外的所有 LED。要打开 LED，请单击按钮 2 或按钮 1。

固件升级

每当我修复错误或添加新功能时，我都会将更新的固件放在云服务器中。如果设备在云服务器中发现新固件，设备将更新固件。下载较新的固件时，易宝盒上的辅助 LED 将闪烁。完整的下载将持续大约 5 到 15 分钟。

欢迎

iBox 仍在开发中，我们希望添加更多传感器类型和更多功能。我们欢迎您对新功能提出建议。