基于嵌入式及ZigBee技術(shù)的居室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

殷松遷，郭培源，王建華

（北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京100048）

居室環(huán)境的質(zhì)量直接關(guān)系到人們的身心健康。但是傳統(tǒng)的居室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大都是有線通信方式，并且使用PC機作為家庭的網(wǎng)關(guān)，這樣的系統(tǒng)存在布線麻煩、可擴展性差、移動性差的缺點。為此，本文設(shè)計了一套可移動的無線智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[1]，專門用于精確檢測居室環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)可以在線檢測居室溫度、濕度、光強度、煙霧濃度、煤氣含量、CO2濃度等數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)融合，使用模糊算法處理，在界面上顯示各個檢測量超標(biāo)報警、人居舒適度等日常生活信息。給用戶直觀參考，為人們居室健康服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作流程

1.1 總體設(shè)計

為了提高傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和流動性，使智能家居更加模塊化，在本系統(tǒng)設(shè)計中，家庭內(nèi)部通信采用無線通信方式。系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)手持可移動，配置精簡Linux操作系統(tǒng)，改變以前網(wǎng)關(guān)附加程序較多、反應(yīng)慢的問題。此外，系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)附帶有QT界面系統(tǒng)，可以讓人們更好、更快、更直觀地得到居室的環(huán)境信息，方便人們的生活。

系統(tǒng)包含家庭網(wǎng)關(guān)模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、ZigBee終端模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊等，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中網(wǎng)關(guān)以S3C2440作為硬件基礎(chǔ)，配置Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)配置以太網(wǎng)接口和Web服務(wù)器[2]，實現(xiàn)家庭外部Internet通信，使用戶可以對家庭環(huán)境信息遠程監(jiān)控；通過ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee終端模塊的無線通信，組成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信，以此實現(xiàn)傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 系統(tǒng)工作流程

首先由帶有ZigBee終端模塊的傳感器數(shù)據(jù)采集模塊采集居室環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，通過ZigBee協(xié)調(diào)器模塊傳給具有操作系統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)[3]；網(wǎng)關(guān)對采集的傳感器數(shù)據(jù)進行協(xié)議分析處理、數(shù)據(jù)融合和模糊處理等處理后，將數(shù)據(jù)信息表現(xiàn)成日常生活中的語言（例如溫濕度是否舒適等），顯示到QT的界面系統(tǒng)中。此外，用戶也可以通過Internet遠程訪問了解家庭居室的環(huán)境信息。

2 系統(tǒng)軟硬件平臺設(shè)計

2.1 網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，硬件設(shè)計主要有網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計和數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)[4]示意圖如圖2所示。

網(wǎng)關(guān)模塊控制器核心采用ARM920T內(nèi)核的S3C2440，它是一款三星公司推出的16/32 bit RISC微處理器，具有加強的ARM體系結(jié)構(gòu)，MMU支持WinCE、EPOC 32和Linux操作系統(tǒng)，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

利用S3C2440的UART1連接ZigBee協(xié)調(diào)器通信模塊[5]。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊采用德州儀器公司的CC2530芯片，CC2530已經(jīng)在內(nèi)部固化了ZigBee協(xié)議棧的PHY和MAC層，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，只需配置簡單的外圍設(shè)備就可以組成協(xié)調(diào)器的收發(fā)模塊，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

以太網(wǎng)模塊采用DM9000芯片，它是單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器，含有1個一般處理接口以及1個10/100 M自適應(yīng)的PHY和4KB DWORD值的SRAM。

存儲模塊選用K9F1216U0A(128 MB)作為系統(tǒng)的Nand Flash，AM29LV160DB 作 為 Nor Flash(2 MB)，HY57V56-1620FTP-H作為 SDROM(256 MB)。

LCD顯示模塊選用群創(chuàng)的50P液晶觸摸屏，音頻及視頻模塊則采用UDA1341TS芯片。此外，系統(tǒng)硬件模塊還包括GPIO等其他接口模塊。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集應(yīng)用傳感器采集居室環(huán)境待測參數(shù)，居室環(huán)境信息包括居室的溫度、濕度、光照度、煙霧濃度、煤氣含量、CO2濃度等[6]。數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集模塊控制核心和ZigBee終端同時選用帶有ZigBee功能的CC2530無線通信芯片。CC2530不僅可以組成協(xié)調(diào)器的收發(fā)模塊，其內(nèi)部還包含業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用CC2530負(fù)責(zé)傳感器的數(shù)據(jù)采集和對數(shù)據(jù)的初步處理。

測溫傳感器選用通信方式是單總線的芯片DS18B20，該芯片內(nèi)部主要有溫度傳感器、64 bit的ROM存儲器、非揮發(fā)溫度報警觸發(fā)單元以及一個配置寄存器，有較高的測量精度和抗干擾能力。

濕度傳感器則選用IH3605。IH3605輸出電壓是供電電壓、溫度和濕度的函數(shù)，其輸出的電壓隨著其供電電壓的升高而升高。實際應(yīng)用中，可以通過式（1）計算出25℃時的濕度值 RH25：

其中，VO是IH3605的輸出電壓，VI是其供電電壓。在溫度T（℃）時的相對濕度RH計算公式如下：

CO2傳感器選用 MG811。MG811對 CO2有良好的敏感度和選擇性，受溫度和濕度影響較小，具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。設(shè)計外電路給元件提供加熱電壓，當(dāng)其表面溫度足夠高時，元件相當(dāng)于一個電池，其兩端會輸出一電壓信號，其值符合能斯特方程。

煤氣傳感器選用MQ-5。MQ-5在不同的煤氣濃度下，其電阻值會隨著濃度的變化而呈現(xiàn)出近似線性的變化，最終表現(xiàn)為其兩端電壓值的線性變化。

煙霧傳感器選用MQ-2，其工作原理類似MQ-5。

光線傳感器選用光敏電阻P1201-04，其兩端電壓會隨著光線的亮暗而產(chǎn)生近似線性的變化。

此外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計中還加入了一個時鐘芯片DS1302，以減免設(shè)置主機的中斷查詢工作，并且可以準(zhǔn)確記錄所采樣數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時間。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件開發(fā)平臺采用的是Fedroa10的宿主機環(huán)境，利用gcc cross_compile 4.4.3的交叉編譯器進行對ARM平臺的開發(fā)。選擇Linux 2.6.30內(nèi)核的操作系統(tǒng)，并且在配置內(nèi)核時選擇針對S3C2440的版本，利用Busybox制作yaffs2格式的文件系統(tǒng)[7]，并在此文件系統(tǒng)中添加Qtopia應(yīng)用程序 （使用QT designer設(shè)計），這樣構(gòu)成整個系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.3.1 網(wǎng)關(guān)主程序流程設(shè)計

ZigBee終端模塊通過上行傳輸方式隔時(由各個終端模塊定時)將傳感器數(shù)據(jù)信息傳給ZigBee協(xié)調(diào)器模塊之后，進入網(wǎng)關(guān)主程序。網(wǎng)關(guān)主程序大致流程圖如圖4所示。網(wǎng)關(guān)通過UART1接收ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測到有數(shù)據(jù)進來時，網(wǎng)關(guān)進入中斷狀態(tài)。首先判斷是否為協(xié)調(diào)器模塊的數(shù)據(jù)，如果是，則對此數(shù)據(jù)進行初步協(xié)議解析，然后顯示傳感器各節(jié)點信息，之后對傳感器數(shù)據(jù)進行融合和模糊處理，如果有信息超過預(yù)設(shè)報警值，則語音模塊將給出詳細(xì)報警信號；否則顯示成日常生活語言等信息。

2.3.2 數(shù)據(jù)融合及模糊算法處理

本系統(tǒng)中，對傳感器數(shù)據(jù)的處理是重要的一部分。網(wǎng)關(guān)部分接收ZigBee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，依據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進行分析解讀，提取居室信息數(shù)據(jù)的有效部分，之后采取數(shù)據(jù)融合技術(shù)和模糊處理對數(shù)據(jù)進行進一步的分析處理，將部分居室環(huán)境信息反映成日常生活語言。例如將居室的溫濕度信息反映成是否舒適，將居室的煤氣濃度或者煙霧濃度信息反映成是否觸發(fā)報警器等信息[8]。

本設(shè)計中，居室溫濕度舒適度信息的融合及模糊處理過程如圖5所示。例如A房間有終端節(jié)點n個（依據(jù)實際情況），系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)得到第j次1號～n號終端節(jié)點的溫度和濕度傳感器的信息，依據(jù)式（3）和式（4），經(jīng)過加權(quán)算法融合處理，分別得到一個溫度值Tj和濕度值Hj（Wi是權(quán)重，依據(jù)實際情況調(diào)整）。

依據(jù)模糊理論，在居室環(huán)境溫度論域（0～30℃）上定義 3個溫度概念(冷、暖、熱)，在空氣濕度論域（0～100%RH）上定義 3個濕度概念(低、中、高)，選擇梯形隸屬度函數(shù)將溫度值Tj和濕度值Hj進行數(shù)值-符號的轉(zhuǎn)換，得到符號信息。依據(jù)經(jīng)驗在“舒適度”論域上定義8個概念(干冷、冷不適、濕冷、較舒適、很舒適、干熱、濕熱、熱不適)，以此制定的舒適度規(guī)則如表1所示。

表1 溫濕度舒適度規(guī)則表

基于溫濕度信息實現(xiàn)二者的合成之后，得到溫濕度舒適度信息，給用戶參考。

2.3.3 QT界面系統(tǒng)設(shè)計

在Linux操作系統(tǒng)中加入QT的應(yīng)用程序，方便用戶更加直觀地了解環(huán)境信息[9]。在文件系統(tǒng)中的“etc/init.d/rcS”文件，添加 Qte 的啟動腳本(qtopia&)，以及在“bin/”目錄下添加qtopia的運行腳本，并修改文件系統(tǒng)的“etc/profile”，使系統(tǒng)能夠運行QT應(yīng)用程序。

QT系統(tǒng)界面是一種很容易操作的UI界面，當(dāng)用戶點擊主界面中房間 A（例如客廳）的desktop（啟動器）之后，便可以很直觀地獲取房間A內(nèi)的環(huán)境信息，圖6是房間A的環(huán)境信息的界面圖。

本文以S3C2440作為硬件基礎(chǔ)，Linux操作系統(tǒng)作為軟件基礎(chǔ)，采用ZigBee無線傳感技術(shù)，并結(jié)合傳感器的使用，實現(xiàn)了居室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。盡管此系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中比較簡單的一個子系統(tǒng)，但為智能家居系統(tǒng)的無線通信和遠程監(jiān)測提出了一種具體實現(xiàn)。此外，可以實現(xiàn)監(jiān)測點的任意放置，且可依據(jù)用戶的實際需要適當(dāng)?shù)卦鰷p節(jié)點，系統(tǒng)組織靈活。在此基礎(chǔ)之上，人們可以構(gòu)建更加復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)或者工業(yè)控制系統(tǒng)。

[1]張?zhí)m紅.智能家居控制系統(tǒng)[J].科技致富向?qū)В?011(35)：180-181.

[2]焦騰，戚銀城，孫卓，等.智能電網(wǎng)中智能家居終端的設(shè)計[J].電子科技，2011，24(12)：70-71.

[3]孟祥敏，侯德文.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究[J].信息技術(shù)與信息化，2009(2)：36.

[4]王翔，樊強，王斌，等.基于Internet的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)通信，2011，230(32)：78-80.

[5]劉禮建，張廣明.基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居管理系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2011，12(21)：251-253.

[6]紀(jì)志成.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的博物館室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測[J].文物保護與考古科學(xué)，2011，23(3)：48-50.

[7]邵長斌，李洪亮.用Busybox制作嵌入式Linux根文件系統(tǒng)文件[J].微計算機信息，2007，23(10)：48-50.

[8]王治，盧蔚.基于模糊算法的人體舒適度模型[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2011(13)：112-113.

[9]李翔，樂孜純.一種基于Qtopia的嵌入式遠程污水?dāng)?shù)據(jù)終端[J].機電工程，2010，27(6)：69-70.