基于物聯(lián)網(wǎng)的家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王龍山,馬 珺

（太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024）

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

廣義上的物聯(lián)網(wǎng)是信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)高效信息交互方式，是信息化在人類社會(huì)綜合應(yīng)用達(dá)到的更高境界[1]。

物聯(lián)網(wǎng)具有三層結(jié)構(gòu)[2]：第一層是感知和標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，如傳感器、RFID等；第二層是通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)設(shè)施；第三層是應(yīng)用和服務(wù)，這是物聯(lián)網(wǎng)的最終價(jià)值體現(xiàn)。在已有研究成果中，還有其他幾種較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[3]。

1.2 ZigBee技術(shù)

電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)成立的IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)，這就是ZigBee技術(shù)[4]。 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)（圖1）[5]。其支持兩種類型的物理設(shè)備：支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由的全功能節(jié)點(diǎn)，只能作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)的半功能節(jié)點(diǎn)[6]。完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通信的需要。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是當(dāng)今國(guó)際研究熱點(diǎn)之一[7]。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能，將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)信息的 “采集”、“傳輸”和“處理”的真正統(tǒng)一，從而構(gòu)成一個(gè)分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]。

1.4 嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)為人們所熟悉，有自己的操作系統(tǒng)和特定功能，用于特殊場(chǎng)合的系統(tǒng)[9]。核心是RISC內(nèi)核的嵌入式微處理器。主要有以下特點(diǎn)：對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間；具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)；功耗很低等。

本設(shè)計(jì)采用Cortex-A8處理器。該處理器使用了先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù)，并且具有專用的NEON整型和浮點(diǎn)型流水線進(jìn)行媒體和信號(hào)處理。這是一款基于ARMv7架構(gòu)的處理器，采用65 nm工藝，功耗不到300 mW，能夠提供高性能、低費(fèi)用和低功耗。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性、抗干擾性以及可擴(kuò)展性是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的基本原則。對(duì)于本設(shè)計(jì)，首要任務(wù)是監(jiān)測(cè)環(huán)境，包括溫度、濕度、光照度和火災(zāi)預(yù)警，非法入侵的監(jiān)控，從功能實(shí)現(xiàn)的角度上就對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。還要留有擴(kuò)充接口，方便將來(lái)的性能提升。在設(shè)計(jì)時(shí)，使用了抽象化、模塊化等思想，采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，使軟件達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)要求。

2.2 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖如圖2所示。在室內(nèi)布置煙霧傳感器和紅外傳感器作為監(jiān)測(cè)火災(zāi)的單元，室內(nèi)外安裝溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器作為生活必需的監(jiān)測(cè)單元，安裝紅外傳感器還作為監(jiān)測(cè)非法入侵的防盜單元。以這三個(gè)單元為主的家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)ZigBee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點(diǎn)采集到信號(hào)，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)再將信息傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在協(xié)調(diào)器內(nèi)將信息進(jìn)行融合，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送至GPRS網(wǎng)絡(luò)、手持設(shè)備、PC客戶端等，用戶可以根據(jù)自身情況用遙控器、手持設(shè)備、PC客戶端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)判斷確有火災(zāi)險(xiǎn)情、溫濕度變化較大、非法入侵等情況發(fā)生時(shí)，自動(dòng)發(fā)出不同聲音進(jìn)行報(bào)警并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)通知用戶。

3 硬件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能就是首先要將各種傳感器與無(wú)線傳輸芯片結(jié)合在一起。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 傳感器的選擇

(1)MQ-2煙霧傳感器：它由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器等部件構(gòu)成。

(2)SPS532CA紅外線傳感器：它基于熱電效應(yīng)原理制成，專門用在火災(zāi)探測(cè)和氣體分析，TO-5真空密封，可靠耐用，輸出信號(hào)靈敏度。

(3)SHT10溫濕度傳感器：采用專利的CMOSENS技術(shù)，確保了極高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。

(4)APDS-9002光電傳感器：它采用微型ChipLED無(wú)鉛表面封裝，它是業(yè)內(nèi)體積最小的器件之一，其工作特性也完全符合應(yīng)用需求。

(5)入侵監(jiān)測(cè)傳感器：采用豪恩（LongHorn）公司的雙鑒探測(cè)器LH-902C進(jìn)行人員入侵判斷。該探測(cè)器采用微波和紅外技術(shù)同時(shí)鑒定入侵信息。

3.2 CC2530的路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CC2530是一個(gè)兼容IEEE802.15.4的片上系統(tǒng)，支持專有的 802.15.4的協(xié)議以及 ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。它使用一個(gè)8位的MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，適合作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備的核心部件。

從硬件角度看，路由器節(jié)點(diǎn)的功能主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC2530、射頻天線單元和LED顯示模塊組成，LED顯示模塊由3個(gè)不同顏色的LED發(fā)光二極管組成,分別用來(lái)表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)[10]。 其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 控制中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

控制中心節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色，主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。在本系統(tǒng)中，它還需要對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及通過(guò)RS-232串口與PC機(jī)連接通信。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制中心節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制中心節(jié)點(diǎn)的射頻天線單元用來(lái)接收和發(fā)送電磁波信號(hào)，LCD顯示模塊用來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò)狀況、顯示接收到的數(shù)據(jù)與指令信息，同時(shí)可配合按鍵模塊進(jìn)行菜單界面的顯示。

(1)電源部分

采用外部5 V直流電源供電。使用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至工作電壓3.3 V。

(2)時(shí)鐘部分

CC2530芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，32 MHz晶振提供系統(tǒng)正常工作時(shí)的時(shí)鐘頻率，它分別連接CC2530的P19和P21管腳。32.768 kHz晶振提供系統(tǒng)在低功耗模式下的工作頻率，它分別連接CC2530的P44和P43號(hào)管腳。

(3)射頻天線單元

射頻天線單元由阻抗匹配電路與天線饋線電路組成。將節(jié)點(diǎn)設(shè)備外觀以小巧美觀實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)智能家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。

(4)LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD顯示部分采用2×16的字符型液晶顯示模塊?？捎糜谧帜浮?shù)字及字符的顯示。

(5)按鍵部分設(shè)計(jì)

該節(jié)點(diǎn)的按鍵功能是為了方便用戶對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置而設(shè)計(jì)的。設(shè)置開(kāi)、關(guān)及重啟三個(gè)按鈕。其余系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)在控制端。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分，無(wú)線傳感網(wǎng)的信號(hào)采集部分的軟件設(shè)計(jì)、CC2530作為路由器的軟件設(shè)計(jì)、控制端的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是通過(guò)各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示：傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化，然后傳感器節(jié)點(diǎn)尋找是否存在已經(jīng)建好的網(wǎng)絡(luò)，如果存在，則向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送加入請(qǐng)求；否則繼續(xù)處于等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)玫絽f(xié)調(diào)器允許后，傳感器節(jié)點(diǎn)便加入到網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并將自己的網(wǎng)絡(luò)地址與采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，直到一個(gè)周期結(jié)束后再開(kāi)始下一個(gè)周期。根據(jù)收到指令的不同，傳感器節(jié)點(diǎn)的處理程序也各不相同，不同的傳感器，節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)也有所不同。

圖6 傳感節(jié)點(diǎn)流程圖

4.2 路由器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)的主要作用是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)。在本系統(tǒng)中，路由器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖7所示。路由器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化工作，之后將自己的網(wǎng)絡(luò)地址與數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制中心節(jié)點(diǎn)，然后進(jìn)入消息等待狀態(tài)。判斷收到的消息不是發(fā)送給自己的，則將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去；否則，路由器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)收到的消息中的指令執(zhí)行操作。

4.3 控制中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

控制中心節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)，與管理中心（PC機(jī)、遙控器、手持設(shè)備等）進(jìn)行通信[11]。因此，主要由以下幾個(gè)模塊組成：(1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；(2)串口通信模塊；(3)界面操作模塊。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

圖7 路由器節(jié)點(diǎn)流程圖

本設(shè)計(jì)采用CC2530芯片作為無(wú)線傳輸模塊，最高傳輸速率250 kb/s，在較為理想的環(huán)境中，室內(nèi)傳輸最高可達(dá)15 m，室外可達(dá)到100 m。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，對(duì)室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試[12]，隨機(jī)選取6組數(shù)據(jù)，室內(nèi)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

由表1可知,相隔3 m時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確；相隔5～8 m時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)較快速準(zhǔn)確；當(dāng)相隔15 m時(shí)，信號(hào)微弱，傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。這是因?yàn)槭覂?nèi)障礙物比較多，對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)削減較大。因此，當(dāng)本設(shè)計(jì)在實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)考慮距離因素，5～8 m的距離較為合適。

5.2 數(shù)據(jù)采集及顯示測(cè)試

通過(guò)對(duì)溫度、濕度以及光照度的測(cè)試和數(shù)據(jù)傳輸對(duì)本系統(tǒng)的CC2530無(wú)線通信進(jìn)行測(cè)試。將溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器組成的傳感器模塊與一個(gè)CC2530模塊連接，將另一個(gè)CC2530模塊與測(cè)試用的智能主板連接。上電后，傳感器能夠正常采集數(shù)據(jù)，CC2530無(wú)線通信模塊能夠正常通信,自動(dòng)完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。

本文提出了一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與家居綜合監(jiān)測(cè)相結(jié)合的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了傳感器選擇、硬件系統(tǒng)搭建和軟件流程設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。并在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)系統(tǒng)一部分的功能進(jìn)行搭建，經(jīng)過(guò)測(cè)試，取得了良好的預(yù)期效果。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)得還不夠完善，信息的儲(chǔ)存和分類、界面的智能化和系統(tǒng)的低功耗，都需要進(jìn)一步的研究和改善。在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將更加完善，應(yīng)用和推廣的前景十分廣闊。

[1]孫其博,劉杰.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,33(3)：1-9.

[2]嚴(yán)萍,張興敢.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,48(1)：26-32.

[3]沈蘇彬,范曲立,宗平.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2009,29(6):1-11.

[4]周游,方濱.基于 ZigBee技術(shù)的智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].電 子 技 術(shù) 應(yīng) 用,2005,31(9)：37-38.

[5]尉志武.基于 ZigBee的家庭火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].太原：太原理工大學(xué),2012:9-14.

[6]李文仲,段朝玉.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008：22-27.

[7]侯立功.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)想[J].數(shù)字通信,2011,38(6)：33-35,38.

[8]王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009,23(12)：1-7.

[9]劉傳朋.基于 ARM的智能家居控制系統(tǒng)[D].曲阜：曲阜師范大學(xué),2009:5-7.

[10]張亮,基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].武漢：武漢科技大學(xué),2009:27-32.

[11]朱恒軍,于泓博.環(huán)境監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2012,39(8):126-129.

[12]李娟,胡方明.基于ZigBee的高層建筑無(wú)線火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)[J].電子科技,2012,25(6):34-37,40.