智能家居環(huán)境監(jiān)測終端設計

張　麗西安海棠職業(yè)學院

智能家居環(huán)境監(jiān)測終端設計

張麗
西安海棠職業(yè)學院

隨著科學技術水平的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能家居產品成為了當前的熱點產品。越來越多的智能家居產品日漸出現，實現對生活家居環(huán)境的監(jiān)測和控制，為人們創(chuàng)造更便捷、更舒適和健康的宜居環(huán)境。本文通過低功耗低成本的嵌入式方案實現了一款智能家居環(huán)境監(jiān)測終端設備的設計。

智能家居；環(huán)境監(jiān)測

1　前言

家居環(huán)境是指家庭團聚、休息和學習的環(huán)境。城市居民每天在室內工作、學習和生活的時間占全天時間的90%左右，因此，居室環(huán)境與人類健康極為密切。近年來，H1NI豬流感，超級細菌的出現，都說明室內環(huán)境健康的重要性。因此，“智能家居”[1，2]的新概念突顯其重要意義。嵌入式計算技術、通信技術和傳感器技術的飛速發(fā)展和MEMS技術的日益成熟與完善為智能家居的實現和發(fā)展提供了基本的技術條件。在整個智能家居的應用中家居環(huán)境的監(jiān)測是其中最為重要之一。本文采用目前嵌入式技術和ZigBee網絡[3]設計了一種模塊化的智能家居環(huán)境監(jiān)測終端。

2　總體設計

智能家居環(huán)境監(jiān)測終端主要有主控制器、ZigBee通信模塊[4]、傳感器模塊[5]和顯示模塊四大部分組成。

本系統(tǒng)主控制器采用意法半導體的STM32F103來實現整個整個智能家居監(jiān)測系統(tǒng)的數據處理，任務控制功能；通信模塊采用的是基于TI2530ZigBee芯片開發(fā)的2.4G無線通信模塊，實現該終端與智能家居網關的通信，將采集到的環(huán)境信息發(fā)送到智能網關以及接收網關的控制指令；傳感器模塊主要由溫濕度檢測、PM2.5/ PM10檢測、甲醛檢測模塊組成，完成家居環(huán)境信息的采集功能；顯示模塊采用的是一個2.8寸的液晶顯示屏，可以實時顯示當前的環(huán)境指標參數以及歷史參數。

3　核心硬件設計

如系統(tǒng)框圖所示，硬件系統(tǒng)的核心部分包括主控制器、傳感器模塊、通信模塊和顯示模塊四個部分，為方便后續(xù)系統(tǒng)的功能升級，在此設計中各核心部分都采用模塊化的設計方法，分別如下：

（1）主控制器，主控制器才用的是STM32F103處理器構成的最小控制系統(tǒng)，STM32F103是由意法半導體公司推出的中低端的32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3，工作頻率可達最高72MHz，芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種功能，外部資源豐富，價格低廉，被廣泛應用于智能手持終端設備和各類消費電子產品等領域。STM32F103最小系統(tǒng)包括電路供電，時鐘及下載配置和主芯片電路。

（2）ZigBee通信模塊的設計采用的是KLZB214串口轉ZigBee通信模塊，內嵌zigbee2007協(xié)議，模塊通過串口與主控制器STM32F103交互數據，支持數據透明傳輸、一對一傳輸、多對一傳輸、一對多傳輸，具備自動路由功能，掉電可恢復網絡數據，不需要理解復雜的zigbee協(xié)議就可以簡單實現強大zigbee網絡，并進行數據的傳輸。

（3）傳感器模塊，傳感器模塊在整個系統(tǒng)中主要實現家居環(huán)境各指標參數的采集，也是采用模塊化的設計方法，可以根據需求更好不同的傳感器模塊，在本次設計中主要使用了溫濕度檢測、PM2.5/PM10檢測、甲醛檢測模塊，PM2.5/PM10和甲醛檢測模塊與主控制器的通信接口采用的是串口協(xié)議，溫濕度檢測模塊與主控制器的通信接口采用的是標準IIC協(xié)議。串口協(xié)議和標準IIC協(xié)議都是標準的通信協(xié)議，后期更換模塊只需要是標準的串口協(xié)議和IIC協(xié)議即可兼容。

（4）顯示模塊，顯示模塊采用的是2.2寸USART HMI智能串口屏，集成GPU字庫、自定義任意Windows字庫，支持基本的GUI指令(畫點、畫線、畫矩形等)，支持圖片格式BMP、JPG、JPEG、PNG，支持串口下載和SD卡下載。

4　核心軟件設計

智能家居環(huán)境監(jiān)測終端軟件部分從功能上看具有顯示、通信、溫濕度采集、PM2.5采集和甲醛采集5個部分，每個部分都是一個相對獨立的功能模塊，在軟件設計的時候該系統(tǒng)采用uC/OS II(Mi?cro Control Operation System Two)嵌入式操作系統(tǒng)，每個功能模塊設計成一個系統(tǒng)任務供操作系統(tǒng)調度，任務直接的通信采用信號量的方式來實現整個系統(tǒng)的軟件功能。

智能家居環(huán)境監(jiān)測終端通過不間斷的采集家居環(huán)境中的指標參數發(fā)送到網關中心來讓用戶隨時掌握家居環(huán)境信息，其中數據的通信傳輸策略是一個軟件設計的主要組成部分之一。根據實際的業(yè)務需求，本系統(tǒng)設計了一種“告警上報、定時發(fā)送、點播訪問”的數據通信策略。

告警上報是依據用戶設定的各指標監(jiān)測閾值，系統(tǒng)將采集到監(jiān)測信息并判斷其是否超標，如果超標則主動向智能網關發(fā)送告警信息，如果正常則將當前數據存儲在本地FLASH；定時是依據用戶設定的發(fā)送時間間隔定時的向智能網關發(fā)送各指標參數；主機點播訪問是用戶發(fā)起訪問請求，智能網關向需要訪問的智能家居環(huán)境監(jiān)測終端轉發(fā)請求命令，智能家居環(huán)境監(jiān)測終端收到訪問請求命令后將監(jiān)測數據再發(fā)送到智能網關。本系統(tǒng)通過“告警上報、定時發(fā)送、點播訪問”的數據通信策略實現數據在網絡中的傳輸。

5　測試與實驗

智能家居環(huán)境監(jiān)測終端和智能網關分別上電啟動運行，實現可以看到智能家居環(huán)境監(jiān)測終端將環(huán)境中的各指標參數超過采集并發(fā)送到智能網關上，同時智能網關將監(jiān)測信息發(fā)送到手機APP端顯示。

6　總結

本文論述了智能家居環(huán)境監(jiān)測終端的一種設計方法，并提出“告警上報、定時發(fā)送、點播訪問”的數據傳輸策略來實現監(jiān)測數據的傳輸。同時，通過實驗驗證了該智能家居環(huán)境監(jiān)測終端有效性。本文沒有對智能家居環(huán)境監(jiān)測終端所監(jiān)測的數據的應用處理，有待于進一步研究。

[1]葉朝輝，楊士元.智能家居網絡研究綜述[J].計算機應用研究，2000（9）：4-8

[2]韓江洪，張建軍，張利，魏振春，魏臻.智能家居系統(tǒng)與技術[M].合肥工業(yè)大學出版社，2005

[3]李文伸，段朝玉等.ZigBee無線網絡技術入門與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2007:22-27

[4]周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2005（9）:37-40

[5]劉志杰.物聯網技術的研究綜述[J].軟件，2013，34（5）:164-165

張麗（1986-），女，陜西西安人，漢族，碩士，助教，西安海棠職業(yè)學院，研究方向：信息與通信工程。