基于傳感器的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)

楊凡

摘要：電子芯片、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信的快速發(fā)展，促進(jìn)了傳感器的改進(jìn)和普及，基于傳感器已經(jīng)開發(fā)了許多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在工業(yè)生產(chǎn)控制、地理環(huán)境遙測(cè)、視頻安防監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用。智能家居是傳感器應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，基于傳感器可以開發(fā)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫濕度、甲醛等家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取更多的家居環(huán)境信息，保證家庭生活的正常和健康。

關(guān)鍵詞：傳感器；家居環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0087-03

1 概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織特性、非常容易組網(wǎng)部署、易于擴(kuò)展、通信代價(jià)較低、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)中最為重要的一種網(wǎng)絡(luò)類型，尤其適合智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以很好地管理室內(nèi)空氣質(zhì)量、溫濕度質(zhì)量、家庭生活電氣安全防盜等。本文分析了傳感器網(wǎng)絡(luò)在家居環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用背景，對(duì)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行了總體需求分析，將其分為三個(gè)關(guān)鍵功能，分別是家居環(huán)境信息采集功能、家居環(huán)境信息傳輸功能和家居環(huán)境信息處理功能，并且分析了家居環(huán)境信息的總體架構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了有效處理，具有較好的作用。基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，分析了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)器部署結(jié)構(gòu)，并且選擇了ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一種功能強(qiáng)大的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能，有效支持環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。

2 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能分析

2.1 家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體功能

家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要完成以下目標(biāo)：一是基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使之能夠覆蓋整個(gè)室內(nèi)生活環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全方位的環(huán)境監(jiān)測(cè)；二是基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的全面部署，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織功能，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存在的故障節(jié)點(diǎn)、刪除的節(jié)點(diǎn)或新增的傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠快速連接，并且實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)功能，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)和自適應(yīng)功能，同時(shí)優(yōu)化管理部署節(jié)點(diǎn)，全方位覆蓋生活環(huán)境，延長(zhǎng)電池的使用壽命；三是基于ARM Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下，使用嵌入式QT技術(shù)編寫顯示數(shù)據(jù)界面，以便家庭用戶能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)生活環(huán)境的室內(nèi)溫度、室內(nèi)氧氣、室內(nèi)一氧化碳、室內(nèi)二氧化硫、室內(nèi)濕度、室內(nèi)甲烷和室內(nèi)二氧化碳的含量等溫度、濕度和濃度，監(jiān)測(cè)生活用水、用電和用氣的安全性和用量，以及監(jiān)測(cè)室內(nèi)各種生活家電的狀態(tài)等。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)化更新，并且對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警處理。

2.2 家居環(huán)境信息采集功能

家居環(huán)境信息采集可以使用室內(nèi)部署的溫度傳感器、濕度傳感器、甲醛傳感器等采集室內(nèi)的溫度、濕度、甲醛等信息，并且能夠?qū)⑦@些信息發(fā)送傳感器攜帶的存儲(chǔ)器中。

2.3 家居環(huán)境信息傳輸功能

家居環(huán)境信息采集之后，可以通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)可以將信息通過(guò)串口發(fā)送至家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器中，實(shí)時(shí)的保存家居環(huán)境的信息。信息傳輸過(guò)程中，需要高效路由和轉(zhuǎn)發(fā)，以便盡可能快的將信息發(fā)送至服務(wù)器。

2.4 家居環(huán)境信息處理功能

傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器之后，負(fù)責(zé)處理采集到的視頻信息、家用生活電氣信息、空氣質(zhì)量信息等傳到相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置上，如果傳感器服務(wù)器發(fā)現(xiàn)相關(guān)的信息值超過(guò)了用戶設(shè)置的預(yù)警值，傳感器檢測(cè)裝置可以通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)以短信或數(shù)據(jù)通信的方式通知用戶，并且將收集的信息的相關(guān)存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便用戶非常方便地查看歷史生活環(huán)境信息。相關(guān)的邏輯業(yè)務(wù)處理結(jié)果可以將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)的結(jié)果發(fā)送到相關(guān)的界面上，以便于用戶查看和分析。

3 傳感器在家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在室內(nèi)布置各類終傳感器節(jié)點(diǎn)，以全方位地覆蓋家居環(huán)境，采集家居環(huán)境中的氧氣含量、煙霧含量、二氧化碳含量、二氧化硫含量、一氧化碳含量等各種氣體的濃度，同時(shí)使用防盜紅外線傳感器、家電狀態(tài)傳感器、水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器等檢測(cè)各種生活設(shè)施的使用狀態(tài)，并且將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，各種傳感器自組織構(gòu)建一個(gè)室內(nèi)的綜合信息采集和感知網(wǎng)絡(luò)，以便能夠ARM處理采集到的相關(guān)信息，并且將處理結(jié)果保存到相關(guān)的邏輯業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，如圖1所示。

3.2 無(wú)線傳感器選型

美國(guó)德州儀器公司是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)，該企業(yè)主要生產(chǎn)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)相關(guān)的模擬器，能夠提供傳感器等硬件信息采集設(shè)備。目前，在家居環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，常用的傳感器無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以采用德州儀器的CC2350芯片，并且使用CC2350EB開發(fā)套件，其中芯片相對(duì)較為成熟，已經(jīng)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域取得了良好的效果，如圖3所示。

3.3 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括三種節(jié)點(diǎn)，分別是傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和一些控制節(jié)點(diǎn)，每一種節(jié)點(diǎn)都具備不同的功能，以便能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等功能。終端通信節(jié)點(diǎn)可以讀取室內(nèi)各種環(huán)境信息，并且將數(shù)據(jù)封裝起來(lái)，發(fā)送到相關(guān)的匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)其可以接收相關(guān)的回應(yīng)指令，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)和覆蓋網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)的功能如圖4所示。

路由器可以接收傳感器數(shù)據(jù)，將其封裝到數(shù)據(jù)包中發(fā)送到關(guān)口服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由、轉(zhuǎn)發(fā)功能。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能主要是接收下位機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)發(fā)送的指令信息，以便很好地控制傳感器的采集數(shù)據(jù)分布區(qū)域和位置，具有非常重要功能。

家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)、QT集成工具開發(fā)完成。Linux操作系統(tǒng)擁有的核心API能夠完成基本的通信需求，但是對(duì)于具體的溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)組件、甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)組件，需要進(jìn)行開發(fā)。為了能夠節(jié)約篇幅，本文詳細(xì)介紹系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵組件及運(yùn)行截圖，給出了傳感器驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵描述。

3.4 傳感器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)組件主要包括四個(gè)關(guān)鍵檔，系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，命名為頭檔SHT.h、界面檔SHT.nc、配置組件SHTC.nc和模塊組件SHTP.nc，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)提供的MainC.nc和TimerMilliC（）組件共同構(gòu)成了傳感器驅(qū)動(dòng)組件。頭檔SHT.h頭檔的主要作用是描述溫濕度傳感器和控制器之間的信號(hào)控制和硬件連接檔，可以配置硬件通信描述層的內(nèi)容。配置組件SHTC.nc可以定義和描述模塊組件SHTP.nc中的相關(guān)界面、構(gòu)成組件以及二者之間的關(guān)系。模塊組件SHTP.nc可以初始化溫濕度傳感器、測(cè)量溫濕度、讀取傳感器數(shù)據(jù)，其是溫濕度傳感器組件的核心業(yè)務(wù)邏輯組成部分。應(yīng)用層組件可以通過(guò)界面檔SHT.nc中的相關(guān)命令，與溫濕度傳感器進(jìn)行交互。界面檔SHT.nc定義的函數(shù)包括以下三個(gè)：讀取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)的命令函數(shù)Read（）、讀取數(shù)據(jù)結(jié)束完成的事件函數(shù)ReadDone（）和計(jì)算家居環(huán)境的實(shí)際溫度函數(shù)Calculate_RealValue（）。

溫濕度傳感器可以采用CC2350的第1、2個(gè)引腳進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。為了檢測(cè)本文家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度，將其測(cè)得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的QFA4160溫濕度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，詳細(xì)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示（測(cè)量環(huán)境為冬季，選取五周的溫度值平均值大概為23℃左右）。

由表1可知，高精度的QFA4160傳感器測(cè)得的溫度值相比，本文采用CC2350傳感器測(cè)量得到的溫度值更加符合冬季室溫的范圍，具有較好的作用。

甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)組件主要包括三個(gè)關(guān)鍵檔，系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，命名為界面檔Formalin.nc、配置組件FormalinC.nc和模塊組件FormalinP.nc，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)提供的PlatformSerialC.nc組件共同構(gòu)成了甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)組件。系統(tǒng)提供的PlatformSerialC.nc組件能夠提供三種類型的界面，分別是UartStream.nc界面、CC2350UartControl.nc界面和UartStdControl.nc界面，上述三個(gè)界面可以完成設(shè)置串口通信串列傳輸速率、控制串口開關(guān)等功能，有效實(shí)現(xiàn)傳感器和控制器的通信工作。配置組件FormalinC.nc可以詳細(xì)地定義模塊組件FormalinP.nc組件和界面之間的關(guān)系。模塊組件FormalinP.nc組件可以初始化傳感器、測(cè)量甲醛數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的邏輯業(yè)務(wù)，是非常重要的組成部分。界面檔Formalin.nc可以甲醛傳感器功能，以便能夠?yàn)閼?yīng)用層提供邏輯業(yè)務(wù)回應(yīng)功能，該界面包含的關(guān)鍵函數(shù)分別是初始化甲醛傳感器命令函數(shù)Init（）、讀取甲醛傳感器測(cè)量值的函數(shù)Read（）、讀取數(shù)據(jù)完成之后的事件函數(shù)ReadDone（）和計(jì)算甲醛濃度實(shí)際值的函數(shù)Calculate_RealValue（）。

為了能夠驗(yàn)證本文甲醛傳感器的準(zhǔn)確度，與高精度甲醛傳感器ME3M-CH2O檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，具體選擇5周的加強(qiáng)濃度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文甲醛傳感器可以很好檢測(cè)室內(nèi)甲醛濃度，以便及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，確保甲醛含量處于一個(gè)正常的范圍，確保人的生命健康安全。如果甲醛濃度過(guò)高，可以及時(shí)報(bào)警，提醒用戶開窗通風(fēng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著傳感器、無(wú)線通信等技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在智能家居管理中得到了廣泛的普及和使用，能夠提高家用電器智能控制、安防控制的信息化水平，具有重要的作用和意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戴建，史志才，吳飛，等.基于GSM與ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表， 2015（9）：38-42.

[2] 高磊，屈媛，張建國(guó)，等.基于Arduino的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2015（6）：154-154.

[3] 王素青，郝文婷.基于多機(jī)通信的家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2014（12）：71-72.

[4] 陳榮坤.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用， 2015， 5（3）：105-107.

[5] 梅海彬，張明華，黃冬梅.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)近海環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2015， 32（1）：110-113.