智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能家居是指在智能化、自動(dòng)化、信息化的基礎(chǔ)上利用傳感器網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)家居電器的智能控制，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，智能家居的及時(shí)出現(xiàn)為人們享受生活提供了一個(gè)更好的選擇。

一、智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度、氧氣、一氧化碳、二氧化硫、濕度、甲烷和二氧化碳含量等家居環(huán)境的檢測(cè)，其次是監(jiān)測(cè)生活用水、用電和用氣的安全性和用量，三是監(jiān)測(cè)室內(nèi)各種生活家電的狀態(tài)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于ZigBee的傳感器節(jié)點(diǎn)將室內(nèi)環(huán)境信息發(fā)送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，通過ARM微處理器實(shí)現(xiàn)嵌入式編程，然手通過ARM微處理器和ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效的網(wǎng)絡(luò)串行通信。通過該系統(tǒng)，采集室內(nèi)環(huán)境信息、輸入操作命令、輸出操作結(jié)果、集中控制室內(nèi)環(huán)境、遠(yuǎn)程控制家用電器、聯(lián)動(dòng)控制室內(nèi)安防系統(tǒng)等功能。

二、智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1室內(nèi)環(huán)境信息采集功能

通過部署在室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境信息采集，以便能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、甲烷及生活用水和生活電氣等相關(guān)信息傳遞到系統(tǒng)中。信息采集和感知是室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)最基本的功能，需要將傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行良好的部署和優(yōu)化，以便在最小能量耗費(fèi)下實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的全方位覆蓋。

2.2 室內(nèi)環(huán)境信息傳輸功能

傳感器節(jié)點(diǎn)采集相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息后，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)绞覂?nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器，以便服務(wù)器進(jìn)行處理。信息傳輸過程中，為了實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸和分發(fā)，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的聚簇作用，同時(shí)為了降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信開銷、平衡節(jié)點(diǎn)間負(fù)載，需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和傳輸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 室內(nèi)環(huán)境信息處理功能

數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器后，環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置負(fù)責(zé)處理采集到的數(shù)據(jù)信息，發(fā)現(xiàn)相關(guān)的信息超過用戶設(shè)置的預(yù)警值，則傳感器檢測(cè)裝置通過4G通信網(wǎng)絡(luò)以短信或數(shù)據(jù)通信的方式通知用戶，同時(shí)將收集的信息存儲(chǔ)到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。邏輯業(yè)務(wù)處理將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送到相關(guān)界面，以便用戶查看和分析。

三、Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee硬件節(jié)點(diǎn)選型

基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)包括終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)即組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，硬件部分主要由電源模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊、信號(hào)調(diào)理模塊和傳感器模塊共同構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又被稱為路由器節(jié)點(diǎn)，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)功能。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以自由靈活放置，主要能量來(lái)源于電池，硬件電路結(jié)構(gòu)由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC2350（德州儀器）、射頻天線單元、LED顯示模塊共同組成。

3.2 硬件節(jié)點(diǎn)通信功能

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)路主要包括三種節(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，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。終端通信節(jié)點(diǎn)讀取室內(nèi)各種環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送到相關(guān)的匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收相關(guān)的響應(yīng)指令，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的調(diào)節(jié)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋；路由節(jié)點(diǎn)讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送到相關(guān)的服務(wù)器，同時(shí)接收響應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能；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)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)發(fā)送的指令信息，以便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。

四、傳感器實(shí)現(xiàn)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)中的嵌入式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件開發(fā)QT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，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)行二次開發(fā)。

4.1溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)組件包括四個(gè)關(guān)鍵文件，系統(tǒng)開發(fā)中命名為頭文件SHT.h、接口文件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。頭文件SHT.h頭文件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，可以配置硬件通信描述層的內(nèi)容；配置組件SHTC.nc定義和描述模塊組件SHTP.nc中的相關(guān)接口、構(gòu)成組件以及二者之間的關(guān)系；模塊組件SHTP.nc初始化溫濕度傳感器、測(cè)量溫濕度、讀取傳感器數(shù)據(jù)，是溫濕度傳感器組件的核心業(yè)務(wù)邏輯組成部分。應(yīng)用層組件通過接口文件SHT.nc中的相關(guān)命令，與溫濕度傳感器交互。

4.2甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)組件包括三個(gè)關(guān)鍵文件，系統(tǒng)開發(fā)中命名為接口文件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。配置組件FormalinC.nc定義模塊組件FormalinP.nc和接口之間的關(guān)系；模塊組件FormalinP.nc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)；接口文件Formalin.nc抽象甲醛傳感器功能，以便為應(yīng)用層提供邏輯業(yè)務(wù)響應(yīng)。

五、小結(jié)

本文闡述了智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，使用軟件工程技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)功能建模。設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體架構(gòu)，闡述傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信功能，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)選型進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)描述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)、溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、甲醛傳感器驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)，具有重要的作用和意義。

（作者單位：1鄭州輕工業(yè)學(xué)院2河南省工商行政管理學(xué)校）