劉雄飛， 陳 浩， 聶 偉， 賴思敏

(1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.湖南恒茂高科股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

對室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行實時監(jiān)測和控制對于保證身體健康具有非?，F(xiàn)實的意義[1]。近年來，許多研究將無線通信技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,例如基于全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communications,GSM)的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)[2],基于IEEE 802.116標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)(WiFi)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3]，但存在著功耗大、成本高等弊端，無法在室內(nèi)監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模推廣與應(yīng)用。本文設(shè)計了一種基于MT7623A的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，具有低功耗、組網(wǎng)靈活、擴展性強等優(yōu)點，適用于商場、酒店等室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，解決了室內(nèi)環(huán)境實時數(shù)據(jù)采集和信息交互的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器終端節(jié)點、智能網(wǎng)關(guān)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器3個部分。終端節(jié)點搭載了溫濕度傳感器DHT11，PM2.5傳感器GP2Y1014AU以及甲醛傳感器DS—HCHO，并采用CC2530處理器完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)關(guān)節(jié)點兼具高性能路由器(4×LAN口+1×WAN口+1×SFP光口)與ZigBee協(xié)調(diào)器的功能，在完成傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚與上傳同時，也滿足了普通用戶的入網(wǎng)需求；服務(wù)器采用數(shù)據(jù)庫管理模式存儲網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，并采用基于自適應(yīng)加權(quán)和模糊邏輯的數(shù)據(jù)融合算法對所監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行評估。而用戶則可以通過網(wǎng)頁進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸，查看各節(jié)點環(huán)境實時數(shù)據(jù)及其評估結(jié)果，實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

主要由CC2530[4]與傳感器模塊構(gòu)成,如圖1所示。

1)基于CC2530設(shè)計的節(jié)點只需要極少的外圍原件、一個晶振即可滿足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)功耗。

2)傳感器模塊系統(tǒng)主要檢測的環(huán)境參數(shù)為溫濕度、PM2.5和甲醛濃度。從接口方式、性能指標(biāo)等方面考慮選用傳感器：溫濕度傳感器選用DHT11，PM2.5濃度檢測選用粉塵傳感器GP2Y1014AU，甲醛檢測電路模塊選用DS—HCHO數(shù)字輸出傳感器。

圖1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

本文以MT7623A為核心搭建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)硬件平臺，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

1) MT7623A:MT7623A是一種高度集成的路由器片上系統(tǒng)，四核的Cortex—A7,1.3 GHz，支持高達(dá)2 GB RAM。

2) ZigBee協(xié)調(diào)器:負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點的加入以及數(shù)據(jù)的匯總。硬件結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點基本相同，功能上的區(qū)分通過軟件來完成。將ZigBee協(xié)調(diào)器嵌入至網(wǎng)關(guān)中，并通過串口進(jìn)行通信。

3) 通用外圍接口:網(wǎng)關(guān)節(jié)點搭載了豐富的外圍接口，包括最常見的串行通用接口USB3.0，可用于擴展無線網(wǎng)卡的miniPCIe口，支持10/100/1000Mbps的LAN口與WAN口，以及100/1 000 Mbps的SFP光口，可以很方便地進(jìn)行功能擴展與二次開發(fā)。

4)電源:變壓器輸入的12V直流電源作為網(wǎng)關(guān)的主電源，并通過NB671，MT6323L等芯片提供穩(wěn)定的電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點的工作流程如圖3所示。首先進(jìn)行初始化設(shè)置(如COM口，波特率等設(shè)置)，發(fā)送入網(wǎng)信號，等待主機響應(yīng)。如果入網(wǎng)成功，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，在收到定時器中斷后退出休眠狀態(tài)，初始化傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及發(fā)送任務(wù)，最后關(guān)閉傳感器，重新配置CC2530進(jìn)入休眠狀態(tài)，準(zhǔn)備下次接收定時中斷信號[5]。

圖3 傳感器節(jié)點程序流程

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

首先進(jìn)行初始化，并通過Socket套接字與服務(wù)器建立連接。隨后選擇合適的信道與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符新建一個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)新建成功則進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)測環(huán)境中的無線信號。當(dāng)接收到無線信號時，首先驗證其合法性，然后判斷其信號類型。如果是新節(jié)點的入網(wǎng)請求，則給該節(jié)點分配16位網(wǎng)絡(luò)地址，允許加入網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)。若接收到信號為傳感器節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)通過Socket發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，最后返回?zé)o線監(jiān)控狀態(tài)。

3.3 遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)融合

本文采用了自適應(yīng)加權(quán)和模糊邏輯的數(shù)據(jù)融合算法，數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合框架

3.3.1 基于自適應(yīng)加權(quán)的數(shù)據(jù)級融合算法

多個傳感器在采集室內(nèi)某一環(huán)境因子時，將檢測出數(shù)據(jù)誤差較小的傳感器權(quán)值增大，較大的權(quán)值減小。在總均方差最小這一條件下，通過自適應(yīng)調(diào)整尋找其對應(yīng)的加權(quán)值，使融合后的達(dá)到最優(yōu)，以很好地抑制感知數(shù)據(jù)的噪聲和漂移，提高了系統(tǒng)的精度[6]。具體算法流程如下：

(1)

式中Xij為第i只傳感器第j次測量的結(jié)果。

(2)

3)求出此刻各傳感器的最優(yōu)加權(quán)因子Wi

(3)

(4)

3.3.2 基于模糊邏輯的決策級融合算法

1)對4種傳感器建立室內(nèi)環(huán)境因素集，即V=(v1,v2,v3,v4)=(溫度，濕度，PM2.5，甲醛)。

2)建立室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)集為U=(u1,u2,u3,u4,u5)=(優(yōu)，良，中，差，很差)。

3)對第i類傳感器Vi的決策結(jié)果歸一化后可以得到輸入向量ri=(vi1,vi2,vi3,vi4,vi5)，對于?vi∈V，ri組成4×5的決策矩陣R。

5)在融合中心的合成運算中，評語集上的模糊子集B由傳感器權(quán)重向量A與決策矩陣R合成，即B=AR=(b1,b2,b3,b4,b5)，通過最大隸屬度法最終確定全局估計A。

3.3.3 室內(nèi)環(huán)境評價決策描述

采用幾何平均法計算室內(nèi)環(huán)境綜合指數(shù)I

(5)

式中xi為第i種環(huán)境品質(zhì)因素的值；xmax為該因素的最大允許值。

4 系統(tǒng)測試

將6只傳感器終端節(jié)點和1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點散布在大樓中的各測試位置。傳感器節(jié)點每隔5 min進(jìn)行一次采樣，并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一個采樣周期喚醒。二級數(shù)據(jù)融合方法處理結(jié)果如表1所示，各環(huán)境因子均未超標(biāo)，環(huán)境等級為B級[8]。

表1 數(shù)據(jù)融合計算結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于MT7623A的遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點快速自組網(wǎng)以及對各種環(huán)境因子的實時采集、傳輸、遠(yuǎn)程顯示等，同時系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點兼具高性能路由器的功能，并很好地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的弊端。通過實際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實用性和市場價值較高。