王鴻儒，朱宗玖，高澤仁

（1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，安徽 淮南 232001）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）通過(guò)萬(wàn)物互連的理念使我們的生活變得更加智能化。智能家居的基本理論就是通過(guò)利用各種信息采集技術(shù)收集所需信息，并通過(guò)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，將處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果反饋至終端進(jìn)行控制。而室內(nèi)信息采集的完整性和針對(duì)性就成為了整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)以及支柱?；趥鹘y(tǒng)環(huán)境檢測(cè)措施在實(shí)踐中存在無(wú)法進(jìn)行有針對(duì)性監(jiān)測(cè)的缺陷，本文提出了智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)空氣污染比較嚴(yán)重的城市進(jìn)行信息采集，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將具有不同功能（溫度、濕度、光照、二氧化硫濃度檢測(cè)、一氧化碳濃度檢測(cè)、顆粒物濃度檢測(cè)等）的傳感器聯(lián)結(jié)在一起，借助當(dāng)前比較普遍的WiFi/4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器并做出響應(yīng)，為身處大城市的用戶，尤其為身處城市空氣污染比較嚴(yán)重的用戶提供一個(gè)安全舒適的室內(nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能模塊簡(jiǎn)介

基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)以及本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為信息采集和決策控制兩部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)包括信息采集傳感器模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸三大部分。其中，信息采集模塊包括室內(nèi)室外溫濕度傳感器模塊、光照傳感器模塊、二氧化硫濃度檢測(cè)模塊、一氧化碳濃度檢測(cè)模塊和PM2.5濃度檢測(cè)模塊等，同時(shí)針對(duì)各地方主要空氣污染物的不同還可加裝不同的檢測(cè)模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)等，將各類(lèi)傳感器在室內(nèi)外收集的數(shù)據(jù)信息打包后，通過(guò)協(xié)調(diào)器處理后發(fā)送到數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 決策控制系統(tǒng)

決策控制系統(tǒng)包括智能手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)、Web終端及各控制模塊。通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)信息采集系統(tǒng)收集的家居環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，并將判斷結(jié)果發(fā)送到移動(dòng)終端，由用戶進(jìn)行手動(dòng)控制，同時(shí)各項(xiàng)搭載在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的控制模塊可以將控制指令及時(shí)、準(zhǔn)確地作用到具體器件上，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為主。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮終端節(jié)點(diǎn)的通信技術(shù)和如何給管理平臺(tái)傳送信息，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CC2530芯片。CC2530芯片是一款集低功耗、可編程、8 kB內(nèi)存RAM、5通道DMA、RF收發(fā)器等功能于一體的性能優(yōu)異的射頻單片機(jī)。CC2530用少量的外圍組件即可組成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其采用差分方式傳輸射頻信號(hào)，從而減少信號(hào)散射，增強(qiáng)信號(hào)電平，減少噪聲干擾，隔離電路板電源系統(tǒng)，有效保障信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力和速率。

以基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器為核心，本設(shè)計(jì)通過(guò)串口與智能網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的上行與下行，同時(shí)還可檢測(cè)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

2.1.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)連接不同類(lèi)型的傳感器、無(wú)線發(fā)射與接收模塊、步進(jìn)電機(jī)和繼電器等，是一個(gè)控制中心。終端節(jié)點(diǎn)將向單片機(jī)發(fā)送按鍵信息或者由無(wú)線接收模塊經(jīng)解碼后輸出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)分析接收的信息決定是否產(chǎn)生動(dòng)作、步進(jìn)電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)等，同時(shí)，用戶發(fā)送命令給終端控制器做出響應(yīng)。

2.1.3 具體傳感器的選擇

數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)是一個(gè)小型終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并發(fā)送到協(xié)調(diào)器，傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化硫濃度傳感器和一氧化碳濃度傳感器等。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，且信號(hào)傳輸距離超過(guò)20 m，產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，功耗低、體積小、接口簡(jiǎn)單，在智能物聯(lián)網(wǎng)中使用較普遍。

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，集成電路分辨率較大，外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，適用于智能家居傳感網(wǎng)絡(luò)。

MQ-2煙霧傳感器可用于氣體泄漏監(jiān)測(cè)，可監(jiān)測(cè)家中常見(jiàn)的氣體包括天然氣、一氧化碳等，該傳感器具有功耗低、精度高、靈敏度高、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)采用MQ-2煙霧傳感器作為一氧化碳濃度檢測(cè)工具。

其他空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊還包括二氧化硫濃度檢測(cè)模塊、二氧化氮濃度檢測(cè)模塊等，同時(shí)，針對(duì)北方城市在冬季時(shí)PM2.5濃度較高的現(xiàn)象，還可以搭載PM2.5濃度檢測(cè)模塊，使用戶能夠?qū)崟r(shí)、全面地掌握空氣質(zhì)量信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在智能環(huán)境信息采集過(guò)程中，由于各節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)的功能不同，所以需要加以相應(yīng)軟件。本設(shè)計(jì)軟件部分包括傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、ZigBee通信設(shè)計(jì)和UI交互界面設(shè)計(jì)。

2.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)初始化后，各類(lèi)不同性質(zhì)的傳感器對(duì)室內(nèi)外環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，包括室內(nèi)外溫濕度、光照強(qiáng)度、一氧化碳濃度、二氧化硫濃度、PM2.5濃度等。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器模塊通過(guò)ZigBee技術(shù)搭建成一個(gè)家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的互聯(lián)互通。

2.2.2 ZigBee通信軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)智能家居在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)特采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)即可。本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)以及終端控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收發(fā)命令、數(shù)據(jù)采集傳輸、控制輸出等，同時(shí)采用電源休眠技術(shù)降低系統(tǒng)能耗，滿足終端節(jié)點(diǎn)省電的需求。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立、管理，協(xié)調(diào)器在完成初始化、建立網(wǎng)絡(luò)后，等待串口命令，并將已收到的命令處理后再次發(fā)送給不同節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 UI交互界面設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)基于手機(jī)安卓系統(tǒng)進(jìn)行交互界面的開(kāi)發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)功能，將主要界面設(shè)置為主頁(yè)、功能、參數(shù)、設(shè)置四項(xiàng)，其中查看參數(shù)為本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與模塊連接，將各終端連入互聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)終端。例如PM2.5模塊，待安裝聯(lián)網(wǎng)后預(yù)先設(shè)定一個(gè)正常PM2.5值，當(dāng)空氣中的PM2.5濃度高于該值時(shí)，模塊通電輸出高電平，將信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，如果用戶設(shè)置的是自動(dòng)處理模式，那么系統(tǒng)自動(dòng)響應(yīng)，將指令信號(hào)發(fā)送回ZigBee網(wǎng)絡(luò)，控制窗戶控制模塊輸出高電平，將窗戶關(guān)閉，同時(shí)啟動(dòng)室內(nèi)空氣凈化裝置，保持室內(nèi)空氣清新。采用累積檢測(cè)的方式，間隔時(shí)間為5 min，若5 min后濃度降低，則窗戶控制模塊將延遲5 min，等待下一次檢測(cè)結(jié)果，若下一次升高，則窗戶保持關(guān)閉，若降低，則窗戶開(kāi)啟，同時(shí)關(guān)閉空氣凈化裝置。如果設(shè)置為手動(dòng)模式，則數(shù)據(jù)中心將數(shù)值傳送至手機(jī)終端，濃度較高，數(shù)值顯示為紅色，同時(shí)對(duì)用戶發(fā)出提醒，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。環(huán)境信息參數(shù)界面如圖2所示。

圖2 環(huán)境信息參數(shù)界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)近年來(lái)市場(chǎng)上比較流行的智能家居在環(huán)境污染方面存在的不足，設(shè)計(jì)出以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各種傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等的智能環(huán)境信息采集技術(shù)，從而為用戶在應(yīng)對(duì)空氣污染方面提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。本文基于CC2530芯片設(shè)計(jì)了ZigBee硬件和軟件，可根據(jù)所處地方環(huán)境污染物的不同加入或撤出傳感器模塊，相比于傳統(tǒng)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)在具體功能方面更加具有針對(duì)性，同時(shí)在手機(jī)終端設(shè)計(jì)有智能與手動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)，通過(guò)字體顏色的變化及文字描述和振動(dòng)提醒，確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性，更增強(qiáng)了靈活性與針對(duì)性，同時(shí)也減少了不必要的投資，大大提高了系統(tǒng)的可信度。