崔斌 李燕

摘? 要： 對于家庭環(huán)境中有效組網(wǎng)不方便、布線較為麻煩且移動(dòng)性較差的問題，提出WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的家庭環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先，利用STM32F103硬件平臺(tái)創(chuàng)建傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過WiFi模組和云服務(wù)器創(chuàng)建連接，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過Android收集APP和服務(wù)器通信得到數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測目的。另外，在室內(nèi)煙霧或者天然氣濃度超標(biāo)的時(shí)候，利用短信網(wǎng)關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警短信的發(fā)送，提醒用戶及時(shí)處理。最后，對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有功耗比較小、成本低、實(shí)時(shí)性良好和便于部署等優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程監(jiān)測; 家庭環(huán)境; WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)傳輸; 短信發(fā)送; 實(shí)時(shí)通信

中圖分類號(hào)： TN948.64?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）14?0013?04

Implementation of home environment remote monitoring system

based on WiFi network technology

CUI Bin， LI Yan

（Nanning Normal University， Nanning 530000， China）

Abstract： In allusion to the inconvenient network formation， troublesome wiring and poor mobility in the home environment， a design of the home environment remote monitoring system based on WiFi network technology is proposed. The sensor is created on the STM32F103 hardware platform to collect environmental data， and the connection between WiFi modules and cloud server is established to transmit the data. The communication data obtained by App and the server are collected through Android， so as to realize the remote real?time detection. In addition， when the concentration of indoor smoke or natural gas exceeds the standard， an alarm? short message is sent to its users by the SMS gateway technology to remind them for the timely processing. The designed system has passed its testing. The testing results show that the system has advantages of stable operation， low power consumption， low cost and good real?time performance， and is easy to deploy.

Keywords： remote monitoring; home environment; WiFi network technology; system design; data transmission; short message sending; real?time communication

0? 引? 言

在信息技術(shù)、科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到消防控制、智能建筑等行業(yè)中，并且逐漸成為社會(huì)各個(gè)行業(yè)安防的重點(diǎn)。目前，國內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了智能家居、智能小區(qū)等內(nèi)容產(chǎn)品，并且也實(shí)現(xiàn)了智能家居產(chǎn)品的開發(fā)，比如海爾網(wǎng)絡(luò)家電等，廣泛應(yīng)用到各國家庭中[1]。

隨著人們生活水平的不斷提高，人們也提出了高要求的生活環(huán)境和居住環(huán)境，都開始逐漸使用智能家居。為了滿足人們對居住環(huán)境的需求，相應(yīng)研究人員已經(jīng)開始研究智能家居[2]?；赪iFi技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使人們的生活體驗(yàn)需求得到提高。本文分析現(xiàn)代家庭環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的功能與需求，以此實(shí)現(xiàn)基于WiFi的家庭環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1為家庭環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成圖，主要包括無線通信模塊、終端節(jié)點(diǎn)、GSM模塊、嵌入式系統(tǒng)和智能手機(jī)。系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)能夠使氣體濃度、煙霧濃度等超過設(shè)置閾值信息和水浸、入侵等信息，利用無線模塊對嵌入式系統(tǒng)無線接收端發(fā)送[3]。

嵌入式系統(tǒng)為系統(tǒng)核心部分，其為控制程序在ROM中存儲(chǔ)的嵌入式處理器控制板。嵌入式系統(tǒng)一般執(zhí)行具備特定要求的預(yù)定定義任務(wù)中的片上計(jì)算機(jī)，只是對于一項(xiàng)特殊任務(wù)，設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化，降低尺寸和成本。其中，具有數(shù)字接口設(shè)備，包括微波爐、錄像機(jī)、汽車、手表等使用嵌入式系統(tǒng)，部分嵌入式系統(tǒng)還具備操作系統(tǒng)，但是大部分嵌入式系統(tǒng)都是通過單一程序使整體控制邏輯得到實(shí)現(xiàn)[4]。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 硬件收集和WiFi發(fā)送

將STM32F103芯片應(yīng)用到系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集過程中，使其成為控制的核心設(shè)備。AM2301對溫濕度信息進(jìn)行收集，MQ?2和MQ?4全面監(jiān)測天然氣與煙霧濃度安全狀態(tài)，VC706攝像頭能夠收集訪客的圖像。利用芯片實(shí)現(xiàn)收集所有信息的處理，并且發(fā)送到Web服務(wù)器中[5]，硬件結(jié)構(gòu)詳見圖2。

USR?WIFI232?T模組為一體化IEEE 802.11b/g/n WiFi低功耗嵌入式WiFi模組，能夠有效地集成射頻收發(fā)單元、基頻芯片和MAC，其中的嵌入式固件支持WiFi協(xié)議和配置。

另外，還具備透傳模式和命令模式，透傳組網(wǎng)方式較為簡單，傳輸速率比較快，并且還能夠?qū)崿F(xiàn)AT命令的發(fā)送，利用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包和傳輸，通過PFP文件信息精準(zhǔn)的傳輸[6]。

2.2? 溫濕度傳感器

本文設(shè)計(jì)溫濕度傳感器主要目的是對室內(nèi)溫濕度信息進(jìn)行收集，這時(shí)的傳感器能夠?qū)貪穸刃盘?hào)同時(shí)收集，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字信號(hào)的輸出，通過先進(jìn)傳感技術(shù)、收集技術(shù)和數(shù)字化模塊創(chuàng)建產(chǎn)品，從而降低產(chǎn)品的功耗和體積。

2.3? 煙霧傳感器

利用廚房煙霧的濃度指標(biāo)檢測煙霧濃度傳感器是否超標(biāo)，從而避免出現(xiàn)意外的火災(zāi)情況。煙霧傳感器包括離子式、光電式、氣敏式三種。氣敏式傳感器為三種方式中敏感度最高的，所以采用氣敏式傳感器對煙霧進(jìn)行均衡[7]。廚房氣體泄露會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)出現(xiàn)，通過MQ?2氣敏式煙霧傳感器進(jìn)行檢測能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。此煙霧傳感器包括數(shù)字開關(guān)量輸出與模擬量電壓輸出，通過系統(tǒng)的需求實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出。

簡單來說，假如環(huán)境中煙霧濃度高于閾值，模塊實(shí)現(xiàn)低電平的輸出;如果濃度和煙霧比閾值低，實(shí)現(xiàn)高電平的輸出[8]。

2.4? 紅外發(fā)射電路

為了使設(shè)計(jì)系統(tǒng)成本降低，通過紅外技術(shù)控制家用電器，在所有房間中安裝ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，連接傳感器外接口。利用干電池供電，空調(diào)遙控器使用開關(guān)量控制，終端節(jié)點(diǎn)和空調(diào)遙控器的按鍵相互連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，利用本地遙控器對空調(diào)溫度與開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)[9]。

2.5? WiFi傳感節(jié)點(diǎn)

WiFi傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、電源供應(yīng)模塊和無線電通信模塊構(gòu)成。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)SH11與TSL2500等傳感器的集成，以及監(jiān)測區(qū)域信息的收集。此信息為數(shù)字信號(hào)輸出，不需要A/S轉(zhuǎn)換。無線傳感模塊使用低功率高集成度SoC芯片，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的處理、存儲(chǔ)與無線收發(fā)操作。

電源供應(yīng)模塊能夠提供傳感節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行的能量，本文利用DC 3.6 V 5號(hào)AA電池供電。GS1010SoC芯片利用兩個(gè)ARM7處理器，其中一個(gè)屬于應(yīng)用處理器，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)FLASH與SRAM等存儲(chǔ)器的集成，外擴(kuò)兩個(gè)GPIO，I2C，ADC等接口，實(shí)現(xiàn)傳感器收集數(shù)字與模擬信息的接收[10]。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

使用T1公司半開源Zstack協(xié)議棧，使研發(fā)周期縮短，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)包括應(yīng)用層軟件開發(fā)與協(xié)議棧配置。

圖3為協(xié)調(diào)器程序流程圖。本文使用雙向綁定方法，由于綁定只在發(fā)起綁定一方創(chuàng)建，被綁定方不知道綁定方綁定地址，所以使用雙向綁定，使終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器雙向通信得到實(shí)現(xiàn)[7]。

因?yàn)榫哂卸鄠€(gè)終端節(jié)點(diǎn)，所以使用順序綁定方法。先對綁定節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行設(shè)置，成功之后實(shí)現(xiàn)綁定節(jié)點(diǎn)2的設(shè)置，以此類推到綁定全部終端節(jié)點(diǎn)。在函數(shù)void zb_BindConfirm中，標(biāo)志位count綁定協(xié)調(diào)器到終端節(jié)點(diǎn)之后，就會(huì)增加1，對綁定終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記錄。利用if語句設(shè)置終端節(jié)點(diǎn)綁定事件，綁定工作完成[11]。

3.2? 上位機(jī)設(shè)計(jì)

服務(wù)器端上位機(jī)軟件通過C++和MFC語言編寫，對WiFi模組發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽，為服務(wù)器和WiFi相互通信橋梁，包括數(shù)據(jù)處理、端口監(jiān)聽和用戶界面。用戶界面能夠?qū)iFi和服務(wù)器連接情況與所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)，將是否成功保存數(shù)據(jù)展現(xiàn)。

利用套接字，使端口監(jiān)聽部分監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口，通過監(jiān)聽得到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包請求到達(dá)，創(chuàng)建套接字和數(shù)據(jù)包的連接[12]。

數(shù)據(jù)處理利用解析和解包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和分類保存，在實(shí)現(xiàn)WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，將0Xdd0X01添加到數(shù)據(jù)包中，表示天然氣、溫度值和延誤等傳感器數(shù)據(jù)，0Xcc0X01對圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，對數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地進(jìn)行處理。

上位機(jī)在啟動(dòng)云服務(wù)器之后能夠監(jiān)聽WiFi客戶端的連接請求，等待數(shù)據(jù)接收與處理[13]。

3.3? 服務(wù)器數(shù)據(jù)監(jiān)測

此部分包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫接口、Web接口與命令發(fā)送接口，在Web接口發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)屬性請求修改的時(shí)候，將修改屬性命令發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)。使封裝數(shù)據(jù)對Web接口發(fā)送，對數(shù)據(jù)請求進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)操作，并且記錄日志，接收Web接口發(fā)送的數(shù)據(jù)庫索引請求提取數(shù)據(jù)對Web接口，封裝相應(yīng)信息。

啟動(dòng)服務(wù)器之后等待客戶端請求，客戶端將請求對服務(wù)器發(fā)送，服務(wù)器接收請求并且對請求類型判斷，主要請求類型包括控制WSN命令、歷史記錄查詢、室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控等。在服務(wù)器實(shí)現(xiàn)客戶端請求室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控接收時(shí)，服務(wù)器利用Socket對WSN數(shù)據(jù)包進(jìn)行監(jiān)聽。如果監(jiān)聽失敗，繼續(xù)監(jiān)聽;假如成功監(jiān)聽，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析之后數(shù)據(jù)包對客戶端反饋，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫寫入。在實(shí)現(xiàn)其他類型請求接收的時(shí)候，服務(wù)器以不同請求進(jìn)行處理，服務(wù)器使處理后結(jié)果對客戶端反饋。如果實(shí)現(xiàn)服務(wù)關(guān)閉命令的接收，退出服務(wù)。

4? 測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)在灰度濃度檢測過程中，使用兩套方案，第一種為正常測量灰塵傳感器，第二種為添加卡爾曼濾波算法灰塵傳感器測量?；覊m傳感器模塊在工作過程中使外界溫濕度、振動(dòng)、風(fēng)速導(dǎo)致的偶然誤差降低，提高整體系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。兩套方案使用相同單片機(jī)、時(shí)間和參數(shù)。圖4為智能家居WiFi監(jiān)控的界面。

瀏覽器端調(diào)試包括本地服務(wù)器開啟操作與瀏覽器整體界面的UI顯示。為了提高用戶體驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中，使用多種過濾樣式，使人們交互感得到提高[14]。

5? 結(jié)? 語

本文將設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在家庭環(huán)境中，不僅能夠?qū)Ψ块g溫濕度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，還能夠?qū)抑锌照{(diào)、加濕器的開關(guān)進(jìn)行控制，以此對溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，創(chuàng)建舒適良好的環(huán)境。另外，傳感器能夠?qū)熿F濃度是否超標(biāo)進(jìn)行檢測，利用人體紅外模塊實(shí)現(xiàn)家庭的安防。此系統(tǒng)已經(jīng)開始部署和使用，效果良好，能夠滿足用戶的使用要求。

注：本文通訊作者為李燕。

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