王亞林，王清勃，查文華

東華理工大學機械與電子工程學院，江西，南昌，330013

0 引言

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展和百姓生活水平的提高，人們對家居環(huán)境的品質要求越來越高，家中空氣濕度、溫度和不健康氣體等逐漸被重視和關注起來。本文設計一種在線家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以GEC-S5P6818為控制器，在其外圍加上溫度、光照等傳感器模塊，可以采集環(huán)境溫度、濕度、大氣壓強和光照強度等信息，并在LCD屏上顯示出來，同時也將數(shù)據(jù)通過MQTT實時上傳阿里云服務平臺，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)在線監(jiān)控和顯示，達到了對監(jiān)控環(huán)境的實時監(jiān)測[1-2]。

1 智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要硬件部分

使用的GEC-S5P6818開發(fā)平臺有豐富的外圍設備，支持以太網(wǎng)、USB接口和MIPI接口。在底板背部留有一個40PIN的LCD接口，通過軟排線將RGB相關信號連接到LCD控制板上[3]，硬件結構總體框圖如圖1所示。

圖1 硬件結構總體框圖

1.1 LCD顯示字符部分

利用了分辨率為800*480的LCD顯示屏。當顯示BGM圖片時，把顏色值填入幀緩沖設備中，底層驅動按照從左到右、從上到下的順序把屏幕每個像素點顯示成對應的顏色，在LCD屏上就能顯示出bmp圖片。當內存映射時，使用mmap函數(shù)把一個文件映射到內存，映射成功之后就可以像操作內存一樣操作這個文件，進而對文件進行一系列操作。

1.2 GY-39傳感器模塊

使用的GY-39是一款能實現(xiàn)氣壓、溫濕度、光照強度采集的傳感器模塊，工作電壓3～5V，當MCU收集傳感器數(shù)據(jù)后，通過用戶解析統(tǒng)一處理后，在終端顯示出計算后的結果。

1.3 火焰?zhèn)鞲衅鞑糠?/h3>

使用的火焰?zhèn)鞲衅鬟B接在開發(fā)板的串口上，工作電壓3.3～5V；比較器輸出信號，波形良好，具有驅動能力，輸出電流達15mA以上。火焰?zhèn)鞲衅骺蓹z測波長范圍在760～1100nm內的火焰。在測試初期，一直使用打火機作火源，火焰距離80cm左右，火焰越大，測試距離越遠。檢測角度縱向約為60度，利用傳感器對火焰光譜的敏感性，在可調電位器調節(jié)下，可適當調節(jié)火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度。在檢測范圍內，當檢測到火苗或明顯的光照時，AD口采集到數(shù)據(jù)后會向核心板發(fā)送高電位“1”，串口RX收到該數(shù)據(jù)后，開始調用蜂鳴器函數(shù)并驅使蜂鳴器發(fā)聲，如果火焰不結束，蜂鳴器會一直鳴叫。

2 開發(fā)環(huán)境及配置設計

在嵌入式開發(fā)平臺創(chuàng)建好開發(fā)環(huán)境后進行配置、安裝，然后在主機上編輯和調試嵌入式程序，并將文件執(zhí)行寫入目標機中。利用虛擬機系統(tǒng)、物理機系統(tǒng)和ARM開發(fā)板文件的共享功能，實現(xiàn)編譯程序代碼及跨平臺代碼的信息編輯[4-5]。

設計中利用source insight4.0進行代碼書寫、管理。其中，Ubuntu的代碼編譯使用arm-linuxgcc系列工具，在遇見錯誤和邏輯問題時，為穩(wěn)定執(zhí)行過程，做到及時修改程序，可使用gdb進行調試。在PC機上編譯完成后，利用rz工具進行燒寫，然后經(jīng)過串口寫進S5P6818開發(fā)板上。接入網(wǎng)線到開發(fā)板中會出現(xiàn)以下情況。

（1）在SecureCRT終端可以打開以下信息：[4147.078000] PHY: stmmac-0:04 - Link is Up - 1000/Full，說明當前以太網(wǎng)口已經(jīng)被激活可以使用。

（2）以太網(wǎng)口LED燈在閃爍,說明在測試Windows與開發(fā)板是不是連通；開發(fā)板ping百度時出現(xiàn)：

[root@GEC6818 /]#ping www.baidu.com

PING www.baidu.com: 56 data bytes

64 bytes from www.baidu.com: seq=0 ttl=64 time=1.888 ms

64 bytes from www.baidu.com: seq=1 ttl=64 time=0.648 ms

如果出現(xiàn)跳秒現(xiàn)象的話，說明開發(fā)板可與ping通PC機。

4 采集數(shù)據(jù)及計算過程

4.1 數(shù)據(jù)采集過程

由于GY-39模塊采集到的數(shù)據(jù)，輸出格式固定，每幀數(shù)據(jù)均含十六進制的8～13個字節(jié)，各幀含義如下：

Byte0: 0x5A，幀頭標志；

Bytel:0x5A，幀頭標志；

Byte2:0x15，本幀數(shù)據(jù)類型；

Byte3:0x04，數(shù)據(jù)量；

Byte4:0x00～0xFF，數(shù)據(jù)前高8位；

Byte5:0x00～0xFF，數(shù)據(jù)前低8位；

Byte6:0x00～0xFF，數(shù)據(jù)后高8位；

Byte7:0x00～0xFF，數(shù)據(jù)后低8位；

Byte8:0x00～0xFF，校驗和。

4.2 GY-39模塊涉及的數(shù)據(jù)計算

（1）光照強度計算（當Byte2=0x15時,數(shù)據(jù):Byte4～Byte7）。

Lux=(前高8位＜＜24)| (前低8位＜＜16)| (后高8位＜＜8)|后低8位單位lux；

Lux=(0x00＜＜24)|(0x00＜＜16) |(0xFE＜＜8)0x40；

Lux= Lux/100-650.88 (lux)；

（2）溫度、氣壓、濕度、海拔，分別計算（當Byte2=0x45時）。

溫度：Byte4 Byte5；

T=(高8位＜＜8)| 低8位；

T= T/100單位C；

氣壓: Byte6-Byte9；

P= (前高8位＜＜24)| (前低8位＜＜16)| (后高8位＜＜8)| 后低8位；

P= P/100 單位pa；

濕度: Byte10-Byte11；

Hum= (高8位＜＜8) |低8位；

Hum= Hum/100 百分制；

海拔: Bytel2～Byte13；

H= (高8位＜＜8)| 低8位 單位m；

火焰?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)為高低電平，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)讀出來，高電平為1，低電平為0；將1和0作為字符串傳遞到應用的函數(shù)中即可，隨后將導出的串口恢復。實驗中，收集的部分數(shù)據(jù)見表1，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與普通儀表采集數(shù)據(jù)對比如圖2所示。

表1 實驗采集數(shù)據(jù)

圖2 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與普通儀表采集數(shù)據(jù)對比

5 MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)上報

系統(tǒng)是基于Aliyun mqtt的數(shù)據(jù)上傳的代理協(xié)議，提供一對多分發(fā)消息，發(fā)布者可以匹配多個訂閱者，當發(fā)布者更改時，可以通知所有訂閱者，這種模式提供多個基于網(wǎng)絡拓撲結構的擴展功能。在物聯(lián)網(wǎng)平臺上自定義Topic類后，設備將消息發(fā)送到自定義Topic中，服務端通過 SDK獲取設備上報消息，服務端通過調用云端API Pub向設備發(fā)布指令，實現(xiàn)智能家居在線監(jiān)控。來自IOT平臺相應設備的數(shù)據(jù)顯示在對象模型的選項卡上，數(shù)據(jù)驗證通過后，它將與設備數(shù)據(jù)表單中的設備詳細信息頁面一起顯示在IOT控制臺平臺上對應選項卡，服務器可以通過基本引擎獲取響應結果，設備事件屬性，數(shù)據(jù)，設備設置和屬性，服務調用命令，預訂服務，產(chǎn)品流云。通過定義物模型并設置實時刷新來實時查看采集到的數(shù)據(jù)，并且可以選擇圖表和表格的形式，使得數(shù)據(jù)更加的直觀。

5.1 開發(fā)MQTT庫需要提供命令

Connect：當一個TCP/IP套接字在服務器端和客戶端連接建立時需使用的命令。

publish：是由客戶端向服務端發(fā)送，告訴服務器端自己感興趣的Topic。

disconnect：斷開這個TCP/IP協(xié)議。

5.2 數(shù)據(jù)上報

采集到的一系列數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，需要通過設備發(fā)送上報到云平臺，即可實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的在線查看功能，利用打火機進行實驗監(jiān)測時，電腦監(jiān)控界面出現(xiàn)異常報警信號，如圖3所示。

圖3 打火機測試報警信號

6 結語

本文利用嵌入式技術、物聯(lián)網(wǎng)技術進行了家居環(huán)境的實驗研究，實時監(jiān)測出了家居環(huán)境的溫度、濕度、光照強度等。但所設計系統(tǒng)也有不完美之處，偶爾出現(xiàn)數(shù)據(jù)的精度不夠問題，且由于預算經(jīng)費的限制，限制使用功能選用更好的模塊，后續(xù)在功能擴展、精度條件和算法等方面還有深度研究的價值。理想型智能家居傳感器終端應具有自適應判斷環(huán)境、自我診斷和自我修復的能力，可以有效地改善智能家居應用的動態(tài)智能協(xié)作感知。此外，隨著中國三大電信運營商對5G網(wǎng)絡和應用的快速發(fā)展，依靠最新的5G網(wǎng)絡優(yōu)勢，結合智能家居應用的特點，5G手機被用于實現(xiàn)可視對講等服務。另外，在保證安全的基礎上，通過終端模塊加載和自動發(fā)現(xiàn)協(xié)議，使一些設備能通過大數(shù)據(jù)獲取人們的日?；顒?，對家庭網(wǎng)絡的訪問將更加自動化，實現(xiàn)即插即用。