探究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著人們生活水平的不斷提高和安全防范意識(shí)的逐步增強(qiáng)，人們開(kāi)始越來(lái)越關(guān)心自己的居住環(huán)境，不僅要求家居環(huán)境的人性化和舒適化，而且對(duì)智能化和安全化也提出了更高的要求。在物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展下，智能家居應(yīng)運(yùn)而生，家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)功能的一個(gè)重要組成部分和基本條件，是提供用戶安全、舒適、便捷生活的手段。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)中，對(duì)構(gòu)建智能家居系統(tǒng)和提高用戶生活環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

針對(duì)典型家庭環(huán)境中通信網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定性好、通信可靠、要求節(jié)點(diǎn)功耗低、開(kāi)發(fā)成本低、時(shí)延少以及靈活性和安全性等特點(diǎn)，本文采用CC2530芯片為核心進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，通過(guò)各種傳感器采集溫濕度、有害氣體、煙霧等環(huán)境信息，并以無(wú)線方式將該信息及時(shí)反饋給上位機(jī)和用戶手機(jī)終端，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。同時(shí)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，具有很好的移植性和擴(kuò)展性。

家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network， WSN）是傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個(gè)傳感器都可以感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域的情況并做出反應(yīng)。

本文采用低功耗、輕量級(jí)的IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)。IPv6技術(shù)的引入，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠共享現(xiàn)有Internet的各種成熟的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，方便并簡(jiǎn)化了各種應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；贗Pv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要由多種傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、控制中心節(jié)點(diǎn)、智能家居監(jiān)控中心組成。本文設(shè)計(jì)的智能家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)基于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文對(duì)系統(tǒng)中各模塊的功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

⑴智能家居監(jiān)控中心：實(shí)時(shí)地顯示家庭環(huán)境信息，用戶可以通過(guò)智能手機(jī)或者PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)置與管理，如發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)信息、設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)周期、采集環(huán)境信息的周期值大??；

⑵數(shù)據(jù)處理中心：通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)路與以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令，家庭服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的平臺(tái)。

⑶路由器節(jié)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由與轉(zhuǎn)發(fā)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；

⑷ 傳感器節(jié)點(diǎn)：組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的采集，并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送溫濕度、有害氣體（CO、SO2、甲醛）、煙霧、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)到家庭網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用6LoWPAN協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件主要由各種傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，處理和無(wú)線信號(hào)的收發(fā)。因此，本文將分別針對(duì)這三類節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

IPv6無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)整體方案采取模塊化設(shè)計(jì)方式，如圖2所示。設(shè)計(jì)方案包括通信模塊與傳感器兩部分，傳感器的功能是感知物理信息，并通過(guò)I/O接口傳輸給通信模塊。只要包括多個(gè)傳感器：溫濕度傳感器、CO傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器等。

通信模塊采用TI公司的CC2530無(wú)線收發(fā)芯片，它是一款集成了8051內(nèi)核和一個(gè)2.4G頻段的RF收發(fā)器的SOC芯片，內(nèi)部還集成了256K的Flash、8KB的RAM，提供了2路UARTS，支持7到12位分辨率的ADC，可編程輸出功率達(dá)+4dBm，可最大化通信范圍的101dBm鏈路預(yù)算。時(shí)鐘電路為芯片提供工作時(shí)鐘信號(hào)的32MHZ時(shí)鐘電路和為休眠時(shí)提供時(shí)鐘信號(hào)的32.768KHZ時(shí)鐘電路。電源模塊增加了電池供電方式，即可通過(guò)電池或有線電源供電。其他外圍電路包括：外圍接口電路、射頻匹配電路以及天線。

路由節(jié)點(diǎn)

路由器節(jié)點(diǎn)的功能從硬件的角度上看，主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。該節(jié)點(diǎn)在使用時(shí)，可以自由靈活放置，能量主要靠使用電池供電。因此，該節(jié)點(diǎn)的硬件電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC2530、射頻天線單元和指示燈LED模塊組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。在本系統(tǒng)中，它還需要對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及通過(guò)以太網(wǎng)與PC機(jī)連接通信。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其硬件大體上被分成了兩部分：核心處理模塊和主板功能模塊。其中核心處理模塊主要是S3C6410的最小系統(tǒng)電路，包括了SDRAM、Flash存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路等。主板功能模塊包括電源電路、以太網(wǎng)接口電路、CC2530電路、藍(lán)牙電路、串口調(diào)試電路以及RS485接口電路等。

電源電路主要提供核心處理模塊和主板上各個(gè)功能模塊所需的工作電壓，使整個(gè)控制中心能夠正常穩(wěn)定的工作；以太網(wǎng)接口電路主要用于網(wǎng)絡(luò)連接和通信；CC2530電路和藍(lán)牙電路主要用于構(gòu)建智能家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；串口調(diào)試電路為調(diào)試控制中心的軟件程序提供了一個(gè)穩(wěn)定的調(diào)試接口；RS485接口電路主要用于家庭內(nèi)部有線設(shè)備與家庭無(wú)線網(wǎng)關(guān)的通信。

圖4 家庭網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為應(yīng)用層軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層軟件是關(guān)鍵部分。也是本文軟件部分主要研究的內(nèi)容。

本系統(tǒng)將應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和控制功能。

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件啟動(dòng)后，它先進(jìn)行初始化工作，初始化完成之后，將節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和角色信息經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)之后發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，為了降低系統(tǒng)的功耗，節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)通過(guò)電源的管理功能關(guān)斷數(shù)據(jù)采集部分的電源，并進(jìn)入指令等待狀態(tài)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)采集指令時(shí)，它首先打開(kāi)數(shù)據(jù)采集部分的工作電源。延長(zhǎng)一段時(shí)間后，它再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集操作，并將采集到的信息發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)。工作流程圖如圖5所示。

智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合測(cè)試，從而全面了解系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)主要用于智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)，在已有的智能家居平臺(tái)上，進(jìn)行溫濕度、有害氣體（CO、甲烷等）以及煙霧等環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如下：

⑴溫濕度

圖6 溫濕度數(shù)據(jù)采集圖

圖6數(shù)據(jù)是在服務(wù)器終端上顯示的數(shù)據(jù)采集過(guò)程，當(dāng)前采集到的智能家居溫度值是30.0℃，濕度值是64.0%rh，舒適度值是88.16843。

⑵煙霧

從圖7數(shù)據(jù)中得知，當(dāng)前采集到室內(nèi)煙霧值為11.0ppm。

圖7 煙霧數(shù)據(jù)采集圖

⑶CO

從圖8數(shù)據(jù)中得知，當(dāng)前采集到室內(nèi)CO值為750.0ppm。

圖8 CO數(shù)據(jù)采集圖

⑷甲烷

從圖9數(shù)據(jù)中得知，當(dāng)前采集到室內(nèi)甲烷值為6.0ml/g.r。

圖9 甲烷數(shù)據(jù)采集圖

同時(shí)，戶主可以通過(guò)PC終端和智能手機(jī)終端實(shí)時(shí)地查詢到家庭環(huán)境信息，如圖10、圖11所示。

圖10中在智能手機(jī)終端上顯示傳感器測(cè)試到的各種家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，分別以臥室和客廳為例給出測(cè)試結(jié)果。

圖11是在中在PC終端上顯示傳感器測(cè)試到的各種家庭環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖10 智能手機(jī)終端測(cè)試顯示

圖11 PC終端測(cè)試顯示

總結(jié)

本論文在已有的智能家居平臺(tái)下，通過(guò)對(duì)IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論以及相關(guān)軟硬件的研究，結(jié)合實(shí)際家庭用戶的需求，按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則，研究設(shè)計(jì)了家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境例如溫濕度、有害氣體、粉塵等信息的采集和遠(yuǎn)程傳送，可通過(guò)多種終端設(shè)備對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。在實(shí)際的系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，各種功能和性能都處于正常的水平，但從物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，還需要進(jìn)一步在能耗數(shù)據(jù)采集精度、外殼工藝、數(shù)據(jù)信息種類、準(zhǔn)確誤差測(cè)量等方面進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化。

編輯：jq