探究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的家庭環(huán)境監(jiān)測系統(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的逐步增強(qiáng)，人們開始越來越關(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)測系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)功能的一個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)測中，對構(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、開發(fā)成本低、時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)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，通過各種傳感器采集溫濕度、有害氣體、煙霧等環(huán)境信息，并以無線方式將該信息及時反饋給上位機(jī)和用戶手機(jī)終端，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制。同時系統(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)測系統(tǒng)

無線傳感器網(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)感知對象的監(jiān)測信息，并通過無線通信網(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)測區(qū)域的情況并做出反應(yīng)。

本文采用低功耗、輕量級的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能家居環(huán)境監(jiān)測。IPv6技術(shù)的引入，使無線傳感器網(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)，方便并簡化了各種應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?；贗Pv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能家居環(huán)境監(jiān)測網(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)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

⑴智能家居監(jiān)控中心：實(shí)時地顯示家庭環(huán)境信息，用戶可以通過智能手機(jī)或者PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對網(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：通過家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)路與以太網(wǎng)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)對無線數(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，提供遠(yuǎn)程監(jiān)控的平臺。

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)：組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的采集，并通過無線傳感器網(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)對數(shù)據(jù)的采集，處理和無線信號的收發(fā)。因此，本文將分別針對這三類節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)

IPv6無線傳感器節(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I/O接口傳輸給通信模塊。只要包括多個傳感器：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無線收發(fā)芯片，它是一款集成了8051內(nèi)核和一個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。時鐘電路為芯片提供工作時鐘信號的32MHZ時鐘電路和為休眠時提供時鐘信號的32.768KHZ時鐘電路。電源模塊增加了電池供電方式，即可通過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，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)相對簡單，主要由電源模塊、時鐘模塊、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，它還需要對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以及通過以太網(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存儲電路、時鐘電路等。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功能模塊所需的工作電壓，使整個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)在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)通過電源的管理功能關(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，它首先打開數(shù)據(jù)采集部分的工作電源。延長一段時間后，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)測系統(tǒng)測試

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，需要對系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試，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，在已有的智能家居平臺上，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，測試結(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，戶主可以通過PC終端和智能手機(jī)終端實(shí)時地查詢到家庭環(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試結(jié)果。

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

圖10 智能手機(jī)終端測試顯示

圖11 PC終端測試顯示

總結(jié)

本論文在已有的智能家居平臺下，通過對IPv6無線傳感器網(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，可通過多種終端設(shè)備對家庭環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。在實(shí)際的系統(tǒng)長時間運(yùn)行過程中，各種功能和性能都處于正常的水平，但從物聯(lián)網(wǎng)長遠(yuǎn)的發(fā)展角度來說，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)確誤差測量等方面進(jìn)行改進(jìn)，對設(shè)備和系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化。

編輯：jq