智能家居中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

引言

家居環(huán)境是指家庭團(tuán)聚、休息、學(xué)習(xí)和家務(wù)勞動的環(huán)境。家居環(huán)境條件的好壞，直接影響著居民的發(fā)病率和死亡率。城市居民每天在室內(nèi)工作、學(xué)習(xí)和生活的時間占全天時間的90%左右，因此，居室環(huán)境與人類健康和兒童生長發(fā)育的關(guān)系極為密切。近年來，急性傳染性非典型肺炎（SARS）、H1NI豬流感及超級細(xì)菌的出現(xiàn)，都說明室內(nèi)環(huán)境健康的重要性。因此，“健康家居”、“智能家居”的新概念突顯其重要意義，也就是家居應(yīng)將安全、健康、舒適放在首位。

加強對家居環(huán)境的環(huán)境狀況（包括有害氣體含量、空氣濕度、室內(nèi)溫度、火災(zāi)引起的煙霧等）的實時監(jiān)測與治理，可為人們提供一個安全、健康、舒適的生活環(huán)境。

系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要是對家居環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度進(jìn)行實時的監(jiān)測。系統(tǒng)的主要工作有：自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、指標(biāo)分析，實時的將指標(biāo)信息顯示在液晶屏和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁上，當(dāng)溫度過高，煙霧濃度、有害氣體濃度超標(biāo)時，進(jìn)行本地聲光報警提示并發(fā)送遠(yuǎn)程報警信息到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)。根據(jù)需要，本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分：前端信息采集端、信息處理中心、遠(yuǎn)端監(jiān)控端。

前端信息采集端：因WIA-PA無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)靈活、快速;自適應(yīng)跳頻模式與重傳機(jī)制，保障通信可靠性更加有效;支持網(wǎng)內(nèi)報文聚合，降低網(wǎng)絡(luò)開銷，延長電池壽命;兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可以使用現(xiàn)有商品器件，易于實現(xiàn);兼容無線HART標(biāo)準(zhǔn)，支持HART命令，很容易升級傳統(tǒng)儀表為其增加無線通信功能;用戶可以方便的使用、管理，無需較高的專業(yè)知識。因而這里采用的是基于WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的WIA-PA工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、甲烷等傳感器分布在家居環(huán)境內(nèi)，采集各種環(huán)境變量信息并將信息發(fā)送到無線網(wǎng)關(guān)處。

信息處理中心是以GM8120為核心處理器的室內(nèi)中心控制機(jī)，主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、本地實時顯示、異常報警，報警信息的遠(yuǎn)程發(fā)送。

遠(yuǎn)程監(jiān)控端即智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)在接收到來自室內(nèi)中心控制機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)境信息后將實時的在遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面上顯示傳感器數(shù)據(jù)指標(biāo);當(dāng)接收到遠(yuǎn)程報警時，進(jìn)行遠(yuǎn)程的報警提示并將報警信息的存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

硬件平臺

硬件平臺采用以GM8120 Soc為核心處理器的硬件系統(tǒng)。室內(nèi)中心控制機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 室內(nèi)中心控制機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

其中GM8120核心處理器具有以下功能特點：

? 1.8V內(nèi)核供電，3.3V外部I/O供電;

? 具備8KB的I-Cache和8KB的D-Cache/MMU;

? 外部存儲控制器（SDRAM控制和異步SRAM/ROM/Flash控制器）;

? LCD控制器;

? 具有PLL片上時鐘發(fā)生器;

? 視頻捕捉接口：CCIR-656和CCIR601接口;

? MPEG-4和JPEG編/解碼引擎;

? 10M/100M以太網(wǎng)卡控制器;

? 外部存儲接口整合High Speed USB2.0 OTG控制器與PHY的IP;

? 通用異步收發(fā)器UART、串行的I2C和I2S接口;

? 32位看門狗定時器;

? 具有日歷功能的RTC;

? 調(diào)試接口JTAG;

? SD卡接口;

? 16個通用I/O口和4通道外部中斷源。

同時GM8120還是一款針對在Internet上傳送音/視頻數(shù)據(jù)的SoC芯片，內(nèi)核為ARM9、支持MPEG-4編/解碼且MPEG-4實時編碼/解碼可以達(dá)到30fps、分辨率可以達(dá)到D1，是目前業(yè)界少見的高集成度硬件MPEG4編/解碼芯片。因而是一款比較適合做室內(nèi)中心控制機(jī)的核心處理芯片。

軟件實現(xiàn)方案

硬件平臺搭建好以后，進(jìn)行本系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境的搭建，開發(fā)ARM-Linux嵌入式操作系統(tǒng)，首先需要建立一個配套的開發(fā)環(huán)境，主要包括操作系統(tǒng)的移植、配置、編譯、調(diào)試環(huán)境等。系統(tǒng)程序用C語言和Linux函數(shù)在Source Insight中編寫實現(xiàn)，在虛擬機(jī)中進(jìn)行程序的編譯、調(diào)試和下載。

智能家居的家居環(huán)境實時監(jiān)測報警系統(tǒng)中的核心是室內(nèi)中心控制機(jī)。室內(nèi)中心控制機(jī)主要負(fù)責(zé)家居環(huán)境信息的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理，并協(xié)調(diào)、控制各模塊正常工作的重要設(shè)備。因而室內(nèi)中心控制機(jī)主要有以下功能模塊：室內(nèi)中心控制機(jī)系統(tǒng)初始化模塊、環(huán)境信息捕獲模塊、環(huán)境信息處理模塊、環(huán)境信息實時顯示處理模塊、信息異常聲音報警模塊、環(huán)境信息異常圖像顯示模塊。其中室內(nèi)中心控制機(jī)的軟件架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 室內(nèi)中心控制機(jī)軟件架構(gòu)圖

系統(tǒng)初始化模塊：對室內(nèi)中心控制機(jī)的硬件所有接口進(jìn)行配置及各變量的初始化。

環(huán)境信息捕獲模塊：室內(nèi)中心控制機(jī)通過監(jiān)聽UDP端口，捕獲WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的無線傳感器采集到的家居空氣、環(huán)境信息數(shù)據(jù)，將收到的數(shù)據(jù)傳送給環(huán)境信息處理模塊。

環(huán)境信息處理模塊：對收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、加工處理，計算各傳感器的值。一方面將處理后的信息發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息也能實時的更新。另一方面將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境信息實時顯示處理模塊，實現(xiàn)家居環(huán)境信息在室內(nèi)中心控制機(jī)上的實時顯示。

環(huán)境信息實時顯示處理模塊：對環(huán)境信息處理模塊傳送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示處理。

信息異常聲音報警模塊：當(dāng)室內(nèi)溫度過高或煙霧濃度、有害氣體含量超標(biāo)時，室內(nèi)中心機(jī)發(fā)出語音報警提示引起系統(tǒng)用戶的注意。

環(huán)境信息異常圖像顯示模塊：當(dāng)室內(nèi)溫度過高或者煙霧濃度、有害氣體含量超標(biāo)聲光報警時，室內(nèi)中心機(jī)發(fā)出聲光報警的同時彈出報警圖像操作界面，等待用戶通過操作室內(nèi)中心控制機(jī)觸摸屏查看信息或者取消報警信息等。

系統(tǒng)初始化完成以后，室內(nèi)中心控制機(jī)創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收線程獲取家居環(huán)境信息。傳感器會發(fā)送兩種數(shù)據(jù)包：一個是入網(wǎng)包，一個是數(shù)據(jù)包。收到入網(wǎng)包后，通過解析確定是哪個傳感器上線，然后在室內(nèi)中心機(jī)的相應(yīng)界面上顯示相應(yīng)傳感器的名稱。收到數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理提出有效數(shù)據(jù)信息，計算出傳感器的值，并在室內(nèi)中心控制機(jī)上進(jìn)行傳感器數(shù)值的實時顯示。同時將收到環(huán)境信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，進(jìn)行信息的及時更新和顯示。當(dāng)室內(nèi)溫度過高或者煙霧濃度、有害氣的含量超標(biāo)時，室內(nèi)中心控制機(jī)將進(jìn)行實時的本地報警同時將報警信息發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)控主機(jī)上。室內(nèi)中心控制機(jī)軟件主流程圖如圖4所示。

圖4 室內(nèi)中心控制機(jī)軟件流程圖

系統(tǒng)功能測試

環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能測試：主要對環(huán)境監(jiān)測值實時顯示和環(huán)境值異常時的報警功能進(jìn)行測試。

硬件組成：室內(nèi)中心控制機(jī)、WIA-PA網(wǎng)關(guān)、交換機(jī);WIA-PA溫/濕度傳感器、WIA-PA甲烷傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、路由器各兩個。

軟件組成：將寫好的室內(nèi)控制中心機(jī)程序下載到室內(nèi)中心控制機(jī)中，確保室內(nèi)中心機(jī)能正常工作，同時將各WIA-PA傳感器的程序和WIA-PA網(wǎng)關(guān)的程序下載到各自的硬件系統(tǒng)中確保能正常使用。同時將遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的管理軟件打開。

系統(tǒng)測試的地點選擇在按家居環(huán)境布局的展示廳。在展示廳的入門處安置一個室內(nèi)中心控制機(jī)。將WIA-PA網(wǎng)關(guān)放置在門后的交換機(jī)箱內(nèi)，按照房間（客廳、廚房）的布局，布置各傳感器，在客廳中安放WIA-PA路由器及WIA-PA溫、濕度傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器;在廚房中安放WIA-PA路由器、WIA-PA溫、濕度傳感器及WIA-PA甲烷傳感器。系統(tǒng)測試環(huán)境圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)測試環(huán)境圖

測試過程：將遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)與室內(nèi)中心控制機(jī)通過網(wǎng)線相連，然后打開WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)與WIA-PA路由器、各種傳感器。在室內(nèi)中心控制機(jī)家居安防主界面下點擊無線測量值按鈕，進(jìn)入到環(huán)境信息監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面，在室內(nèi)中心控制機(jī)界面上可以看到房間信息、傳感器數(shù)據(jù)信息以及經(jīng)過計算的各傳感器的采集值。

將10℃~100℃的電熱絲調(diào)至不同的溫度，放在溫度傳感器下，可以看到室內(nèi)中心控制機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的頁面上溫度傳感器的數(shù)值不斷地實時刷新改變;當(dāng)溫度傳感器的值超過事先設(shè)定的閾值后，室內(nèi)中心控制機(jī)會實時的發(fā)出本地聲光報警，同時發(fā)出遠(yuǎn)程報警信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面上也出現(xiàn)了溫度異常報警提示，同時查看數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)有報警信息的存儲。其中環(huán)境信息實時顯示和報警界面顯示如圖6所示。

圖6 環(huán)境測量實時顯示報警界面

結(jié)論

通過系統(tǒng)功能測試發(fā)現(xiàn)，基于WIA-PA無線傳感網(wǎng)絡(luò)的家居環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)能較好的實現(xiàn)對家居環(huán)境信息的實時采集;室內(nèi)中心控制機(jī)也能實時的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理、顯示環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并在異常時進(jìn)行本地聲光報警和發(fā)送遠(yuǎn)程報警信息。遠(yuǎn)程監(jiān)控頁面上也能實時的進(jìn)行環(huán)境信息更新，溫度過高、有害氣體超標(biāo)報警提示和報警信息的存儲。因而驗證了WIA-PA無線傳感網(wǎng)絡(luò)能較好地應(yīng)用于智能家居環(huán)境監(jiān)測中。