智能家居環境監測系統設計與實現

智能家居是指在智能化、自動化、信息化的基礎上利用傳感器網絡等進行數據傳輸，實現家居電器的智能控制，隨著4G網絡的快速發展，智能家居的及時出現為人們享受生活提供了一個更好的選擇。

一、智能家居環境監測系統總體設計

基于ZigBee無線通信技術構建的室內環境監測系統主要實現室內溫度、氧氣、一氧化碳、二氧化硫、濕度、甲烷和二氧化碳含量等家居環境的檢測，其次是監測生活用水、用電和用氣的安全性和用量，三是監測室內各種生活家電的狀態等。系統設計中，基于ZigBee的傳感器節點將室內環境信息發送到無線傳感器網絡的匯聚節點，通過ARM微處理器實現嵌入式編程，然手通過ARM微處理器和ZigBee匯聚節點實現有效的網絡串行通信。通過該系統，采集室內環境信息、輸入操作命令、輸出操作結果、集中控制室內環境、遠程控制家用電器、聯動控制室內安防系統等功能。

二、智能家居環境監測系統詳細設計

2.1室內環境信息采集功能

通過部署在室內的傳感器節點，實現無線傳感器網絡的室內環境信息采集，以便能夠將室內溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、甲烷及生活用水和生活電氣等相關信息傳遞到系統中。信息采集和感知是室內環境系統最基本的功能，需要將傳感器節點進行良好的部署和優化，以便在最小能量耗費下實現節點的全方位覆蓋。

2.2 室內環境信息傳輸功能

傳感器節點采集相關的網絡信息后，通過4G網絡傳輸到ZigBee匯聚節點，匯聚節點將多個傳感器節點信息傳輸到室內監測系統的服務器，以便服務器進行處理。信息傳輸過程中，為了實現高效數據傳輸和分發，需要將數據進行壓縮和存儲，實現傳感器網絡的聚簇作用，同時為了降低傳感器網絡的通信開銷、平衡節點間負載，需要對傳感器網絡節點和傳輸節點進行設計。

2.3 室內環境信息處理功能

數據傳輸到服務器后，環境監測裝置負責處理采集到的數據信息，發現相關的信息超過用戶設置的預警值，則傳感器檢測裝置通過4G通信網絡以短信或數據通信的方式通知用戶，同時將收集的信息存儲到服務器數據庫中。邏輯業務處理將數據統計分析和預測結果發送到相關界面，以便用戶查看和分析。

三、Zigbee無線傳感網絡系統硬件設計

3.1 Zigbee硬件節點選型

基于Zigbee技術的無線傳感器網絡中，節點包括終端節點和網關節點。終端節點即組成無線傳感器網絡的傳感器節點，完成數據采集、數據傳輸的功能，硬件部分主要由電源模塊、電源管理模塊、時鐘模塊、射頻天線單元、LED顯示模塊、信號調理模塊和傳感器模塊共同構成。網關節點又被稱為路由器節點，主要作用是實現數據匯聚和轉發功能。在無線傳感器網絡中，網關節點可以自由靈活放置，主要能量來源于電池，硬件電路結構由電源模塊、時鐘模塊、CC2350（德州儀器）、射頻天線單元、LED顯示模塊共同組成。

3.2 硬件節點通信功能

ZigBee無線傳感器網路主要包括三種節點，分別是傳感器終端節點、路由轉發節點和一些控制節點，每一種節點都具備不同的功能，以便實現數據采集、數據傳輸、數據處理和數據轉發等功能。終端通信節點讀取室內各種環境信息，并將數據封裝、發送到相關的匯聚節點，同時接收相關的響應指令，以便實現自動化的調節和網絡覆蓋；路由節點讀取傳感器采集的數據，并將數據封裝、發送到相關的服務器，同時接收響應指令，實現路由轉發數據的功能；協調器節點的功能主要是接收下位機的相關數據，同時轉發系統發送的指令信息，以便控制傳感器的采集數據分布區域和位置，具有非常重要功能。

四、傳感器實現

基于無線傳感器網絡的室內環境監測系統采用Linux操作系統中的嵌入式網絡應用軟件開發QT開發完成。Linux操作系統擁有的核心API能夠完成基本的通信需求，對于具體的溫濕度傳感器驅動組件、甲醛傳感器驅動組件，需要進行二次開發。

4.1溫濕度傳感器驅動實現

溫濕度傳感器驅動組件包括四個關鍵文件，系統開發中命名為頭文件SHT.h、接口文件SHT.nc、配置組件SHTC.nc和模塊組件SHTP.nc，結合Linux操作系統提供的MainC.nc和TimerMilliC（）組件共同構成了傳感器驅動組件。頭文件SHT.h頭文件描述溫濕度傳感器和控制器之間的信號控制和硬件連接，可以配置硬件通信描述層的內容；配置組件SHTC.nc定義和描述模塊組件SHTP.nc中的相關接口、構成組件以及二者之間的關系；模塊組件SHTP.nc初始化溫濕度傳感器、測量溫濕度、讀取傳感器數據，是溫濕度傳感器組件的核心業務邏輯組成部分。應用層組件通過接口文件SHT.nc中的相關命令，與溫濕度傳感器交互。

4.2甲醛傳感器驅動實現

甲醛傳感器驅動組件包括三個關鍵文件，系統開發中命名為接口文件Formalin.nc、配置組件FormalinC.nc和模塊組件FormalinP.nc，結合Linux操作系統提供的PlatformSerialC.nc組件共同構成了甲醛傳感器驅動組件。配置組件FormalinC.nc定義模塊組件FormalinP.nc和接口之間的關系；模塊組件FormalinP.nc初始化傳感器、測量甲醛數據和讀取數據的邏輯業務；接口文件Formalin.nc抽象甲醛傳感器功能，以便為應用層提供邏輯業務響應。

五、小結

本文闡述了智能家居環境監測系統的功能，使用軟件工程技術進行系統功能建模。設計無線傳感器網絡系統總體架構，闡述傳感器網絡的通信功能，并對無線傳感器網絡中節點選型進行設計，同時描述了ZigBee網絡組網實現、溫濕度傳感器驅動實現、甲醛傳感器驅動組件實現，具有重要的作用和意義。

（作者單位：1鄭州輕工業學院2河南省工商行政管理學校）