基于MT7623A的遠程室內環境監測系統設計*

劉雄飛， 陳 浩， 聶 偉， 賴思敏

(1.中南大學 物理與電子學院，湖南 長沙 410083；2.湖南恒茂高科股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

對室內環境因子進行實時監測和控制對于保證身體健康具有非常現實的意義[1]。近年來，許多研究將無線通信技術應用于環境監測領域,例如基于全球移動通信系統(global system for mobile communications,GSM)的溫濕度環境參數遠程無線監測系統[2],基于IEEE 802.116標準的無線局域網(WiFi)的樓宇環境監測系統[3]，但存在著功耗大、成本高等弊端，無法在室內監控領域進行大規模推廣與應用。本文設計了一種基于MT7623A的遠程環境監測系統，具有低功耗、組網靈活、擴展性強等優點，適用于商場、酒店等室內環境的監測，解決了室內環境實時數據采集和信息交互的問題。

1 系統總體設計

環境監測系統主要包括傳感器終端節點、智能網關以及遠程服務器3個部分。終端節點搭載了溫濕度傳感器DHT11，PM2.5傳感器GP2Y1014AU以及甲醛傳感器DS—HCHO，并采用CC2530處理器完成傳感器的數據采集、預處理以及數據傳輸；網關節點兼具高性能路由器(4×LAN口+1×WAN口+1×SFP光口)與ZigBee協調器的功能，在完成傳感器節點數據匯聚與上傳同時，也滿足了普通用戶的入網需求；服務器采用數據庫管理模式存儲網關上傳的數據，并采用基于自適應加權和模糊邏輯的數據融合算法對所監測環境進行評估。而用戶則可以通過網頁進行遠程登陸，查看各節點環境實時數據及其評估結果，實現了環境監測系統的網絡化與智能化。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點硬件結構

主要由CC2530[4]與傳感器模塊構成,如圖1所示。

1)基于CC2530設計的節點只需要極少的外圍原件、一個晶振即可滿足網絡系統的需求，極大地提高了系統的可靠性并降低系統功耗。

2)傳感器模塊系統主要檢測的環境參數為溫濕度、PM2.5和甲醛濃度。從接口方式、性能指標等方面考慮選用傳感器：溫濕度傳感器選用DHT11，PM2.5濃度檢測選用粉塵傳感器GP2Y1014AU，甲醛檢測電路模塊選用DS—HCHO數字輸出傳感器。

圖1 傳感器節點硬件結構

2.2 網關節點硬件結構

本文以MT7623A為核心搭建了無線傳感器網絡網關硬件平臺，硬件結構如圖2所示。

圖2 網關節點硬件結構

1) MT7623A:MT7623A是一種高度集成的路由器片上系統，四核的Cortex—A7,1.3 GHz，支持高達2 GB RAM。

2) ZigBee協調器:負責無線網絡的建立，節點的加入以及數據的匯總。硬件結構與傳感器節點基本相同，功能上的區分通過軟件來完成。將ZigBee協調器嵌入至網關中，并通過串口進行通信。

3) 通用外圍接口:網關節點搭載了豐富的外圍接口，包括最常見的串行通用接口USB3.0，可用于擴展無線網卡的miniPCIe口，支持10/100/1000Mbps的LAN口與WAN口，以及100/1 000 Mbps的SFP光口，可以很方便地進行功能擴展與二次開發。

4)電源:變壓器輸入的12V直流電源作為網關的主電源，并通過NB671，MT6323L等芯片提供穩定的電源。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點的工作流程如圖3所示。首先進行初始化設置(如COM口，波特率等設置)，發送入網信號，等待主機響應。如果入網成功，則進入休眠狀態，在收到定時器中斷后退出休眠狀態，初始化傳感器，進行數據采集及發送任務，最后關閉傳感器，重新配置CC2530進入休眠狀態，準備下次接收定時中斷信號[5]。

圖3 傳感器節點程序流程

3.2 網關軟件設計

首先進行初始化，并通過Socket套接字與服務器建立連接。隨后選擇合適的信道與網絡標識符新建一個網絡，網絡新建成功則進入無線監控狀態，監測環境中的無線信號。當接收到無線信號時，首先驗證其合法性，然后判斷其信號類型。如果是新節點的入網請求，則給該節點分配16位網絡地址，允許加入網絡，繼續進入無線監控狀態。若接收到信號為傳感器節點的監測數據，則將數據通過Socket發送至遠程服務器，最后返回無線監控狀態。

3.3 遠程服務器數據融合

本文采用了自適應加權和模糊邏輯的數據融合算法，數據融合結構如圖4所示。

圖4 數據融合框架

3.3.1 基于自適應加權的數據級融合算法

多個傳感器在采集室內某一環境因子時，將檢測出數據誤差較小的傳感器權值增大，較大的權值減小。在總均方差最小這一條件下，通過自適應調整尋找其對應的加權值，使融合后的達到最優，以很好地抑制感知數據的噪聲和漂移，提高了系統的精度[6]。具體算法流程如下：

(1)

式中Xij為第i只傳感器第j次測量的結果。

(2)

3)求出此刻各傳感器的最優加權因子Wi

(3)

(4)

3.3.2 基于模糊邏輯的決策級融合算法

1)對4種傳感器建立室內環境因素集，即V=(v1,v2,v3,v4)=(溫度，濕度，PM2.5，甲醛)。

2)建立室內環境的狀態集為U=(u1,u2,u3,u4,u5)=(優，良，中，差，很差)。

3)對第i類傳感器Vi的決策結果歸一化后可以得到輸入向量ri=(vi1,vi2,vi3,vi4,vi5)，對于?vi∈V，ri組成4×5的決策矩陣R。

5)在融合中心的合成運算中，評語集上的模糊子集B由傳感器權重向量A與決策矩陣R合成，即B=AR=(b1,b2,b3,b4,b5)，通過最大隸屬度法最終確定全局估計A。

3.3.3 室內環境評價決策描述

采用幾何平均法計算室內環境綜合指數I

(5)

式中xi為第i種環境品質因素的值；xmax為該因素的最大允許值。

4 系統測試

將6只傳感器終端節點和1個網關節點散布在大樓中的各測試位置。傳感器節點每隔5 min進行一次采樣，并發送數據，然后進入休眠狀態，直至下一個采樣周期喚醒。二級數據融合方法處理結果如表1所示，各環境因子均未超標，環境等級為B級[8]。

表1 數據融合計算結果

5 結束語

設計并實現了一種基于MT7623A的遠程室內環境監測系統,能夠實現節點快速自組網以及對各種環境因子的實時采集、傳輸、遠程顯示等，同時系統網關節點兼具高性能路由器的功能，并很好地克服了傳統環境監測系統存在的弊端。通過實際測試，系統工作穩定可靠，實用性和市場價值較高。