基于物聯(lián)網(wǎng)的家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 兵，肖茂翔

（廣東郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510630）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，智能家居環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)由單一控制系統(tǒng)向“云-管-端”一體化[1]平臺方向演進(jìn)，由單項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測向綜合環(huán)境治理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

目前，大部分智能家居系統(tǒng)主要使用單節(jié)點(diǎn)監(jiān)測獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，既缺乏對家居生態(tài)系統(tǒng)中不同場景的實(shí)時監(jiān)控與預(yù)警，又難以獲取實(shí)際場景的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。鑒于此，本文設(shè)計(jì)出一個涵蓋溫濕度采集、火災(zāi)監(jiān)測、光強(qiáng)度檢測、PM空氣質(zhì)量監(jiān)測、可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測、實(shí)時視頻監(jiān)控這六大功能的綜合性智能家居監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，構(gòu)建“云-管-端”一體化的物聯(lián)網(wǎng)信息集成系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

家居監(jiān)測預(yù)警使用TI CC2530芯片[2]作為各類傳感器的主控芯片，并構(gòu)建ZigBee協(xié)議搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)調(diào)器將匯集到的傳感器數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)介_源硬件Raspberry Pi4上[3]，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺[4]。用戶通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供的接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)、傳感器節(jié)點(diǎn)的控制與預(yù)警設(shè)置等功能。

本系統(tǒng)包括傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息處理與傳輸模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺三大部分，如圖1所示。

圖1 家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)框架圖

1.1 傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用TI CC2530F256芯片搭建ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)家居環(huán)境的場景與溫濕度采集數(shù)據(jù)，同時搭載使用火焰?zhèn)鞲衅?、光?qiáng)度傳感器、PM激光粉塵變送器傳感器、可燃?xì)怏w濃度傳感器，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。例如，可以考慮將可燃?xì)怏w與火焰?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)置于廚房等易燃易漏燃?xì)鈪^(qū)域，將溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)置于客廳，光照傳感器節(jié)點(diǎn)置于臥室等私密性較高的生活區(qū)域。

各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)最終匯集到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)串口通信發(fā)送到信息處理與傳輸模塊。

1.2 信息處理與傳輸模塊

本系統(tǒng)使用開源硬件作為核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息的收發(fā)、集中、存儲與分析處理，在執(zhí)行云平臺下發(fā)指令的同時可完成部分運(yùn)算功能。此外，本模塊具備通信功能，能將處理后的數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

使用武漢某物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)平臺[5]，在云端對各種傳感器的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯現(xiàn)、分析、控制以及信息日志的調(diào)用、報(bào)警消息處理等，具有一定的獨(dú)立性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)組建簡易性、經(jīng)濟(jì)性、兼容性等特點(diǎn)，對系統(tǒng)各部分的硬件設(shè)備進(jìn)行選型。

2.1 TI CC2530F256

TI CC2530是 用 于 2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)SoC解決方案，包含RF收發(fā)器、標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型 8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM等功能部件，能夠以較低的材料成本建立起超強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。

家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以TI CC2530F256為感知節(jié)點(diǎn)，通過I2C、I/O口等方式采集溫濕度、火焰、光強(qiáng)度、PM值、可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線局域網(wǎng)匯聚到協(xié)調(diào)器當(dāng)中，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的串口發(fā)送至信息處理與傳輸模塊。

2.2 各類傳感器

家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的各類傳感器選項(xiàng)及其與CC2530芯片的通信方式如圖2所示。

圖2 各類傳感器選項(xiàng)及其與CC2530的通信圖

2.2.1 溫濕度傳感器

HTU21D溫濕度傳感器為OEM應(yīng)用提供準(zhǔn)確可靠的溫濕度測量數(shù)據(jù)。通過一個微控制器的接口和模塊連接實(shí)現(xiàn)溫度和濕度數(shù)字輸出。HTU21D共有6個引腳，它與CC2530之間通過I2C接口進(jìn)行通信。

2.2.2 光敏傳感器

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光照度傳感器集成電路，可根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度。利用其高分辨率可以探測較大范圍的光照度變化，測量范圍為1～65 535 lx。

2.2.3 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

采用型號為ZY-HY002xIO的火焰?zhèn)鞲衅?，它通過940 nm的紅外接收管經(jīng)過運(yùn)算放大器采集火焰紅外信息。如圖3所示將FLAME接口連接到CC2530的一個普通I/O口進(jìn)行電平讀取即可。

圖3 ZY-HY002xIO的火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩韴D

2.2.4 PM激光粉塵變送器傳感器

使用PM 激光粉塵變送器傳感器（型號為ZYPM001xTTL）。它通過MD/8端子連接到CC2530節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串口通信。

2.2.5 可燃?xì)怏w傳感器

使用商業(yè)燃?xì)獗O(jiān)測傳感器（型號為ZY-RQ001xIO）。它通過位I/O口電平讀取判斷家居環(huán)境中是否有可燃?xì)怏w。

2.3 Raspberry Pi4B

Raspberry Pi4B（樹莓派4B）是基于Cortex-A72（ARM v8）64位的開源硬件，標(biāo)準(zhǔn)40針GPIO接頭，并搭載WiFi通信模塊、藍(lán)牙5.0、千兆以太網(wǎng)通信模塊，可燒錄Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)I/O、I2C、SPI等外設(shè)通信接口功能。

家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到Raspberry Pi4B后，由Raspberry Pi4B對數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON格式處理，再通過WiFi通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。同時，Raspberry Pi4B板載CSI接口攝像頭，對家居環(huán)境進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

家居監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的軟件主要包括四個部分：ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)、Raspberry Pi4B的數(shù)據(jù)處理與信息傳輸程序設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺數(shù)據(jù)展示與預(yù)警應(yīng)用配置、私有平臺程序設(shè)計(jì)（可選部分）。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)目前有星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種構(gòu)架，這三種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要選擇合適的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用Zstack協(xié)議棧組建一個低功耗無線局域網(wǎng)。由于本系統(tǒng)針對智慧家居環(huán)境的應(yīng)用場景，節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)數(shù)量有限，考慮組建星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型包括協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)兩大類[6]。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序流程

負(fù)責(zé)信息處理與傳輸模塊的Raspberry Pi4B搭載Raspbian操作系統(tǒng)（基于 Debian GNU/Linux 的免費(fèi)操作系統(tǒng)，它面向armhf處理器架構(gòu)[7]做了優(yōu)化），是一個裁剪版的Linux操作系統(tǒng)，使用Python編程語言開發(fā)。可設(shè)置板載WiFi模塊，開機(jī)后自動搜索匹配程序的名稱和密碼連接網(wǎng)絡(luò)，連接成功后由物聯(lián)網(wǎng)云平臺進(jìn)行終端接入；并通過API接口將各類傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿接衅脚_，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、報(bào)警與控制。在進(jìn)行初始應(yīng)用配置時，在Raspbian系統(tǒng)中安裝avconv和GStreamer用于采集攝像頭捕獲的視頻流并推送到RTMP服務(wù)[8]；同時安裝NGINX和RTMP模塊，用于接收視頻流，提供視頻發(fā)布功能。

在開源硬件Raspberry Pi4B中運(yùn)行兩個線程[9]：線程1完成對串口數(shù)據(jù)讀取，可將開源硬件的串口通信速率設(shè)置為9 600 b/s，通過串口采集到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并將其以JSON格式[10]上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺；線程2負(fù)責(zé)攝像頭視頻流數(shù)據(jù)的采集，并運(yùn)行Raspbian系統(tǒng)安裝的RTMP服務(wù)，完成視頻流數(shù)據(jù)向物聯(lián)網(wǎng)云平臺的推送。信息處理與傳輸模塊程序流程如圖5所示。

圖5 信息處理與傳輸模塊程序流程

在調(diào)用時須注意導(dǎo)入的Python模塊：

import threading

import requests

import json

import RPi.GPIO as GPIO

本系統(tǒng)使用中智訊（武漢）科技有限公司的智云平臺作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，平臺具備數(shù)據(jù)中心以提供數(shù)據(jù)的存儲、推送服務(wù)以及自動控制服務(wù)等深度的項(xiàng)目接口[11]。用戶可自行創(chuàng)建智能家居等場景的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，信息處理與傳輸模塊通過平臺提供的ID/KEY將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至智云平臺創(chuàng)建應(yīng)用的設(shè)備進(jìn)行綁定，即可完成數(shù)據(jù)的展示與自動控制。應(yīng)用創(chuàng)建及數(shù)據(jù)展示、控制操作如圖6所示。

圖6 智云平臺應(yīng)用創(chuàng)建及設(shè)備管理操作

私有平臺程序設(shè)計(jì)為本系統(tǒng)的可選軟件部分，它主要是針對物聯(lián)網(wǎng)云平臺的二次開發(fā)。家居監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由私有平臺使用HTML5[12]開發(fā)應(yīng)用，對接智云平臺的Web應(yīng)用編程接口實(shí)現(xiàn)更加個性化的應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)分析建模、人工智能二次開發(fā)等功能。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

啟動并組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，預(yù)設(shè)WiFi熱點(diǎn)，使開源硬件連接外網(wǎng)；之后由開源硬件通過ID/KEY認(rèn)證權(quán)限將各類傳感器數(shù)據(jù)和攝像頭數(shù)據(jù)推送至智云平臺，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測。智云平臺可進(jìn)行設(shè)備管理、報(bào)警信息的接收處理及數(shù)據(jù)歷史日志的查看、調(diào)用、分析等。例如，當(dāng)出現(xiàn)火焰、可燃?xì)怏w檢出或溫濕度異常時，系統(tǒng)會推送至客戶端報(bào)警，此時用戶可遠(yuǎn)程打開攝像頭進(jìn)行初步查看，達(dá)到及時應(yīng)對異常的目的。

大部分的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，如中國移動的OneNET等，都能為用戶的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景提供應(yīng)用創(chuàng)建、設(shè)備管理（含傳感器管理、執(zhí)行器管理、攝像頭管理）、自動控制（觸發(fā)器管理、控制器管理、執(zhí)行任務(wù)管理）等功能[13]。智云平臺也能為用戶提供多種物聯(lián)網(wǎng)場景的應(yīng)用創(chuàng)建，在應(yīng)用中用戶可進(jìn)一步創(chuàng)建各類傳感器（含語音視頻類設(shè)備）、觸發(fā)器和控制器以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測預(yù)警。本文所述家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的登錄、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及監(jiān)控畫面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)登錄、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及監(jiān)控

5 結(jié) 語

根據(jù)較長時間的測試可知，家居環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測各類傳感器數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確穩(wěn)定地上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。用戶通過應(yīng)用系統(tǒng)可獲取家居環(huán)境較為綜合性的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各個不同區(qū)域的精確監(jiān)控與預(yù)警。該系統(tǒng)搭建簡便，數(shù)據(jù)查詢便捷，可擴(kuò)展性強(qiáng)；不僅適用于家居環(huán)境的監(jiān)測管理，也可用于辦公區(qū)域、場館等領(lǐng)域。后續(xù)工作集中在以下兩個方面：（1）加強(qiáng)對智慧環(huán)境應(yīng)用場景的監(jiān)測與預(yù)警研究[14]；（2）針對物聯(lián)網(wǎng)云平臺二次開發(fā)的人工智能算法進(jìn)行研究[15]。