智能家居环境监测系统设计与实现

智能家居环境监测系统设计与实现

作者：王进军谢丽艳

来源：《知识文库》2017年第05期

智能家居是指在智能化、自动化、信息化的基础上利用传感器网络等进行数据传输，实现家居电器的智能控制，随着4G网络的快速发展，智能家居的及时出现为人们享受生活提供了一个更好的选择。

一、智能家居环境监测系统总体设计

基于ZigBee无线通信技术构建的室内环境监测系统主要实现室内温度、氧气、一氧化碳、二氧化硫、湿度、甲烷和二氧化碳含量等家居环境的检测，其次是监测生活用水、用电和用气的安全性和用量，三是监测室内各种生活家电的状态等。系统设计中，基于ZigBee的传感器节点将室内环境信息发送到无线传感器网络的汇聚节点，通过ARM微处理器实现嵌入式编程，然手通过ARM微处理器和ZigBee汇聚节点实现有效的网络串行通信。通过该系统，采集室内环境信息、输入操作命令、输出操作结果、集中控制室内环境、远程控制家用电器、联动控制室内安防系统等功能。

二、智能家居环境监测系统详细设计

2.1室内环境信息采集功能

通过部署在室内的传感器节点，实现无线传感器网络的室内环境信息采集，以便能够将室内温度、湿度、氧气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、甲烷及生活用水和生活电气等相关信息传递到系统中。信息采集和感知是室内环境系统最基本的功能，需要将传感器节点进行良好的部署和优化，以便在最小能量耗费下实现节点的全方位覆盖。

2.2 室内环境信息传输功能

传感器节点采集相关的网络信息后，通过4G网络传输到ZigBee汇聚节点，汇聚节点将多个传感器节点信息传输到室内监测系统的服务器，以便服务器进行处理。信息传输过程中，为了实现高效数据传输和分发，需要将数据进行压缩和存储，实现传感器网络的聚簇作用，同时为了降低传感器网络的通信开销、平衡节点间负载，需要对传感器网络节点和传输节点进行设计。

2.3 室内环境信息处理功能

数据传输到服务器后，环境监测装置负责处理采集到的数据信息，发现相关的信息超过用户设置的预警值，则传感器检测装置通过4G通信网络以短信或数据通信的方式通知用户，同时将收集的信息存储到服务器数据库中。逻辑业务处理将数据统计分析和预测结果发送到相关界面，以便用户查看和分析。

三、Zigbee无线传感网络系统硬件设计

3.1 Zigbee硬件节点选型

基于Zigbee技术的无线传感器网络中，节点包括终端节点和网关节点。终端节点即组成无线传感器网络的传感器节点，完成数据采集、数据传输的功能，硬件部分主要由电源模块、电源管理模块、时钟模块、射频天线单元、LED显示模块、信号调理模块和传感器模块共同构成。网关节点又被称为路由器节点，主要作用是实现数据汇聚和转发功能。在无线传感器网络中，网关节点可以自由灵活放置，主要能量来源于电池，硬件电路结构由电源模块、时钟模块、CC2350（德州仪器）、射频天线单元、LED显示模块共同组成。

3.2 硬件节点通信功能

ZigBee无线传感器网路主要包括三种节点，分别是传感器终端节点、路由转发节点和一些控制节点，每一种节点都具备不同的功能，以便实现数据采集、数据传输、数据处理和数据转发等功能。终端通信节点读取室内各种环境信息，并将数据封装、发送到相关的汇聚节点，同时接收相关的响应指令，以便实现自动化的调节和网络覆盖；路由节点读取传感器采集的数据，并将数据封装、发送到相关的服务器，同时接收响应指令，实现路由转发数据的功能；协调器节点的功能主要是接收下位机的相关数据，同时转发系统发送的指令信息，以便控制传感器的采集数据分布区域和位置，具有非常重要功能。

四、传感器实现

基于无线传感器网络的室内环境监测系统采用Linux操作系统中的嵌入式网络应用软件开发QT开发完成。Linux操作系统拥有的核心API能够完成基本的通信需求，对于具体的温湿度传感器驱动组件、甲醛传感器驱动组件，需要进行二次开发。

4.1温湿度传感器驱动实现

温湿度传感器驱动组件包括四个关键文件，系统开发中命名为头文件SHT.h、接口文件SHT.nc、配置组件SHTC.nc和模块组件SHTP.nc，结合Linux操作系统提供的MainC.nc和TimerMilliC（）组件共同构成了传感器驱动组件。头文件SHT.h头文件描述温湿度传感器和控制器之间的信号控制和硬件连接，可以配置硬件通信描述层的内容；配置组件SHTC.nc定义和描述模块组件SHTP.nc中的相关接口、构成组件以及二者之间的关系；模块组件SHTP.nc

初始化温湿度传感器、测量温湿度、读取传感器数据，是温湿度传感器组件的核心业务逻辑组成部分。应用层组件通过接口文件SHT.nc中的相关命令，与温湿度传感器交互。

4.2甲醛传感器驱动实现

甲醛传感器驱动组件包括三个关键文件，系统开发中命名为接口文件Formalin.nc、配置组件FormalinC.nc和模块组件FormalinP.nc，结合Linux操作系统提供的PlatformSerialC.nc组件共同构成了甲醛传感器驱动组件。配置组件FormalinC.nc定义模块组件FormalinP.nc和接口之间的关系；模块组件FormalinP.nc初始化传感器、测量甲醛数据和读取数据的邏辑业务；接口文件Formalin.nc抽象甲醛传感器功能，以便为应用层提供逻辑业务响应。

五、小结

本文阐述了智能家居环境监测系统的功能，使用软件工程技术进行系统功能建模。设计无线传感器网络系统总体架构，阐述传感器网络的通信功能，并对无线传感器网络中节点选型进行设计，同时描述了ZigBee网络组网实现、温湿度传感器驱动实现、甲醛传感器驱动组件实现，具有重要的作用和意义。

（作者单位：1郑州轻工业学院2河南省工商行政管理学校）