引言

隨著人們生活水平的不斷提高和安全防范意識的逐步增強，人們開始越來越關心自己的居住環境，不僅要求家居環境的人性化和舒適化，而且對智能化和安全化也提出了更高的要求。在物聯網的技術發展下，智能家居應運而生，家庭環境監測系統作為智能家居系統功能的一個重要組成部分和基本條件，是提供用戶安全、舒適、便捷生活的手段。將物聯網技術運用到家庭環境監測中，對構建智能家居系統和提高用戶生活環境質量具有重要意義。

針對典型家庭環境中通信網絡具有穩定性好、通信可靠、要求節點功耗低、開發成本低、時延少以及靈活性和安全性等特點，本文采用CC2530芯片為核心進行無線傳感器網絡構建，通過各種傳感器采集溫濕度、有害氣體、煙霧等環境信息，并以無線方式將該信息及時反饋給上位機和用戶手機終端，進行實時監測和控制。同時系統采用模塊化的設計理念，具有很好的移植性和擴展性。

家庭環境監測系統

無線傳感器網絡（wireless sensor network， WSN）是傳感器節點以自組織和多跳構成的自組織分布式網絡系統，每個傳感器都可以感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的監測信息，并通過無線通信網絡將所感知信息傳送到用戶終端，使用戶完全掌握監測區域的情況并做出反應。

本文采用低功耗、輕量級的IPv6無線傳感器網絡實現智能家居環境監測。IPv6技術的引入，使無線傳感器網絡能夠共享現有Internet的各種成熟的網絡管理技術，方便并簡化了各種應用系統的設計。基于IPv6無線傳感器網絡智能家居環境監測網絡主要由多種傳感器節點、路由器節點、控制中心節點、智能家居監控中心組成。本文設計的智能家居環境檢測系統的結構如圖1所示。

圖1 智能家居環境監測系統結構

為了實現基于IPv6無線傳感器網絡技術的智能家居環境檢測系統的設計，本文對系統中各模塊的功能進行詳細說明。

⑴智能家居監控中心：實時地顯示家庭環境信息，用戶可以通過智能手機或者PC機實現對網絡中節點的設置與管理，如發送數據采集指令、管理網絡中的節點信息、設置傳感器節點周期、采集環境信息的周期值大小；

⑵數據處理中心：通過家庭網關實現無線傳感器網路與以太網的互聯互通，實現對無線數據的接受和發送網絡數據與指令，家庭服務器實現數據的處理和存儲，提供遠程監控的平臺。

⑶路由器節點：實現數據包的路由與轉發，擴大網絡覆蓋范圍；

⑷ 傳感器節點：組建無線傳感器網絡，實現對環境信息的采集，并通過無線傳感器網絡發送溫濕度、有害氣體（CO、SO2、甲醛）、煙霧、光照等環境數據到家庭網關。傳感器節點采用6LoWPAN協議進行數據通信。

智能家居環境監測系統硬件設計

本系統的硬件主要由各種傳感器節點、路由器節點以及家庭網關構成，實現對數據的采集，處理和無線信號的收發。因此，本文將分別針對這三類節點的硬件設計進行詳細的介紹。

無線傳感器節點

IPv6無線傳感器節點整體方案采取模塊化設計方式，如圖2所示。設計方案包括通信模塊與傳感器兩部分，傳感器的功能是感知物理信息，并通過I/O接口傳輸給通信模塊。只要包括多個傳感器：溫濕度傳感器、CO傳感器、甲醛傳感器、煙霧傳感器等。

通信模塊采用TI公司的CC2530無線收發芯片，它是一款集成了8051內核和一個2.4G頻段的RF收發器的SOC芯片，內部還集成了256K的Flash、8KB的RAM，提供了2路UARTS，支持7到12位分辨率的ADC，可編程輸出功率達+4dBm，可最大化通信范圍的101dBm鏈路預算。時鐘電路為芯片提供工作時鐘信號的32MHZ時鐘電路和為休眠時提供時鐘信號的32.768KHZ時鐘電路。電源模塊增加了電池供電方式，即可通過電池或有線電源供電。其他外圍電路包括：外圍接口電路、射頻匹配電路以及天線。

路由節點

路由器節點的功能從硬件的角度上看，主要是實現數據的中轉。該節點在使用時，可以自由靈活放置，能量主要靠使用電池供電。因此，該節點的硬件電路結構相對簡單，主要由電源模塊、時鐘模塊、CC2530、射頻天線單元和指示燈LED模塊組成，其電路結構如圖3所示。

家庭網關

家庭網關主要負責無線傳感器網絡的建立，節點的管理等任務。在本系統中，它還需要對接受的數據進行處理，以及通過以太網與PC機連接通信。它的硬件系統結構如圖4所示。其硬件大體上被分成了兩部分：核心處理模塊和主板功能模塊。其中核心處理模塊主要是S3C6410的最小系統電路，包括了SDRAM、Flash存儲電路、時鐘電路等。主板功能模塊包括電源電路、以太網接口電路、CC2530電路、藍牙電路、串口調試電路以及RS485接口電路等。

電源電路主要提供核心處理模塊和主板上各個功能模塊所需的工作電壓，使整個控制中心能夠正常穩定的工作；以太網接口電路主要用于網絡連接和通信；CC2530電路和藍牙電路主要用于構建智能家庭無線網絡；串口調試電路為調試控制中心的軟件程序提供了一個穩定的調試接口；RS485接口電路主要用于家庭內部有線設備與家庭無線網關的通信。

圖4 家庭網關硬件設計

智能家居環境監測系統軟件設計

軟件設計主要分為應用層軟件和上位機監控軟件設計。其中應用層軟件是關鍵部分。也是本文軟件部分主要研究的內容。

本系統將應用層軟件實現傳感器節點數據采集、發送和控制功能。

傳感器節點軟件啟動后，它先進行初始化工作，初始化完成之后，將節點的網絡地址和角色信息經路由節點中轉之后發送到家庭網關，為了降低系統的功耗，節點在沒有進行數據采集時，應通過電源的管理功能關斷數據采集部分的電源，并進入指令等待狀態。當收到數據采集指令時，它首先打開數據采集部分的工作電源。延長一段時間后，它再進行數據的采集操作，并將采集到的信息發送到家庭網關。工作流程圖如圖5所示。

智能家居環境監測系統測試

為了實現系統的功能，需要對系統進行綜合測試，從而全面了解系統的性能。本系統主要用于智能家居環境監測，在已有的智能家居平臺上，進行溫濕度、有害氣體（CO、甲烷等）以及煙霧等環境因素的監測，測試結果如下：

⑴溫濕度

圖6 溫濕度數據采集圖

圖6數據是在服務器終端上顯示的數據采集過程，當前采集到的智能家居溫度值是30.0℃，濕度值是64.0%rh，舒適度值是88.16843。

⑵煙霧

從圖7數據中得知，當前采集到室內煙霧值為11.0ppm。

圖7 煙霧數據采集圖

⑶CO

從圖8數據中得知，當前采集到室內CO值為750.0ppm。

圖8 CO數據采集圖

⑷甲烷

從圖9數據中得知，當前采集到室內甲烷值為6.0ml/g.r。

圖9 甲烷數據采集圖

同時，戶主可以通過PC終端和智能手機終端實時地查詢到家庭環境信息，如圖10、圖11所示。

圖10中在智能手機終端上顯示傳感器測試到的各種家庭環境數據，分別以臥室和客廳為例給出測試結果。

圖11是在中在PC終端上顯示傳感器測試到的各種家庭環境數據。

圖10 智能手機終端測試顯示

圖11 PC終端測試顯示

總結

本論文在已有的智能家居平臺下，通過對IPv6無線傳感器網絡技術理論以及相關軟硬件的研究，結合實際家庭用戶的需求，按照產品設計原則，研究設計了家庭環境監測系統，用以實現家庭環境例如溫濕度、有害氣體、粉塵等信息的采集和遠程傳送，可通過多種終端設備對家庭環境進行監控。在實際的系統長時間運行過程中，各種功能和性能都處于正常的水平，但從物聯網長遠的發展角度來說，還需要進一步在能耗數據采集精度、外殼工藝、數據信息種類、準確誤差測量等方面進行改進，對設備和系統不斷完善和優化。

編輯：jq