基于物联网的家居综合监测系统

王龙山,马 珺

（太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室,山西 太原 030024）

1 关键技术介绍

1.1 物联网技术

广义上的物联网是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，实现高效信息交互方式，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界[1]。

物联网具有三层结构[2]：第一层是感知和标识系统，作为物联网的基础，负责采集物理世界中发生的物理事件和数据，如传感器、RFID等；第二层是通信网络，网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施；第三层是应用和服务，这是物联网的最终价值体现。在已有研究成果中，还有其他几种较具代表性的物联网体系结构[3]。

1.2 ZigBee技术

电气和电子工程师协会(IEEE)成立的IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂成本和功耗的低速率无线连接技术，这就是ZigBee技术[4]。 ZigBee的网络拓扑结构有三种：星型网络、树簇型网络、网型网络（图1）[5]。其支持两种类型的物理设备：支持任何拓扑结构作为网络协调器或路由的全功能节点，只能作为网络的终端节点的半功能节点[6]。完全符合家庭网络通信的需要。

图1 ZigBee网络拓扑结构

1.3 传感器技术

传感器技术是信息技术的三大基础之一，是当今国际研究热点之一[7]。智能传感器网络技术主要研究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术、通信技术和计算机技术融合起来，以实现信息的 “采集”、“传输”和“处理”的真正统一，从而构成一个分布式智能传感器网络系统[8]。

1.4 嵌入式技术

嵌入式系统已经为人们所熟悉，有自己的操作系统和特定功能，用于特殊场合的系统[9]。核心是RISC内核的嵌入式微处理器。主要有以下特点：对实时多任务有很强的支持能力，能实现多任务处理并且有较短的中断响应时间；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展的处理器结构；功耗很低等。

本设计采用Cortex-A8处理器。该处理器使用了先进的分支预测技术，并且具有专用的NEON整型和浮点型流水线进行媒体和信号处理。这是一款基于ARMv7架构的处理器，采用65 nm工艺，功耗不到300 mW，能够提供高性能、低费用和低功耗。

2 系统结构的总体设计

2.1 系统设计原则

保证系统的稳定性、实时性、安全性、抗干扰性以及可扩展性是设计一个系统的基本原则。对于本设计，首要任务是监测环境，包括温度、湿度、光照度和火灾预警，非法入侵的监控，从功能实现的角度上就对系统的稳定性和实时性提出了更高的要求。还要留有扩充接口，方便将来的性能提升。在设计时，使用了抽象化、模块化等思想，采用结构化的设计方法，使软件达到了设计所需的各项要求。

2.2 总体设计方案

系统总体设计方案图如图2所示。在室内布置烟雾传感器和红外传感器作为监测火灾的单元，室内外安装温度传感器、湿度传感器和光照传感器作为生活必需的监测单元，安装红外传感器还作为监测非法入侵的防盗单元。以这三个单元为主的家居综合监测系统，通过ZigBee技术组成传感器网络，由终端节点采集到信号，通过ZigBee无线网络将信息传递给路由节点，路由节点再将信息传递给协调器节点，在协调器内将信息进行融合，通过无线网络传送至GPRS网络、手持设备、PC客户端等，用户可以根据自身情况用遥控器、手持设备、PC客户端对系统进行设置。当系统判断确有火灾险情、温湿度变化较大、非法入侵等情况发生时，自动发出不同声音进行报警并通过GPRS网络通知用户。

3 硬件设计

图2 系统总体设计方案图

本设计要实现的功能就是首先要将各种传感器与无线传输芯片结合在一起。系统硬件设计结构图如图3所示。

3.1 传感器的选择

(1)MQ-2烟雾传感器：它由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器等部件构成。

(2)SPS532CA红外线传感器：它基于热电效应原理制成，专门用在火灾探测和气体分析，TO-5真空密封，可靠耐用，输出信号灵敏度。

(3)SHT10温湿度传感器：采用专利的CMOSENS技术，确保了极高的可靠性和长期稳定性，是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。

(4)APDS-9002光电传感器：它采用微型ChipLED无铅表面封装，它是业内体积最小的器件之一，其工作特性也完全符合应用需求。

(5)入侵监测传感器：采用豪恩（LongHorn）公司的双鉴探测器LH-902C进行人员入侵判断。该探测器采用微波和红外技术同时鉴定入侵信息。

3.2 CC2530的路由器节点设计

CC2530是一个兼容IEEE802.15.4的片上系统，支持专有的 802.15.4的协议以及 ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。它使用一个8位的MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，适合作为协调器节点、路由器节点和终端设备的核心部件。

从硬件角度看，路由器节点的功能主要是实现数据的收发。由电源模块、时钟模块、CC2530、射频天线单元和LED显示模块组成，LED显示模块由3个不同颜色的LED发光二极管组成,分别用来表示节点的工作状态[10]。 其电路结构如图4所示。

3.3 控制中心节点的设计

控制中心节点在ZigBee网络中充当协调器节点的角色，主要负责ZigBee网络的建立及节点的管理等任务。在本系统中，它还需要对所接收的数据进行处理，以及通过RS-232串口与PC机连接通信。它的硬件系统结构如图5所示。

图5 控制中心节点硬件系统结构图

控制中心节点的射频天线单元用来接收和发送电磁波信号，LCD显示模块用来显示网络状况、显示接收到的数据与指令信息，同时可配合按键模块进行菜单界面的显示。

(1)电源部分

采用外部5 V直流电源供电。使用MAX687电压转换芯片为系统转换至工作电压3.3 V。

(2)时钟部分

CC2530芯片的时钟系统由两个部分组成，32 MHz晶振提供系统正常工作时的时钟频率，它分别连接CC2530的P19和P21管脚。32.768 kHz晶振提供系统在低功耗模式下的工作频率，它分别连接CC2530的P44和P43号管脚。

(3)射频天线单元

射频天线单元由阻抗匹配电路与天线馈线电路组成。将节点设备外观以小巧美观实用的原则进行设计来适应智能家居综合监测系统的特点。

(4)LCD显示模块设计

LCD显示部分采用2×16的字符型液晶显示模块。可用于字母、数字及字符的显示。

(5)按键部分设计

该节点的按键功能是为了方便用户对该节点进行设置而设计的。设置开、关及重启三个按钮。其余系统控制设计在控制端。

4 软件设计

软件设计主要分为三个部分，无线传感网的信号采集部分的软件设计、CC2530作为路由器的软件设计、控制端的软件设计。

4.1 传感器节点的程序设计

传感器节点的主要功能是通过各种传感器进行数据采集并进行发送。传感器节点的程序流程如图6所示：传感器节点启动后，先进行初始化，然后传感器节点寻找是否存在已经建好的网络，如果存在，则向ZigBee协调器发送加入请求；否则继续处于等待状态。当得到协调器允许后，传感器节点便加入到网络中开始采集数据，并将自己的网络地址与采集到的数据发送到协调器，直到一个周期结束后再开始下一个周期。根据收到指令的不同，传感器节点的处理程序也各不相同，不同的传感器，节点程序的设计也有所不同。

图6 传感节点流程图

4.2 路由器节点的程序设计

路由器节点的主要作用是负责网络节点的管理与数据的路由、转发。在本系统中，路由器节点的工作流程图如图7所示。路由器节点启动后，先进行初始化工作，之后将自己的网络地址与数据信息发送到控制中心节点，然后进入消息等待状态。判断收到的消息不是发送给自己的，则将消息转发出去；否则，路由器节点将根据收到的消息中的指令执行操作。

4.3 控制中心节点软件设计

控制中心节点主要是通过ZigBee网络的建立，实现指令的发送和数据的接收、转发，与管理中心（PC机、遥控器、手持设备等）进行通信[11]。因此，主要由以下几个模块组成：(1)ZigBee网络应用数据收发模块；(2)串口通信模块；(3)界面操作模块。

5 系统测试

5.1 数据传输测试

图7 路由器节点流程图

本设计采用CC2530芯片作为无线传输模块，最高传输速率250 kb/s，在较为理想的环境中，室内传输最高可达15 m，室外可达到100 m。根据设计的需要，对室内进行了数据传输测试[12]，随机选取6组数据，室内测试结果如表1所示。

表1 室内数据传输测试

由表1可知,相隔3 m时，传输数据快速准确；相隔5～8 m时，传输数据较快速准确；当相隔15 m时，信号微弱，传输数据不稳定。这是因为室内障碍物比较多，对传输的信号削减较大。因此，当本设计在实际安装时应考虑距离因素，5～8 m的距离较为合适。

5.2 数据采集及显示测试

通过对温度、湿度以及光照度的测试和数据传输对本系统的CC2530无线通信进行测试。将温度传感器、湿度传感器和光照度传感器组成的传感器模块与一个CC2530模块连接，将另一个CC2530模块与测试用的智能主板连接。上电后，传感器能够正常采集数据，CC2530无线通信模块能够正常通信,自动完成组网和数据传输。

本文提出了一种将物联网技术与家居综合监测相结合的系统方案设计，详细介绍了传感器选择、硬件系统搭建和软件流程设计的整个系统的实现方案。并在实验室条件下，对系统一部分的功能进行搭建，经过测试，取得了良好的预期效果。由于系统设计得还不够完善，信息的储存和分类、界面的智能化和系统的低功耗，都需要进一步的研究和改善。在物联网飞速发展的今天，家居综合监测系统必将更加完善，应用和推广的前景十分广阔。

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[2]严萍,张兴敢.基于物联网技术的智能家居系统[J].南京大学学报（自然科学版）,2012,48(1)：26-32.

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[4]周游,方滨.基于 ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].电 子 技 术 应 用,2005,31(9)：37-38.

[5]尉志武.基于 ZigBee的家庭火灾报警系统的设计[D].太原：太原理工大学,2012:9-14.

[6]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008：22-27.

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[10]张亮,基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统[D].武汉：武汉科技大学,2009:27-32.

[11]朱恒军,于泓博.环境监测物联网传感器节点设计与实现[J].计算机科学,2012,39(8):126-129.

[12]李娟,胡方明.基于ZigBee的高层建筑无线火灾报警系统[J].电子科技,2012,25(6):34-37,40.