智能家居环境监测终端设计

张　丽西安海棠职业学院

智能家居环境监测终端设计

张丽
西安海棠职业学院

随着科学技术水平的发展和人们生活水平的提高，智能家居产品成为了当前的热点产品。越来越多的智能家居产品日渐出现，实现对生活家居环境的监测和控制，为人们创造更便捷、更舒适和健康的宜居环境。本文通过低功耗低成本的嵌入式方案实现了一款智能家居环境监测终端设备的设计。

智能家居；环境监测

1　前言

家居环境是指家庭团聚、休息和学习的环境。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右，因此，居室环境与人类健康极为密切。近年来，H1NI猪流感，超级细菌的出现，都说明室内环境健康的重要性。因此，“智能家居”[1，2]的新概念突显其重要意义。嵌入式计算技术、通信技术和传感器技术的飞速发展和MEMS技术的日益成熟与完善为智能家居的实现和发展提供了基本的技术条件。在整个智能家居的应用中家居环境的监测是其中最为重要之一。本文采用目前嵌入式技术和ZigBee网络[3]设计了一种模块化的智能家居环境监测终端。

2　总体设计

智能家居环境监测终端主要有主控制器、ZigBee通信模块[4]、传感器模块[5]和显示模块四大部分组成。

本系统主控制器采用意法半导体的STM32F103来实现整个整个智能家居监测系统的数据处理，任务控制功能；通信模块采用的是基于TI2530ZigBee芯片开发的2.4G无线通信模块，实现该终端与智能家居网关的通信，将采集到的环境信息发送到智能网关以及接收网关的控制指令；传感器模块主要由温湿度检测、PM2.5/ PM10检测、甲醛检测模块组成，完成家居环境信息的采集功能；显示模块采用的是一个2.8寸的液晶显示屏，可以实时显示当前的环境指标参数以及历史参数。

3　核心硬件设计

如系统框图所示，硬件系统的核心部分包括主控制器、传感器模块、通信模块和显示模块四个部分，为方便后续系统的功能升级，在此设计中各核心部分都采用模块化的设计方法，分别如下：

（1）主控制器，主控制器才用的是STM32F103处理器构成的最小控制系统，STM32F103是由意法半导体公司推出的中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3，工作频率可达最高72MHz，芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种功能，外部资源丰富，价格低廉，被广泛应用于智能手持终端设备和各类消费电子产品等领域。STM32F103最小系统包括电路供电，时钟及下载配置和主芯片电路。

（2）ZigBee通信模块的设计采用的是KLZB214串口转ZigBee通信模块，内嵌zigbee2007协议，模块通过串口与主控制器STM32F103交互数据，支持数据透明传输、一对一传输、多对一传输、一对多传输，具备自动路由功能，掉电可恢复网络数据，不需要理解复杂的zigbee协议就可以简单实现强大zigbee网络，并进行数据的传输。

（3）传感器模块，传感器模块在整个系统中主要实现家居环境各指标参数的采集，也是采用模块化的设计方法，可以根据需求更好不同的传感器模块，在本次设计中主要使用了温湿度检测、PM2.5/PM10检测、甲醛检测模块，PM2.5/PM10和甲醛检测模块与主控制器的通信接口采用的是串口协议，温湿度检测模块与主控制器的通信接口采用的是标准IIC协议。串口协议和标准IIC协议都是标准的通信协议，后期更换模块只需要是标准的串口协议和IIC协议即可兼容。

（4）显示模块，显示模块采用的是2.2寸USART HMI智能串口屏，集成GPU字库、自定义任意Windows字库，支持基本的GUI指令(画点、画线、画矩形等)，支持图片格式BMP、JPG、JPEG、PNG，支持串口下载和SD卡下载。

4　核心软件设计

智能家居环境监测终端软件部分从功能上看具有显示、通信、温湿度采集、PM2.5采集和甲醛采集5个部分，每个部分都是一个相对独立的功能模块，在软件设计的时候该系统采用uC/OS II(Mi⁃cro Control Operation System Two)嵌入式操作系统，每个功能模块设计成一个系统任务供操作系统调度，任务直接的通信采用信号量的方式来实现整个系统的软件功能。

智能家居环境监测终端通过不间断的采集家居环境中的指标参数发送到网关中心来让用户随时掌握家居环境信息，其中数据的通信传输策略是一个软件设计的主要组成部分之一。根据实际的业务需求，本系统设计了一种“告警上报、定时发送、点播访问”的数据通信策略。

告警上报是依据用户设定的各指标监测阈值，系统将采集到监测信息并判断其是否超标，如果超标则主动向智能网关发送告警信息，如果正常则将当前数据存储在本地FLASH；定时是依据用户设定的发送时间间隔定时的向智能网关发送各指标参数；主机点播访问是用户发起访问请求，智能网关向需要访问的智能家居环境监测终端转发请求命令，智能家居环境监测终端收到访问请求命令后将监测数据再发送到智能网关。本系统通过“告警上报、定时发送、点播访问”的数据通信策略实现数据在网络中的传输。

5　测试与实验

智能家居环境监测终端和智能网关分别上电启动运行，实现可以看到智能家居环境监测终端将环境中的各指标参数超过采集并发送到智能网关上，同时智能网关将监测信息发送到手机APP端显示。

6　总结

本文论述了智能家居环境监测终端的一种设计方法，并提出“告警上报、定时发送、点播访问”的数据传输策略来实现监测数据的传输。同时，通过实验验证了该智能家居环境监测终端有效性。本文没有对智能家居环境监测终端所监测的数据的应用处理，有待于进一步研究。

[1]叶朝辉，杨士元.智能家居网络研究综述[J].计算机应用研究，2000（9）：4-8

[2]韩江洪，张建军，张利，魏振春，魏臻.智能家居系统与技术[M].合肥工业大学出版社，2005

[3]李文伸，段朝玉等.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京航空航天大学出版社，2007:22-27

[4]周游，方滨，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].自动化与仪器仪表，2005（9）:37-40

[5]刘志杰.物联网技术的研究综述[J].软件，2013，34（5）:164-165

张丽（1986-），女，陕西西安人，汉族，硕士，助教，西安海棠职业学院，研究方向：信息与通信工程。