《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于物聯(lián)網(wǎng)的家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第2期
王龍山, 馬 珺
太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原030024
摘要: 基于ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照度檢測(cè)以及非法入侵和火災(zāi)檢測(cè)、及時(shí)預(yù)警的智能家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性及精確性,必將在現(xiàn)代化生活中得到廣泛的應(yīng)用。
中圖分類號(hào): TP216.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2013)02-0078-04
Household comprehensive monitoring system based on Internet of Things
Wang Longshan, Ma Jun
Ministry of Education Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Abstract: Based on ZigBee technology established wireless sensor network, the design takes temperature, humidity, light, illegal intrusion detection, fire detection and timely warning integrated the intelligent household comprehensive monitoring system. It is proved reliability and accuracy through the related experiments and will be widely applied in modern life.
Key words : Internet of Things; ZigBee; wireless sensor network; sensor; household comprehensive monitoring

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)
    廣義上的物聯(lián)網(wǎng)是信息空間與物理空間的融合,將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)高效信息交互方式,是信息化在人類社會(huì)綜合應(yīng)用達(dá)到的更高境界[1]。
    物聯(lián)網(wǎng)具有三層結(jié)構(gòu)[2]:第一層是感知和標(biāo)識(shí)系統(tǒng),作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),負(fù)責(zé)采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù),如傳感器、RFID等;第二層是通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)設(shè)施;第三層是應(yīng)用和服務(wù),這是物聯(lián)網(wǎng)的最終價(jià)值體現(xiàn)。在已有研究成果中,還有其他幾種較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[3]。
1.2 ZigBee技術(shù)
    電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)成立的IEEE802.15.4工作組,致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜成本和功耗的低速率無線連接技術(shù),這就是ZigBee技術(shù)[4]。 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種:星型網(wǎng)絡(luò)、樹簇型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)(圖1)[5]。其支持兩種類型的物理設(shè)備:支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由的全功能節(jié)點(diǎn),只能作為網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)的半功能節(jié)點(diǎn)[6]。完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通信的需要。

1.3 傳感器技術(shù)
 傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一,是當(dāng)今國際研究熱點(diǎn)之一[7]。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要研究智能傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信功能,將傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合起來,以實(shí)現(xiàn)信息的“采集”、“傳輸”和“處理”的真正統(tǒng)一,從而構(gòu)成一個(gè)分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[8]。
1.4 嵌入式技術(shù)
    嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)為人們所熟悉,有自己的操作系統(tǒng)和特定功能,用于特殊場(chǎng)合的系統(tǒng)[9]。核心是RISC內(nèi)核的嵌入式微處理器。主要有以下特點(diǎn):對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力,能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間;具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能;可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu);功耗很低等。
    本設(shè)計(jì)采用Cortex-A8處理器。該處理器使用了先進(jìn)的分支預(yù)測(cè)技術(shù),并且具有專用的NEON整型和浮點(diǎn)型流水線進(jìn)行媒體和信號(hào)處理。這是一款基于ARMv7架構(gòu)的處理器,采用65 nm工藝,功耗不到300 mW,能夠提供高性能、低費(fèi)用和低功耗。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

    保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、安全性、抗干擾性以及可擴(kuò)展性是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的基本原則。對(duì)于本設(shè)計(jì),首要任務(wù)是監(jiān)測(cè)環(huán)境,包括溫度、濕度、光照度和火災(zāi)預(yù)警,非法入侵的監(jiān)控,從功能實(shí)現(xiàn)的角度上就對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性提出了更高的要求。還要留有擴(kuò)充接口,方便將來的性能提升。在設(shè)計(jì)時(shí),使用了抽象化、模塊化等思想,采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法,使軟件達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)要求。
2.2 總體設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖如圖2所示。在室內(nèi)布置煙霧傳感器和紅外傳感器作為監(jiān)測(cè)火災(zāi)的單元,室內(nèi)外安裝溫度傳感器、濕度傳感器和光照傳感器作為生活必需的監(jiān)測(cè)單元,安裝紅外傳感器還作為監(jiān)測(cè)非法入侵的防盜單元。以這三個(gè)單元為主的家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過ZigBee技術(shù)組成傳感器網(wǎng)絡(luò),由終端節(jié)點(diǎn)采集到信號(hào),通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給路由節(jié)點(diǎn),路由節(jié)點(diǎn)再將信息傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),在協(xié)調(diào)器內(nèi)將信息進(jìn)行融合,通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至GPRS網(wǎng)絡(luò)、手持設(shè)備、PC客戶端等,用戶可以根據(jù)自身情況用遙控器、手持設(shè)備、PC客戶端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)判斷確有火災(zāi)險(xiǎn)情、溫濕度變化較大、非法入侵等情況發(fā)生時(shí),自動(dòng)發(fā)出不同聲音進(jìn)行報(bào)警并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)通知用戶。

3 硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能就是首先要將各種傳感器與無線傳輸芯片結(jié)合在一起。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

3.1 傳感器的選擇
    (1)MQ-2煙霧傳感器:它由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器等部件構(gòu)成。
    (2)SPS532CA紅外線傳感器:它基于熱電效應(yīng)原理制成,專門用在火災(zāi)探測(cè)和氣體分析,TO-5真空密封,可靠耐用,輸出信號(hào)靈敏度。
    (3)SHT10溫濕度傳感器:采用專利的CMOSENS技術(shù),確保了極高的可靠性和長期穩(wěn)定性,是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片,提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。
    (4)APDS-9002光電傳感器:它采用微型ChipLED無鉛表面封裝,它是業(yè)內(nèi)體積最小的器件之一,其工作特性也完全符合應(yīng)用需求。
    (5)入侵監(jiān)測(cè)傳感器:采用豪恩(LongHorn)公司的雙鑒探測(cè)器LH-902C進(jìn)行人員入侵判斷。該探測(cè)器采用微波和紅外技術(shù)同時(shí)鑒定入侵信息。
3.2 CC2530的路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    CC2530是一個(gè)兼容IEEE802.15.4的片上系統(tǒng),支持專有的802.15.4的協(xié)議以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。它使用一個(gè)8位的MCU,具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,適合作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備的核心部件。
    從硬件角度看,路由器節(jié)點(diǎn)的功能主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。由電源模塊、時(shí)鐘模塊、CC2530、射頻天線單元和LED顯示模塊組成,LED顯示模塊由3個(gè)不同顏色的LED發(fā)光二極管組成, 分別用來表示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)[10]。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.3 控制中心節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
    控制中心節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的角色,主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立及節(jié)點(diǎn)的管理等任務(wù)。在本系統(tǒng)中,它還需要對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以及通過RS-232串口與PC機(jī)連接通信。它的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

 

 

    控制中心節(jié)點(diǎn)的射頻天線單元用來接收和發(fā)送電磁波信號(hào),LCD顯示模塊用來顯示網(wǎng)絡(luò)狀況、顯示接收到的數(shù)據(jù)與指令信息,同時(shí)可配合按鍵模塊進(jìn)行菜單界面的顯示。
    (1)電源部分
    采用外部5 V直流電源供電。使用MAX687電壓轉(zhuǎn)換芯片為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至工作電壓3.3 V。
    (2)時(shí)鐘部分
    CC2530芯片的時(shí)鐘系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成,32 MHz晶振提供系統(tǒng)正常工作時(shí)的時(shí)鐘頻率,它分別連接CC2530的P19和P21管腳。32.768 kHz晶振提供系統(tǒng)在低功耗模式下的工作頻率,它分別連接CC2530的P44和P43號(hào)管腳。
    (3)射頻天線單元
 射頻天線單元由阻抗匹配電路與天線饋線電路組成。將節(jié)點(diǎn)設(shè)備外觀以小巧美觀實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)來適應(yīng)智能家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)。
    (4)LCD顯示模塊設(shè)計(jì)
 LCD顯示部分采用2×16的字符型液晶顯示模塊??捎糜谧帜?、數(shù)字及字符的顯示。
    (5)按鍵部分設(shè)計(jì)
    該節(jié)點(diǎn)的按鍵功能是為了方便用戶對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置而設(shè)計(jì)的。設(shè)置開、關(guān)及重啟三個(gè)按鈕。其余系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)在控制端。
4 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分,無線傳感網(wǎng)的信號(hào)采集部分的軟件設(shè)計(jì)、CC2530作為路由器的軟件設(shè)計(jì)、控制端的軟件設(shè)計(jì)。
4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是通過各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示:傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后,先進(jìn)行初始化,然后傳感器節(jié)點(diǎn)尋找是否存在已經(jīng)建好的網(wǎng)絡(luò),如果存在,則向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送加入請(qǐng)求;否則繼續(xù)處于等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)玫絽f(xié)調(diào)器允許后,傳感器節(jié)點(diǎn)便加入到網(wǎng)絡(luò)中開始采集數(shù)據(jù),并將自己的網(wǎng)絡(luò)地址與采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器,直到一個(gè)周期結(jié)束后再開始下一個(gè)周期。根據(jù)收到指令的不同,傳感器節(jié)點(diǎn)的處理程序也各不相同,不同的傳感器,節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)也有所不同。

4.2 路由器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    路由器節(jié)點(diǎn)的主要作用是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理與數(shù)據(jù)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)。在本系統(tǒng)中,路由器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖7所示。路由器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后,先進(jìn)行初始化工作,之后將自己的網(wǎng)絡(luò)地址與數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制中心節(jié)點(diǎn),然后進(jìn)入消息等待狀態(tài)。判斷收到的消息不是發(fā)送給自己的,則將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去;否則,路由器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)收到的消息中的指令執(zhí)行操作。

4.3 控制中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    控制中心節(jié)點(diǎn)主要是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立,實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā),與管理中心(PC機(jī)、遙控器、手持設(shè)備等)進(jìn)行通信[11]。因此,主要由以下幾個(gè)模塊組成:(1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)收發(fā)模塊;(2)串口通信模塊;(3)界面操作模塊。
5 系統(tǒng)測(cè)試
5.1數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

    本設(shè)計(jì)采用CC2530芯片作為無線傳輸模塊,最高傳輸速率250 kb/s,在較為理想的環(huán)境中,室內(nèi)傳輸最高可達(dá)15 m,室外可達(dá)到100 m。根據(jù)設(shè)計(jì)的需要,對(duì)室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試[12],隨機(jī)選取6組數(shù)據(jù),室內(nèi)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

    由表1可知,相隔3 m時(shí),傳輸數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確;相隔5~8 m時(shí),傳輸數(shù)據(jù)較快速準(zhǔn)確;當(dāng)相隔15 m時(shí),信號(hào)微弱,傳輸數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。這是因?yàn)槭覂?nèi)障礙物比較多,對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)削減較大。因此,當(dāng)本設(shè)計(jì)在實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)考慮距離因素,5~8 m的距離較為合適。
5.2 數(shù)據(jù)采集及顯示測(cè)試
  通過對(duì)溫度、濕度以及光照度的測(cè)試和數(shù)據(jù)傳輸對(duì)本系統(tǒng)的CC2530無線通信進(jìn)行測(cè)試。將溫度傳感器、濕度傳感器和光照度傳感器組成的傳感器模塊與一個(gè)CC2530模塊連接,將另一個(gè)CC2530模塊與測(cè)試用的智能主板連接。上電后,傳感器能夠正常采集數(shù)據(jù),CC2530無線通信模塊能夠正常通信,自動(dòng)完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。
    本文提出了一種將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與家居綜合監(jiān)測(cè)相結(jié)合的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了傳感器選擇、硬件系統(tǒng)搭建和軟件流程設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。并在實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)系統(tǒng)一部分的功能進(jìn)行搭建,經(jīng)過測(cè)試,取得了良好的預(yù)期效果。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)得還不夠完善,信息的儲(chǔ)存和分類、界面的智能化和系統(tǒng)的低功耗,都需要進(jìn)一步的研究和改善。在物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天,家居綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必將更加完善,應(yīng)用和推廣的前景十分廣闊。
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