金啟芃

　?。ū本┕I(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院， 北京 100024）

　　摘要：在智能家居中，環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集是使家居實現(xiàn)“智能”的關(guān)鍵步驟。本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)使用近年來新出現(xiàn)的Microduino系列套件制作，具有體積小、操作方便、功耗低、可隨意移動的特點。利用價格便宜、市面上常見的溫濕度傳感器，結(jié)合Microduino套件中的模塊，組合成采集節(jié)點與匯聚節(jié)點，并充分發(fā)揮Microduino的優(yōu)勢，使其不同于其他芯片所搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；Microduino；數(shù)據(jù)匯聚

0引言

　　隨著智能家居行業(yè)的發(fā)展，智能化的家居產(chǎn)品越來越多，但是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)尚沒有根本改變。無論如何智能系統(tǒng)都離不開環(huán)境數(shù)據(jù)的采集［13］。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的核心要求是成本低、功耗低、體積小。所以芯片開發(fā)板和傳感器的選型是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。每個數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和采集節(jié)點都要求功耗低、成本低、體積小，這樣才能更方便地鋪設(shè)，運行時間更長，同時成本更低。

　　Microduino自面世以來，以其Arduino的兼容性、開源、體積小及模塊化的特點等特點，受到了極大的關(guān)注。Arduino兼容性和開源的特點使得Microduino系列套件可以方便地使用Arduino既存的庫文件進行開發(fā)［4］，并且創(chuàng)客之間可以方便地進行技術(shù)交流。體積小、模塊化使得Microduino在應(yīng)用開發(fā)上更加方便，便攜性更好，且性能不輸于同核心的Arduino開發(fā)板，同樣它也繼承了Arduino的低功耗優(yōu)勢［5］。

　　本文設(shè)計了一種基于Microduino的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集并通過ZigBee模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點，用戶可隨時使用藍牙連接模塊查看環(huán)境數(shù)據(jù)［6］。本文旨在使用Microduino開發(fā)板搭建并測試一個包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)分為采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點兩個部分，采集節(jié)點通過溫濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并經(jīng)由MCU處理，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點經(jīng)過簡單處理后將數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)绞謾C端藍牙串口App，用戶即可以隨時獲取各個節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2硬件設(shè)計

　　2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點

　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點的控制部分由MicroduinoCore、MicroduinoZigBee、MicroduinoBM、MicroduinoSensorhub模塊組成。其中Core模塊作為MCU主控，ZigBee模塊用作數(shù)據(jù)傳輸，BM為電源管理模塊，連接鋰電池供電，Sensorhub用于連接各種傳感器。另外，USBTTL可使用USB線連接電腦隨時調(diào)試修改程序。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　MicroduinoCore的PCB如圖3所示，模塊間通過周圍的U27PIN接口相互插接在一起,拼裝完成后整個節(jié)點很小，可以隨身攜帶并方便移動。

　　圖2數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成圖3MicroduinoCore開發(fā)板PCB圖數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)采集部分采用DHT11實現(xiàn)。通過自制連線與MicroduinoSensorhub擴展板連接。DHT11是一款較為常見的溫濕度傳感器，接口簡單，可長期穩(wěn)定運行，并且功耗低。硬件部分使用自制的連接線與Sensorhub擴展板連接，其連接圖如圖4所示，提供VCC、GND并留出一個數(shù)字口用于接收數(shù)據(jù)。Microduino可以完全兼容Arduino代碼，故可以使用Arduino中的DHT11庫，調(diào)用庫函數(shù)并獲得溫濕度數(shù)據(jù)。

　　2.2數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點

　　數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點由MicroduinoCore、MicroduinoUSBTTL、MicroduinoBM、MicroduinoZigBee、MicroduinoBT組成。其中Core是MCU模塊，對數(shù)據(jù)進行處理；USBTTL用于下載程序和調(diào)試；BM作為電源管理；ZigBee模塊用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；BT為藍牙模塊，通過手機連接，以查看采集到的數(shù)據(jù)。總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖5數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點間的傳輸使用ZigBee模塊。Microduino系列中有U27PIN接口的ZigBee模塊，使用CC2530芯片。該模塊需要先使用AT命令進行配置才可以使用。本文中將兩個節(jié)點上的ZigBee模塊分別配置為路由器和協(xié)調(diào)器兩種。該模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送格式為+ZBD=XXXX,所以在接收時需要做好相應(yīng)的分割才可讀取數(shù)據(jù)。該模塊管腳圖如圖6所示，符合U27PIN標準，可以與各種Microduino模塊拼接。

3軟件設(shè)計

　　3.1路由節(jié)點

　　路由節(jié)點主要功能是負責(zé)采集數(shù)據(jù)并按照設(shè)定好的協(xié)議格式打包好，使用ZigBee模塊傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點。路由節(jié)點的程序流程如圖7所示。路由節(jié)點的功能比較簡單，進一步的處理交給協(xié)調(diào)器節(jié)點來完成。

　　3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點接收各個路由節(jié)點和終端節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行整理，同時當用戶通過手機的藍牙串口APP訪問時，可即時地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上。程序流程圖如圖8所示。

4實驗結(jié)果

　　設(shè)計完成后將模塊插接好，將采集節(jié)點布置在距離匯聚節(jié)點7~10 m的位置并連接鋰電池。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)可以通過藍牙串口或電腦串口隨時監(jiān)測。串口實時接收到的數(shù)據(jù)如圖9所示。

5結(jié)束語

　　本文使用Microduino系列的開發(fā)板進行了數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點的搭建和測試，完成了數(shù)據(jù)匯聚的功圖9通過電腦串口接收到的數(shù)據(jù)

　　能。其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的4個模塊疊加后，其尺寸為長25.4 mm、寬27.94 mm、高25 mm，鋰電池厚度約為4 mm。體積極小，可以將節(jié)點放置在家中任意位置進行數(shù)據(jù)采集和匯聚。電源使用3.7 V-600 mAh的鋰電池進行供電，可持續(xù)工作7~8個小時。其單個芯片價格略低于Arduino，遠低于FPGA開發(fā)板。所以使用Microduino搭建智能家居中的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小、方便布置、價格便宜、功耗較低等優(yōu)勢。

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