基于传感器的家居环境监测系统应用与设计
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摘要：电子芯片、物联网和移动通信的快速发展，促进了传感器的改进和普及，基于传感器已经开发了许多监测系统，并在工业生产控制、地理环境遥测、视频安防监控中得到了广泛的应用。智能家居是传感器应用的一个重要领域，基于传感器可以开发家居环境监测系统，实现温湿度、甲醛等家居环境的实时监测，获取更多的家居环境信息，保证家庭生活的正常和健康。
关键词：传感器；家居环境监测；无线网络
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）16-0087-03
1 概述
无线传感器网络具有自组织特性、非常容易组网部署、易于扩展、通信代价较低、数据传输时延小等优点，已经成为物联网中最为重要的一种网络类型，尤其适合智能家居环境监测，可以很好地管理室内空气质量、温湿度质量、家庭生活电气安全防盗等。本文分析了传感器网络在家居环境监测中的应用背景，对家居环境监测信息进行了总体需求分析，将其分为三个关键功能，分别是家居环境信息采集功能、家居环境信息传输功能和家居环境信息处理功能，并且分析了家居环境信息的总体架构，对其进行了有效处理，具有较好的作用。基于ZigBee技术设计了无线传感器网络监测系统的功能，分析了系统的拓扑结构和服务器部署结构，并且选择了ZigBee无线节点实现了一种功能强大的家居环境监测系统，该系统能够实现强大的数据传输和处理功能，有效支持环境数据存储转发。
2 家居环境监测系统功能分析
2.1 家居环境监测系统总体功能
家居环境监测系统需要完成以下目标：一是基于ZigBee技术进行网络拓扑结构设计，使之能够覆盖整个室内生活环境，实现全方位的环境监测；二是基于ZigBee网络拓扑结构实现无线传感器网络节点的全面部署，包括传感器节点、路由网关节点等，实现无线传感器网络自组织功能，以便及时发现网络存在的故障节点、删除的节点或新增的传感器节点，能够快速连接，并且实现自组织网络功能，自动实现网络的修复和自适应功能，同时优化管理部署节点，全方位覆盖生活环境，延长电池的使用寿命；三是基于ARM Linux操作系统环境下，使用嵌入式QT技术编写显示数据界面，以便家庭用户能够实时地监测生活环境的室内温度、室内氧气、室内一氧化碳、室内二氧化硫、室内湿度、室内甲烷和室内二氧化碳的含量等温度、湿度和浓度，监测生活用水、用电和用气的安全性和用量，以及监测室内各种生活家电的状态等。同时，实现数据的实时化更新，并且对异常数据进行报警处理。
2.2 家居环境信息采集功能
家居环境信息采集可以使用室内部署的温度传感器、湿度传感器、甲醛传感器等采集室内的温度、湿度、甲醛等信息，并且能够将这些信息发送传感器携带的存储器中。
2.3 家居环境信息传输功能
家居环境信息采集之后，可以通过ZigBee无线传感器网络将信息发送至汇聚节点，汇聚节点可以将信息通过串口发送至家居环境监测系统的服务器中，实时的保存家居环境的信息。信息传输过程中，需要高效路由和转发，以便尽可能快的将信息发送至服务器。
2.4 家居环境信息处理功能
传感器网络采集到的数据传输到服务器之后，负责处理采集到的视频信息、家用生活电气信息、空气质量信息等传到相关的环境监测装置上，如果传感器服务器发现相关的信息值超过了用户设置的预警值，传感器检测装置可以通过4G通信网络以短信或数据通信的方式通知用户，并且将收集的信息的相关存储到服务器数据库中，以便用户非常方便地查看历史生活环境信息。相关的逻辑业务处理结果可以将数据统计分析和预测的结果发送到相关的界面上，以便于用户查看和分析。
3 传感器在家居环境监测系统中的应用设计
3.1 无线传感器网络架构设计
在室内布置各类终传感器节点，以全方位地覆盖家居环境，采集家居环境中的氧气含量、烟雾含量、二氧化碳含量、二氧化硫含量、一氧化碳含量等各种气体的浓度，同时使用防盗红外线传感器、家电状态传感器、水质监测传感器等检测各种生活设施的使用状态，并且将采集到的数据通过无线传感器网络传输到汇聚节点，各种传感器自组织构建一个室内的综合信息采集和感知网络，以便能够ARM处理采集到的相关信息，并且将处理结果保存到相关的逻辑业务数据库服务器，如图1所示。
3.2 无线传感器选型
美国德州仪器公司是全球领先的半导体企业，该企业主要生产数字信号处理机相关的模拟器，能够提供传感器等硬件信息采集设备。目前，在家居环境监测过程中，常用的传感器无线网络可以采用德州仪器的CC2350芯片，并且使用CC2350EB开发套件，其中芯片相对较为成熟，已经在传感器应用领域取得了良好的效果，如图3所示。
3.3 无线传感器节点设计
ZigBee无线传感器网络主要包括三种节点，分别是传感器终端节点、路由转发节点和一些控制节点，每一种节点都具备不同的功能，以便能够实现无线传感器网络采集数据、传输数据、处理数据和转发数据等功能。终端通信节点可以读取室内各种环境信息，并且将数据封装起来，发送到相关的汇聚节点，同时其可以接收相关的回应指令，以便实现自动化的调节和覆盖网络，终端节点的功能如图4所示。
路由器可以接收传感器数据，将其封装到数据包中发送到关口服务器，实现数据包的路由、转发功能。
协调器节点的功能主要是接收下位机的相关数据，同时能够转发系统发送的指令信息，以便很好地控制传感器的采集数据分布区域和位置，具有非常重要功能。
家居环境监测系统采用Linux操作系统、QT集成工具开发完成。Linux操作系统拥有的核心API能够完成基本的通信需求，但是对于具体的温湿度传感器驱动组件、甲醛传感器驱动组件，需要进行开发。为了能够节约篇幅，本文详细介绍系统实现的关键组件及运行截图，给出了传感器驱动组件实现的关键描述。
3.4 传感器应用实现
温湿度传感器驱动组件主要包括四个关键档，系统开发过程中，命名为头档SHT.h、界面档SHT.nc、配置组件SHTC.nc和模块组件SHTP.nc，结合Linux操作系统提供的MainC.nc和TimerMilliC（）组件共同构成了传感器驱动组件。头档SHT.h头档的主要作用是描述温湿度传感器和控制器之间的信号控制和硬件连接档，可以配置硬件通信描述层的内容。配置组件SHTC.nc可以定义和描述模块组件SHTP.nc中的相关界面、构成组件以及二者之间的关系。模块组件SHTP.nc可以初始化温湿度传感器、测量温湿度、读取传感器数据，其是温湿度传感器组件的核心业务逻辑组成部分。应用层组件可以通过界面档SHT.nc中的相关命令，与温湿度传感器进行交互。界面档SHT.nc定义的函数包括以下三个：读取温湿度传感器数据的命令函数Read（）、读取数据结束完成的事件函数ReadDone（）和计算家居环境的实际温度函数Calculate_RealValue（）。
温湿度传感器可以采用CC2350的第1、2个引脚进行系统实现。为了检测本文家居环境监测系统的准确程度，将其测得的数据与标准的QFA4160温湿度传感器测量的数据进行比较，详细的温度测量数据如表1所示（测量环境为冬季，选取五周的温度值平均值大概为23℃左右）。
由表1可知，高精度的QFA4160传感器测得的温度值相比，本文采用CC2350传感器测量得到的温度值更加符合冬季室温的范围，具有较好的作用。
甲醛传感器驱动组件主要包括三个关键档，系统开发过程中，命名为界面档Formalin.nc、配置组件FormalinC.nc和模块组件FormalinP.nc，结合Linux操作系统提供的PlatformSerialC.nc组件共同构成了甲醛传感器驱动组件。系统提供的PlatformSerialC.nc组件能够提供三种类型的界面，分别是UartStream.nc界面、CC2350UartControl.nc界面和UartStdControl.nc界面，上述三个界面可以完成设置串口通信串列传输速率、控制串口开关等功能，有效实现传感器和控制器的通信工作。配置组件FormalinC.nc可以详细地定义模块组件FormalinP.nc组件和界面之间的关系。模块组件FormalinP.nc组件可以初始化传感器、测量甲醛数据和读取数据的逻辑业务，是非常重要的组成部分。界面档Formalin.nc可以甲醛传感器功能，以便能够为应用层提供逻辑业务回应功能，该界面包含的关键函数分别是初始化甲醛传感器命令函数Init（）、读取甲醛传感器测量值的函数Read（）、读取数据完成之后的事件函数ReadDone（）和计算甲醛浓度实际值的函数Calculate_RealValue（）。
为了能够验证本文甲醛传感器的准确度，与高精度甲醛传感器ME3M-CH2O检测的数据进行比较，具体选择5周的加强浓度测量数据进行比较，如表2所示。
实验结果证明，本文甲醛传感器可以很好检测室内甲醛浓度，以便及时进行报警，确保甲醛含量处于一个正常的范围，确保人的生命健康安全。如果甲醛浓度过高，可以及时报警，提醒用户开窗通风。
4 结束语
随着传感器、无线通信等技术的快速发展，物联网已经在智能家居管理中得到了广泛的普及和使用，能够提高家用电器智能控制、安防控制的信息化水平，具有重要的作用和意义。
参考文献：
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