探究无线传感器网络的家庭环境监测系统设计

引言

随着人们生活水平的不断提高和安全防范意识的逐步增强，人们开始越来越关心自己的居住环境，不仅要求家居环境的人性化和舒适化，而且对智能化和安全化也提出了更高的要求。在物联网的技术发展下，智能家居应运而生，家庭环境监测系统作为智能家居系统功能的一个重要组成部分和基本条件，是提供用户安全、舒适、便捷生活的手段。将物联网技术运用到家庭环境监测中，对构建智能家居系统和提高用户生活环境质量具有重要意义。

针对典型家庭环境中通信网络具有稳定性好、通信可靠、要求节点功耗低、开发成本低、时延少以及灵活性和安全性等特点，本文采用CC2530芯片为核心进行无线传感器网络构建，通过各种传感器采集温湿度、有害气体、烟雾等环境信息，并以无线方式将该信息及时反馈给上位机和用户手机终端，进行实时监测和控制。同时系统采用模块化的设计理念，具有很好的移植性和扩展性。

家庭环境监测系统

无线传感器网络（wireless sensor network， WSN）是传感器节点以自组织和多跳构成的自组织分布式网络系统，每个传感器都可以感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并通过无线通信网络将所感知信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反应。

本文采用低功耗、轻量级的IPv6无线传感器网络实现智能家居环境监测。IPv6技术的引入，使无线传感器网络能够共享现有Internet的各种成熟的网络管理技术，方便并简化了各种应用系统的设计。基于IPv6无线传感器网络智能家居环境监测网络主要由多种传感器节点、路由器节点、控制中心节点、智能家居监控中心组成。本文设计的智能家居环境检测系统的结构如图1所示。

图1 智能家居环境监测系统结构

为了实现基于IPv6无线传感器网络技术的智能家居环境检测系统的设计，本文对系统中各模块的功能进行详细说明。

⑴智能家居监控中心：实时地显示家庭环境信息，用户可以通过智能手机或者PC机实现对网络中节点的设置与管理，如发送数据采集指令、管理网络中的节点信息、设置传感器节点周期、采集环境信息的周期值大小；

⑵数据处理中心：通过家庭网关实现无线传感器网路与以太网的互联互通，实现对无线数据的接受和发送网络数据与指令，家庭服务器实现数据的处理和存储，提供远程监控的平台。

⑶路由器节点：实现数据包的路由与转发，扩大网络覆盖范围；

⑷ 传感器节点：组建无线传感器网络，实现对环境信息的采集，并通过无线传感器网络发送温湿度、有害气体（CO、SO2、甲醛）、烟雾、光照等环境数据到家庭网关。传感器节点采用6LoWPAN协议进行数据通信。

智能家居环境监测系统硬件设计

本系统的硬件主要由各种传感器节点、路由器节点以及家庭网关构成，实现对数据的采集，处理和无线信号的收发。因此，本文将分别针对这三类节点的硬件设计进行详细的介绍。

无线传感器节点

IPv6无线传感器节点整体方案采取模块化设计方式，如图2所示。设计方案包括通信模块与传感器两部分，传感器的功能是感知物理信息，并通过I/O接口传输给通信模块。只要包括多个传感器：温湿度传感器、CO传感器、甲醛传感器、烟雾传感器等。

通信模块采用TI公司的CC2530无线收发芯片，它是一款集成了8051内核和一个2.4G频段的RF收发器的SOC芯片，内部还集成了256K的Flash、8KB的RAM，提供了2路UARTS，支持7到12位分辨率的ADC，可编程输出功率达+4dBm，可最大化通信范围的101dBm链路预算。时钟电路为芯片提供工作时钟信号的32MHZ时钟电路和为休眠时提供时钟信号的32.768KHZ时钟电路。电源模块增加了电池供电方式，即可通过电池或有线电源供电。其他外围电路包括：外围接口电路、射频匹配电路以及天线。

路由节点

路由器节点的功能从硬件的角度上看，主要是实现数据的中转。该节点在使用时，可以自由灵活放置，能量主要靠使用电池供电。因此，该节点的硬件电路结构相对简单，主要由电源模块、时钟模块、CC2530、射频天线单元和指示灯LED模块组成，其电路结构如图3所示。

家庭网关

家庭网关主要负责无线传感器网络的建立，节点的管理等任务。在本系统中，它还需要对接受的数据进行处理，以及通过以太网与PC机连接通信。它的硬件系统结构如图4所示。其硬件大体上被分成了两部分：核心处理模块和主板功能模块。其中核心处理模块主要是S3C6410的最小系统电路，包括了SDRAM、Flash存储电路、时钟电路等。主板功能模块包括电源电路、以太网接口电路、CC2530电路、蓝牙电路、串口调试电路以及RS485接口电路等。

电源电路主要提供核心处理模块和主板上各个功能模块所需的工作电压，使整个控制中心能够正常稳定的工作；以太网接口电路主要用于网络连接和通信；CC2530电路和蓝牙电路主要用于构建智能家庭无线网络；串口调试电路为调试控制中心的软件程序提供了一个稳定的调试接口；RS485接口电路主要用于家庭内部有线设备与家庭无线网关的通信。

图4 家庭网关硬件设计

智能家居环境监测系统软件设计

软件设计主要分为应用层软件和上位机监控软件设计。其中应用层软件是关键部分。也是本文软件部分主要研究的内容。

本系统将应用层软件实现传感器节点数据采集、发送和控制功能。

传感器节点软件启动后，它先进行初始化工作，初始化完成之后，将节点的网络地址和角色信息经路由节点中转之后发送到家庭网关，为了降低系统的功耗，节点在没有进行数据采集时，应通过电源的管理功能关断数据采集部分的电源，并进入指令等待状态。当收到数据采集指令时，它首先打开数据采集部分的工作电源。延长一段时间后，它再进行数据的采集操作，并将采集到的信息发送到家庭网关。工作流程图如图5所示。

智能家居环境监测系统测试

为了实现系统的功能，需要对系统进行综合测试，从而全面了解系统的性能。本系统主要用于智能家居环境监测，在已有的智能家居平台上，进行温湿度、有害气体（CO、甲烷等）以及烟雾等环境因素的监测，测试结果如下：

⑴温湿度

图6 温湿度数据采集图

图6数据是在服务器终端上显示的数据采集过程，当前采集到的智能家居温度值是30.0℃，湿度值是64.0%rh，舒适度值是88.16843。

⑵烟雾

从图7数据中得知，当前采集到室内烟雾值为11.0ppm。

图7 烟雾数据采集图

⑶CO

从图8数据中得知，当前采集到室内CO值为750.0ppm。

图8 CO数据采集图

⑷甲烷

从图9数据中得知，当前采集到室内甲烷值为6.0ml/g.r。

图9 甲烷数据采集图

同时，户主可以通过PC终端和智能手机终端实时地查询到家庭环境信息，如图10、图11所示。

图10中在智能手机终端上显示传感器测试到的各种家庭环境数据，分别以卧室和客厅为例给出测试结果。

图11是在中在PC终端上显示传感器测试到的各种家庭环境数据。

图10 智能手机终端测试显示

图11 PC终端测试显示

总结

本论文在已有的智能家居平台下，通过对IPv6无线传感器网络技术理论以及相关软硬件的研究，结合实际家庭用户的需求，按照产品设计原则，研究设计了家庭环境监测系统，用以实现家庭环境例如温湿度、有害气体、粉尘等信息的采集和远程传送，可通过多种终端设备对家庭环境进行监控。在实际的系统长时间运行过程中，各种功能和性能都处于正常的水平，但从物联网长远的发展角度来说，还需要进一步在能耗数据采集精度、外壳工艺、数据信息种类、准确误差测量等方面进行改进，对设备和系统不断完善和优化。

编辑：jq