基于嵌入式及ZigBee技術的居室環境監測系統

殷松遷，郭培源，王建華

（北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京100048）

居室環境的質量直接關系到人們的身心健康。但是傳統的居室環境監測系統大都是有線通信方式，并且使用PC機作為家庭的網關，這樣的系統存在布線麻煩、可擴展性差、移動性差的缺點。為此，本文設計了一套可移動的無線智能家居環境監控系統[1]，專門用于精確檢測居室環境參數。該系統可以在線檢測居室溫度、濕度、光強度、煙霧濃度、煤氣含量、CO2濃度等數據信息，并對數據融合，使用模糊算法處理，在界面上顯示各個檢測量超標報警、人居舒適度等日常生活信息。給用戶直觀參考，為人們居室健康服務。

1 系統總體設計及工作流程

1.1 總體設計

為了提高傳統環境監測系統的靈活性和流動性，使智能家居更加模塊化，在本系統設計中，家庭內部通信采用無線通信方式。系統中網關手持可移動，配置精簡Linux操作系統，改變以前網關附加程序較多、反應慢的問題。此外，系統網關附帶有QT界面系統，可以讓人們更好、更快、更直觀地得到居室的環境信息，方便人們的生活。

系統包含家庭網關模塊、ZigBee協調器模塊、ZigBee終端模塊、傳感器數據采集模塊等，系統總體結構如圖1所示。其中網關以S3C2440作為硬件基礎，配置Linux操作系統，系統配置以太網接口和Web服務器[2]，實現家庭外部Internet通信，使用戶可以對家庭環境信息遠程監控；通過ZigBee協調器和ZigBee終端模塊的無線通信，組成家庭內部網絡通信，以此實現傳感器節點和網關的數據傳輸。

1.2 系統工作流程

首先由帶有ZigBee終端模塊的傳感器數據采集模塊采集居室環境的數據信息，通過ZigBee協調器模塊傳給具有操作系統的家庭網關[3]；網關對采集的傳感器數據進行協議分析處理、數據融合和模糊處理等處理后，將數據信息表現成日常生活中的語言（例如溫濕度是否舒適等），顯示到QT的界面系統中。此外，用戶也可以通過Internet遠程訪問了解家庭居室的環境信息。

2 系統軟硬件平臺設計

2.1 網關模塊硬件設計

在本系統中，硬件設計主要有網關模塊的設計和數據采集模塊的設計。網關硬件結構[4]示意圖如圖2所示。

網關模塊控制器核心采用ARM920T內核的S3C2440，它是一款三星公司推出的16/32 bit RISC微處理器，具有加強的ARM體系結構，MMU支持WinCE、EPOC 32和Linux操作系統，為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。

利用S3C2440的UART1連接ZigBee協調器通信模塊[5]。ZigBee協調器模塊采用德州儀器公司的CC2530芯片，CC2530已經在內部固化了ZigBee協議棧的PHY和MAC層，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點，CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，只需配置簡單的外圍設備就可以組成協調器的收發模塊，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

以太網模塊采用DM9000芯片，它是單芯片快速以太網MAC控制器，含有1個一般處理接口以及1個10/100 M自適應的PHY和4KB DWORD值的SRAM。

存儲模塊選用K9F1216U0A(128 MB)作為系統的Nand Flash，AM29LV160DB 作 為 Nor Flash(2 MB)，HY57V56-1620FTP-H作為 SDROM(256 MB)。

LCD顯示模塊選用群創的50P液晶觸摸屏，音頻及視頻模塊則采用UDA1341TS芯片。此外，系統硬件模塊還包括GPIO等其他接口模塊。

2.2 數據采集模塊硬件設計

數據采集應用傳感器采集居室環境待測參數，居室環境信息包括居室的溫度、濕度、光照度、煙霧濃度、煤氣含量、CO2濃度等[6]。數據采集硬件結構圖如圖3所示。

數據采集模塊控制核心和ZigBee終端同時選用帶有ZigBee功能的CC2530無線通信芯片。CC2530不僅可以組成協調器的收發模塊，其內部還包含業界標準的增強型8051 CPU、系統內可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能。數據采集系統選用CC2530負責傳感器的數據采集和對數據的初步處理。

測溫傳感器選用通信方式是單總線的芯片DS18B20，該芯片內部主要有溫度傳感器、64 bit的ROM存儲器、非揮發溫度報警觸發單元以及一個配置寄存器，有較高的測量精度和抗干擾能力。

濕度傳感器則選用IH3605。IH3605輸出電壓是供電電壓、溫度和濕度的函數，其輸出的電壓隨著其供電電壓的升高而升高。實際應用中，可以通過式（1）計算出25℃時的濕度值 RH25：

其中，VO是IH3605的輸出電壓，VI是其供電電壓。在溫度T（℃）時的相對濕度RH計算公式如下：

CO2傳感器選用 MG811。MG811對 CO2有良好的敏感度和選擇性，受溫度和濕度影響較小，具有良好的穩定性和再現性。設計外電路給元件提供加熱電壓，當其表面溫度足夠高時，元件相當于一個電池，其兩端會輸出一電壓信號，其值符合能斯特方程。

煤氣傳感器選用MQ-5。MQ-5在不同的煤氣濃度下，其電阻值會隨著濃度的變化而呈現出近似線性的變化，最終表現為其兩端電壓值的線性變化。

煙霧傳感器選用MQ-2，其工作原理類似MQ-5。

光線傳感器選用光敏電阻P1201-04，其兩端電壓會隨著光線的亮暗而產生近似線性的變化。

此外，在數據采集系統的硬件設計中還加入了一個時鐘芯片DS1302，以減免設置主機的中斷查詢工作，并且可以準確記錄所采樣數據出現的時間。

2.3 系統軟件設計

軟件開發平臺采用的是Fedroa10的宿主機環境，利用gcc cross_compile 4.4.3的交叉編譯器進行對ARM平臺的開發。選擇Linux 2.6.30內核的操作系統，并且在配置內核時選擇針對S3C2440的版本，利用Busybox制作yaffs2格式的文件系統[7]，并在此文件系統中添加Qtopia應用程序 （使用QT designer設計），這樣構成整個系統的軟件系統的基礎。

2.3.1 網關主程序流程設計

ZigBee終端模塊通過上行傳輸方式隔時(由各個終端模塊定時)將傳感器數據信息傳給ZigBee協調器模塊之后，進入網關主程序。網關主程序大致流程圖如圖4所示。網關通過UART1接收ZigBee協調器的數據，當監測到有數據進來時，網關進入中斷狀態。首先判斷是否為協調器模塊的數據，如果是，則對此數據進行初步協議解析，然后顯示傳感器各節點信息，之后對傳感器數據進行融合和模糊處理，如果有信息超過預設報警值，則語音模塊將給出詳細報警信號；否則顯示成日常生活語言等信息。

2.3.2 數據融合及模糊算法處理

本系統中，對傳感器數據的處理是重要的一部分。網關部分接收ZigBee協調器的數據，依據規定的數據協議格式對數據進行分析解讀，提取居室信息數據的有效部分，之后采取數據融合技術和模糊處理對數據進行進一步的分析處理，將部分居室環境信息反映成日常生活語言。例如將居室的溫濕度信息反映成是否舒適，將居室的煤氣濃度或者煙霧濃度信息反映成是否觸發報警器等信息[8]。

本設計中，居室溫濕度舒適度信息的融合及模糊處理過程如圖5所示。例如A房間有終端節點n個（依據實際情況），系統網關得到第j次1號～n號終端節點的溫度和濕度傳感器的信息，依據式（3）和式（4），經過加權算法融合處理，分別得到一個溫度值Tj和濕度值Hj（Wi是權重，依據實際情況調整）。

依據模糊理論，在居室環境溫度論域（0～30℃）上定義 3個溫度概念(冷、暖、熱)，在空氣濕度論域（0～100%RH）上定義 3個濕度概念(低、中、高)，選擇梯形隸屬度函數將溫度值Tj和濕度值Hj進行數值-符號的轉換，得到符號信息。依據經驗在“舒適度”論域上定義8個概念(干冷、冷不適、濕冷、較舒適、很舒適、干熱、濕熱、熱不適)，以此制定的舒適度規則如表1所示。

表1 溫濕度舒適度規則表

基于溫濕度信息實現二者的合成之后，得到溫濕度舒適度信息，給用戶參考。

2.3.3 QT界面系統設計

在Linux操作系統中加入QT的應用程序，方便用戶更加直觀地了解環境信息[9]。在文件系統中的“etc/init.d/rcS”文件，添加 Qte 的啟動腳本(qtopia&)，以及在“bin/”目錄下添加qtopia的運行腳本，并修改文件系統的“etc/profile”，使系統能夠運行QT應用程序。

QT系統界面是一種很容易操作的UI界面，當用戶點擊主界面中房間 A（例如客廳）的desktop（啟動器）之后，便可以很直觀地獲取房間A內的環境信息，圖6是房間A的環境信息的界面圖。

本文以S3C2440作為硬件基礎，Linux操作系統作為軟件基礎，采用ZigBee無線傳感技術，并結合傳感器的使用，實現了居室環境監測系統。盡管此系統是智能家居系統中比較簡單的一個子系統，但為智能家居系統的無線通信和遠程監測提出了一種具體實現。此外，可以實現監測點的任意放置，且可依據用戶的實際需要適當地增減節點，系統組織靈活。在此基礎之上，人們可以構建更加復雜的智能家居系統或者工業控制系統。

[1]張蘭紅.智能家居控制系統[J].科技致富向導，2011(35)：180-181.

[2]焦騰，戚銀城，孫卓，等.智能電網中智能家居終端的設計[J].電子科技，2011，24(12)：70-71.

[3]孟祥敏，侯德文.基于ZigBee技術的智能家居系統的研究[J].信息技術與信息化，2009(2)：36.

[4]王翔，樊強，王斌，等.基于Internet的智能家居網關設計與實現[J].電力系統通信，2011，230(32)：78-80.

[5]劉禮建，張廣明.基于ZigBee無線技術的智能家居管理系統的設計[J].計算機技術與發展，2011，12(21)：251-253.

[6]紀志成.基于物聯網技術的博物館室內環境監測[J].文物保護與考古科學，2011，23(3)：48-50.

[7]邵長斌，李洪亮.用Busybox制作嵌入式Linux根文件系統文件[J].微計算機信息，2007，23(10)：48-50.

[8]王治，盧蔚.基于模糊算法的人體舒適度模型[J].科技創業月刊，2011(13)：112-113.

[9]李翔，樂孜純.一種基于Qtopia的嵌入式遠程污水數據終端[J].機電工程，2010，27(6)：69-70.