智能家居環境監測終端設計

張　麗西安海棠職業學院

智能家居環境監測終端設計

張麗
西安海棠職業學院

隨著科學技術水平的發展和人們生活水平的提高，智能家居產品成為了當前的熱點產品。越來越多的智能家居產品日漸出現，實現對生活家居環境的監測和控制，為人們創造更便捷、更舒適和健康的宜居環境。本文通過低功耗低成本的嵌入式方案實現了一款智能家居環境監測終端設備的設計。

智能家居；環境監測

1　前言

家居環境是指家庭團聚、休息和學習的環境。城市居民每天在室內工作、學習和生活的時間占全天時間的90%左右，因此，居室環境與人類健康極為密切。近年來，H1NI豬流感，超級細菌的出現，都說明室內環境健康的重要性。因此，“智能家居”[1，2]的新概念突顯其重要意義。嵌入式計算技術、通信技術和傳感器技術的飛速發展和MEMS技術的日益成熟與完善為智能家居的實現和發展提供了基本的技術條件。在整個智能家居的應用中家居環境的監測是其中最為重要之一。本文采用目前嵌入式技術和ZigBee網絡[3]設計了一種模塊化的智能家居環境監測終端。

2　總體設計

智能家居環境監測終端主要有主控制器、ZigBee通信模塊[4]、傳感器模塊[5]和顯示模塊四大部分組成。

本系統主控制器采用意法半導體的STM32F103來實現整個整個智能家居監測系統的數據處理，任務控制功能；通信模塊采用的是基于TI2530ZigBee芯片開發的2.4G無線通信模塊，實現該終端與智能家居網關的通信，將采集到的環境信息發送到智能網關以及接收網關的控制指令；傳感器模塊主要由溫濕度檢測、PM2.5/ PM10檢測、甲醛檢測模塊組成，完成家居環境信息的采集功能；顯示模塊采用的是一個2.8寸的液晶顯示屏，可以實時顯示當前的環境指標參數以及歷史參數。

3　核心硬件設計

如系統框圖所示，硬件系統的核心部分包括主控制器、傳感器模塊、通信模塊和顯示模塊四個部分，為方便后續系統的功能升級，在此設計中各核心部分都采用模塊化的設計方法，分別如下：

（1）主控制器，主控制器才用的是STM32F103處理器構成的最小控制系統，STM32F103是由意法半導體公司推出的中低端的32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3，工作頻率可達最高72MHz，芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多種功能，外部資源豐富，價格低廉，被廣泛應用于智能手持終端設備和各類消費電子產品等領域。STM32F103最小系統包括電路供電，時鐘及下載配置和主芯片電路。

（2）ZigBee通信模塊的設計采用的是KLZB214串口轉ZigBee通信模塊，內嵌zigbee2007協議，模塊通過串口與主控制器STM32F103交互數據，支持數據透明傳輸、一對一傳輸、多對一傳輸、一對多傳輸，具備自動路由功能，掉電可恢復網絡數據，不需要理解復雜的zigbee協議就可以簡單實現強大zigbee網絡，并進行數據的傳輸。

（3）傳感器模塊，傳感器模塊在整個系統中主要實現家居環境各指標參數的采集，也是采用模塊化的設計方法，可以根據需求更好不同的傳感器模塊，在本次設計中主要使用了溫濕度檢測、PM2.5/PM10檢測、甲醛檢測模塊，PM2.5/PM10和甲醛檢測模塊與主控制器的通信接口采用的是串口協議，溫濕度檢測模塊與主控制器的通信接口采用的是標準IIC協議。串口協議和標準IIC協議都是標準的通信協議，后期更換模塊只需要是標準的串口協議和IIC協議即可兼容。

（4）顯示模塊，顯示模塊采用的是2.2寸USART HMI智能串口屏，集成GPU字庫、自定義任意Windows字庫，支持基本的GUI指令(畫點、畫線、畫矩形等)，支持圖片格式BMP、JPG、JPEG、PNG，支持串口下載和SD卡下載。

4　核心軟件設計

智能家居環境監測終端軟件部分從功能上看具有顯示、通信、溫濕度采集、PM2.5采集和甲醛采集5個部分，每個部分都是一個相對獨立的功能模塊，在軟件設計的時候該系統采用uC/OS II(Mi?cro Control Operation System Two)嵌入式操作系統，每個功能模塊設計成一個系統任務供操作系統調度，任務直接的通信采用信號量的方式來實現整個系統的軟件功能。

智能家居環境監測終端通過不間斷的采集家居環境中的指標參數發送到網關中心來讓用戶隨時掌握家居環境信息，其中數據的通信傳輸策略是一個軟件設計的主要組成部分之一。根據實際的業務需求，本系統設計了一種“告警上報、定時發送、點播訪問”的數據通信策略。

告警上報是依據用戶設定的各指標監測閾值，系統將采集到監測信息并判斷其是否超標，如果超標則主動向智能網關發送告警信息，如果正常則將當前數據存儲在本地FLASH；定時是依據用戶設定的發送時間間隔定時的向智能網關發送各指標參數；主機點播訪問是用戶發起訪問請求，智能網關向需要訪問的智能家居環境監測終端轉發請求命令，智能家居環境監測終端收到訪問請求命令后將監測數據再發送到智能網關。本系統通過“告警上報、定時發送、點播訪問”的數據通信策略實現數據在網絡中的傳輸。

5　測試與實驗

智能家居環境監測終端和智能網關分別上電啟動運行，實現可以看到智能家居環境監測終端將環境中的各指標參數超過采集并發送到智能網關上，同時智能網關將監測信息發送到手機APP端顯示。

6　總結

本文論述了智能家居環境監測終端的一種設計方法，并提出“告警上報、定時發送、點播訪問”的數據傳輸策略來實現監測數據的傳輸。同時，通過實驗驗證了該智能家居環境監測終端有效性。本文沒有對智能家居環境監測終端所監測的數據的應用處理，有待于進一步研究。

[1]葉朝輝，楊士元.智能家居網絡研究綜述[J].計算機應用研究，2000（9）：4-8

[2]韓江洪，張建軍，張利，魏振春，魏臻.智能家居系統與技術[M].合肥工業大學出版社，2005

[3]李文伸，段朝玉等.ZigBee無線網絡技術入門與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2007:22-27

[4]周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[J].自動化與儀器儀表，2005（9）:37-40

[5]劉志杰.物聯網技術的研究綜述[J].軟件，2013，34（5）:164-165

張麗（1986-），女，陜西西安人，漢族，碩士，助教，西安海棠職業學院，研究方向：信息與通信工程。