基于Microduino的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金啟芃

(北京工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院， 北京 100024)

基于Microduino的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金啟芃

(北京工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院， 北京 100024)

在智能家居中，環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集是使家居實(shí)現(xiàn)“智能”的關(guān)鍵步驟。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用近年來(lái)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(dòng)的特點(diǎn)。利用價(jià)格便宜、市面上常見(jiàn)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(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)，并充分發(fā)揮Microduino的優(yōu)勢(shì)，使其不同于其他芯片所搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

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(lái)越多，但是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)尚沒(méi)有根本改變。無(wú)論如何智能系統(tǒng)都離不開(kāi)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(kāi)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(gè)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)都要求功耗低、成本低、體積小，這樣才能更方便地鋪設(shè)，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)成本更低。

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

本文設(shè)計(jì)了一種基于Microduino的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并通過(guò)ZigBee模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，用戶可隨時(shí)使用藍(lán)牙連接模塊查看環(huán)境數(shù)據(jù)[6]。本文旨在使用Microduino開(kāi)發(fā)板搭建并測(cè)試一個(gè)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分，采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并經(jīng)由MCU處理，通過(guò)ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端藍(lán)牙串口App，用戶即可以隨時(shí)獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(shí)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(guò)周圍的U27PIN接口相互插接在一起,拼裝完成后整個(gè)節(jié)點(diǎn)很小，可以隨身攜帶并方便移動(dòng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成

圖3 Microduino-Core開(kāi)發(fā)板PCB圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分采用DHT11實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自制連線與Microduino-Sensorhub擴(kuò)展板連接。DHT11是一款較為常見(jiàn)的溫濕度傳感器，接口簡(jiǎn)單，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并且功耗低。硬件部分使用自制的連接線與Sensorhub擴(kuò)展板連接，其連接圖如圖4所示，提供VCC、GND并留出一個(gè)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(kù)，調(diào)用庫(kù)函數(shù)并獲得溫濕度數(shù)據(jù)。

圖4 DHT11電路圖

2.2 數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)由Microduino-Core、Microduino-USBTTL、Microduino-BM、Microduino-ZigBee、Microduino-BT組成。其中Core是MCU模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(lán)牙模塊，通過(guò)手機(jī)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(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)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(jìn)行配置才可以使用。本文中將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，可以與各種Microduino模塊拼接。

圖6 Microduino-ZigBee模塊管腳圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)主要功能是負(fù)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(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖7所示。路由節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，進(jìn)一步的處理交給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來(lái)完成。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，同時(shí)當(dāng)用戶通過(guò)手機(jī)的藍(lán)牙串口APP訪問(wèn)時(shí)，可即時(shí)地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。程序流程圖如圖8所示。

圖7 路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖8 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成后將模塊插接好，將采集節(jié)點(diǎn)布置在距離匯聚節(jié)點(diǎn)7～10 m的位置并連接鋰電池。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)藍(lán)牙串口或電腦串口隨時(shí)監(jiān)測(cè)。串口實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用Microduino系列的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行了數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的搭建和測(cè)試，完成了數(shù)據(jù)匯聚的功

圖9 通過(guò)電腦串口接收到的數(shù)據(jù)

能。其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的4個(gè)模塊疊加后，其尺寸為長(zhǎng)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(diǎn)放置在家中任意位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和匯聚。電源使用3.7 V-600 mAh的鋰電池進(jìn)行供電，可持續(xù)工作7～8個(gè)小時(shí)。其單個(gè)芯片價(jià)格略低于Arduino，遠(yuǎn)低于FPGA開(kāi)發(fā)板。所以使用Microduino搭建智能家居中的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有體積小、方便布置、價(jià)格便宜、功耗較低等優(yōu)勢(shì)。

[1] 劉熙昌 孔祥營(yíng),孫景明,等. 基于Arduino的智能照明設(shè)計(jì)[J].科教導(dǎo)刊,2015(4)：132，152.

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[3] 渠淼,牛國(guó)鋒,冒張霄，等.基于Arduino的智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(20):83-85.

[4] 張強(qiáng)武,唐露新,陳超鋒,等.基于Arduino和Machtalk的溫棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014，11(11):71-74.

[5] 姚琪,楊立斌.Microduino實(shí)戰(zhàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[6] 王勝,基于Android平臺(tái)家庭智能系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].南京：南京郵電大學(xué),2013.

Design of a smart home environment monitoring system based on Microduino

Jin Qipeng

(School of Software Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100024, China)

Environment monitoring and data collection are important parts of smart home control system to make things “smart” in home.A movable monitoring system is designed based on Microduino series which just appeared in recent years and it’s small in size and convenient in operating with low consumption.The data acquisition node consists of cheap and common temperature & humidity sensors and air quality sensors together with Microduino modules and gives the full play to the advantages of Microduino, so it is different from other data transmission system made by others.

Internet of Things;smart home;Microduino;data aggregation

TP29

A

1674-7720(2016)05-0069-02

金啟芃. 基于Microduino的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(5)：69-70,74.

2015-11-09)

金啟芃(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)。