基于傳感器的智能家居環境檢測系統設計

吳秉容

山東交通學院，山東 濟南 250357

0 引言

在日常生活中，水電、天然氣的使用給居民的生活帶來了便利，但隨之而來的潛在危險也應予以關注。相關資料統計顯示，21世紀是我國科學技術發展的高峰階段，與此同時，火災帶來的損失也有驚人的增長，2001—2010年我國因火災導致的損失年均值為15.4×108元人民幣[1]，是20世紀80年代火災損失的4.8倍[2]。從火災撲救情況來看，54.4%的火災能夠在30 min內撲滅，38.4%的火災能夠在2 h內撲滅，仍有7.1%的火災撲救時間在2 h以上[3]。

基于此，文章設計了基于傳感器的智能家居環境檢測系統，主要功能是針對室內溫度、可燃氣體或有毒氣體的濃度、火災引起的煙霧濃度進行實時顯示與監測，以便能夠及時對火災情況作出相應的反應，為人們提供一個安全、健康的居住環境。

1 智能家居環境檢測發展現狀

國外針對火災預防體系的研究起步較早，火災預防體系內不僅僅涵蓋了火災的預防，同時包括報警、撲救、善后處理等各個階段。大多數發達國家的火災預警系統已經進入第三階段的高速發展期，采用計算機進行統一控制，用戶終端傳感器、信號采集器與計算機進行連接。這種運行機制的火災預警系統已經在美國、澳大利亞、加拿大、日本、英國、俄羅斯等國家的城市和住宅火災監控與自動報警綜合控制系統中穩定運行多年。

2 智能家居環境檢測系統設計

基于傳感器的智能家居環境檢測系統由溫度傳感器和MQ2、MQ5模塊提供數據；終端將采集到的數據或經過或不經過路由器傳送給協調器；協調器檢測到的三組數據中有兩組超過設置的閾值時，驅動報警模塊報警。系統設計主要分為硬件部分與軟件部分。其中，硬件部分作為整個系統的實現平臺，需要先于軟件部分進行構建。硬件部分又可分為協調器、終端和路由器。軟件部分主要包含Z-Stack協議棧，DS18b20、MQ2、MQ5驅動程序和上位機顯示程序。

2.1 硬件系統

該系統硬件部分主要包括CC2530傳輸處理模塊、溫度傳感器、氣體傳感器、煙霧傳感器、顯示模塊以及報警模塊等[4]。

（1）溫度傳感器。DSl820傳感器提供9位（二進制）溫度讀數，指示器件的溫度信息經過單線接口送入DSl820或從DSl820送出。因此，從CPU到DSl820僅需一條線（和地線），DSl820的電源可以由數據線本身提供，不需要外部電源。

（2）氣體傳感器與煙霧傳感器。氣體傳感器采用MQ5傳感器，煙霧濃度傳感器采用MQ2氣體傳感器。傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環境中存在可燃氣體或有毒氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體或有毒氣體濃度的上升而變大[5]。

（3）報警模塊。報警模塊采用蜂鳴器實現，當測量值高于閾值時，蜂鳴器鳴叫，提示安全指標超標或不正常，需采取安全措施改變室內環境質量。

（4）顯示模塊。不僅需要將采集到的溫度、氣體濃度發送到計算機上位機顯示，還要在終端節點的OLED顯示屏上顯示。計算機上位機使用C#語言進行編程，然后通過USB將數據發送到上位機。

2.2 軟件系統

該系統的軟件部分由Z-Stack協議棧作為整體架構，在協議棧架構中添加并初始化所有需要使用的按鍵I/O口，編寫DS18b20驅動用于溫度采集并整合進Z-Stack協議棧[6]，并編寫MQ2、MQ5驅動程序整合進協議棧中。

（1）開發平臺。IAR開發平臺是一款優秀的嵌入式系統開發工具，可支持眾多微處理器的開發。使用IAR開發CC2530可以支持軟硬件調試仿真。

（2）上位機及協調器。上位機及協調器如圖1所示。

圖1 上位機及協調器示意圖

（3）傳感器流程圖。終端及傳感器程序流程如圖2所示。

圖2 終端及傳感器程序流程圖

（4）程序觸發報警算法。對于一個終端節點，當采集到的3個數據中有2個及以上的數據大于所設定的閾值時會觸發報警模塊報警，另外2個模塊也是如此，3個模塊的工作互不干擾。

3 試驗結果與分析

系統搭建完成后，接通電源并對系統進行試驗。試驗時設置不同的閾值，然后對報警情況進行統計和觀察。試驗測試用表如表1所示。

表1 試驗測試用表

由表1可知，設計了3組不同的閾值進行試驗（試驗采用打火機來的氣體來模擬煙霧以及有害氣體），第一組閾值設定為溫度40 ℃，煙霧濃度30%，丁烷濃度30%，而實際的數據為溫度38 ℃，煙霧濃度27%，丁烷濃度23%，所有實際數據的值均小于所設定的閾值，試驗現象為蜂鳴器不報警。第二組閾值設定為溫度70 ℃，煙霧濃度50%，丁烷濃度50%，而實際的數據為溫度75 ℃，煙霧濃度53%，丁烷濃度48%，前兩項實際數據的值大于所設定的閾值，試驗現象為蜂鳴器報警。第三組閾值設定為溫度70 ℃，煙霧濃度60%，丁烷濃度60%，而實際的數據為溫度76 ℃，煙霧濃度65%，丁烷濃度64%，所有實際數據的值均大于所設定的閾值，試驗現象為蜂鳴器報警。經過測試，系統滿足設計要求。

4 結束語

文章將基于傳感器的智能家居環境檢測系統分為軟件部分與硬件部分，對軟件部分與硬件部分再進行細分，如驅動編寫、硬件模塊細分等。通過對系統的分層，有助于分析系統的具體實現方法。該系統的主要功能：（1）用傳感器實時檢測室內溫度、可燃氣體濃度、煙霧濃度，并實時監測室內環境；（2）用蜂鳴器報警功能，在各項環境參數變量超過閾值時，實現自動報警功能；（3）LED實時顯示出環境物理量的變化；（4）在終端節點和協調器之間加入了路由模塊，增加了通信距離。