智能家居中环境监测系统的研究

　　引言

 　　家居环境是指家庭团聚、休息、学习和家务劳动的环境。家居环境条件的好坏，直接影响着居民的发病率和死亡率。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右，因此，居室环境与人类健康和儿童生长发育的关系极为密切。近年来，急性传染性非典型肺炎（SARS）、H1NI猪流感及超级细菌的出现，都说明室内环境健康的重要性。因此，“健康家居”、“智能家居”的新概念突显其重要意义，也就是家居应将安全、健康、舒适放在首位。

 　　加强对家居环境的环境状况（包括有害气体含量、空气湿度、室内温度、火灾引起的烟雾等）的实时监测与治理，可为人们提供一个安全、健康、舒适的生活环境。

　　系统总体设计

 　　本系统主要是对家居环境中的温度、湿度、烟雾浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度进行实时的监测。系统的主要工作有：自动进行数据采集、处理、指标分析，实时的将指标信息显示在液晶屏和远程监控网页上，当温度过高，烟雾浓度、有害气体浓度超标时，进行本地声光报警提示并发送远程报警信息到远程监控主机。根据需要，本环境监测系统主要包括三部分：前端信息采集端、信息处理中心、远端监控端。

 　　前端信息采集端：因WIA-PA无线传感网络具有网络拓扑维护灵活、快速；自适应跳频模式与重传机制，保障通信可靠性更加有效；支持网内报文聚合，降低网络开销，延长电池寿命；兼容IEEE802.15.4标准，可以使用现有商品器件，易于实现；兼容无线HART标准，支持HART命令，很容易升级传统仪表为其增加无线通信功能；用户可以方便的使用、管理，无需较高的专业知识。因而这里采用的是基于WIA-PA标准自主研发的WIA-PA工业无线传感网络中的温度、湿度、烟雾、一氧化碳、甲烷等传感器分布在家居环境内，采集各种环境变量信息并将信息发送到无线网关处。

 　　信息处理中心是以GM8120为核心处理器的室内中心控制机，主要负责环境信息的接收、处理、转发、本地实时显示、异常报警，报警信息的远程发送。

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 　　远程监控端即智能家居远程监控主机，远程监控主机在接收到来自室内中心控制机转发的环境信息后将实时的在远程监控页面上显示传感器数据指标；当接收到远程报警时，进行远程的报警提示并将报警信息的存储到相应的数据库中。系统网络拓扑图如图1所示。

图1 系统网络拓扑图

　　硬件平台

　　硬件平台采用以GM8120 SoC为核心处理器的硬件系统。室内中心控制机硬件结构图如图2所示。

图2 室内中心控制机硬件结构图

 　　其中GM8120核心处理器具有以下功能特点：

 　　• 1.8V内核供电，3.3V外部I/O供电；

 　　• 具备8KB的I-Cache和8KB的D-Cache/MMU；

 　　• 外部存储控制器（SDRAM控制和异步SRAM/ROM/Flash控制器）；

 　　• LCD控制器；

 　　• 具有PLL片上时钟发生器；

 　　• 视频捕捉接口：CCIR-656和CCIR601接口；

 　　• MPEG-4和JPEG编/解码引擎；

 　　• 10M/100M以太网卡控制器；

 　　• 外部存储接口整合High Speed USB2.0 OTG控制器与PHY的IP；

 　　• 通用异步收发器UART、串行的I2C和I2S接口；

 　　• 32位看门狗定时器；

 　　• 具有日历功能的RTC；

 　　• 调试接口JTAG；

 　　• SD卡接口；

 　　• 16个通用I/O口和4通道外部中断源。

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 　　同时GM8120还是一款针对在Internet上传送音/视频数据的SoC芯片，内核为ARM9、支持MPEG-4编/解码且MPEG-4实时编码/解码可以达到30fps、分辨率可以达到D1，是目前业界少见的高集成度硬件MPEG4编/解码芯片。因而是一款比较适合做室内中心控制机的核心处理芯片。

 　　软件实现方案

 　　硬件平台搭建好以后，进行本系统的软件开发环境的搭建，开发ARM-Linux嵌入式操作系统，首先需要建立一个配套的开发环境，主要包括操作系统的移植、配置、编译、调试环境等。系统程序用C语言和Linux函数在Source Insight中编写实现，在虚拟机中进行程序的编译、调试和下载。

 　　智能家居的家居环境实时监测报警系统中的核心是室内中心控制机。室内中心控制机主要负责家居环境信息的接收、转发、处理，并协调、控制各模块正常工作的重要设备。因而室内中心控制机主要有以下功能模块：室内中心控制机系统初始化模块、环境信息捕获模块、环境信息处理模块、环境信息实时显示处理模块、信息异常声音报警模块、环境信息异常图像显示模块。其中室内中心控制机的软件架构图如图3所示。

图3 室内中心控制机软件架构图

 　　系统初始化模块：对室内中心控制机的硬件所有接口进行配置及各变量的初始化。

 　　环境信息捕获模块：室内中心控制机通过监听UDP端口，捕获WIA-PA无线网关发送来的无线传感器采集到的家居空气、环境信息数据，将收到的数据传送给环境信息处理模块。

 　　环境信息处理模块：对收到的传感器数据进行解析、加工处理，计算各传感器的值。一方面将处理后的信息发送给远程监控中心，使得远程监控中心的数据信息也能实时的更新。另一方面将处理后的数据发送给环境信息实时显示处理模块，实现家居环境信息在室内中心控制机上的实时显示。

 　　环境信息实时显示处理模块：对环境信息处理模块传送过来的数据进行界面显示处理。

 　　信息异常声音报警模块：当室内温度过高或烟雾浓度、有害气体含量超标时，室内中心机发出语音报警提示引起系统用户的注意。

 　　环境信息异常图像显示模块：当室内温度过高或者烟雾浓度、有害气体含量超标声光报警时，室内中心机发出声光报警的同时弹出报警图像操作界面，等待用户通过操作室内中心控制机触摸屏查看信息或者取消报警信息等。

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 　　系统初始化完成以后，室内中心控制机创建数据接收线程获取家居环境信息。传感器会发送两种数据包：一个是入网包，一个是数据包。收到入网包后，通过解析确定是哪个传感器上线，然后在室内中心机的相应界面上显示相应传感器的名称。收到数据包后，进行数据包的处理提出有效数据信息，计算出传感器的值，并在室内中心控制机上进行传感器数值的实时显示。同时将收到环境信息发送到远程监控中心，进行信息的及时更新和显示。当室内温度过高或者烟雾浓度、有害气的含量超标时，室内中心控制机将进行实时的本地报警同时将报警信息发送到远端监控主机上。室内中心控制机软件主流程图如图4所示。

图4 室内中心控制机软件流程图

　　系统功能测试

 　　环境实时监测系统的主要功能测试：主要对环境监测值实时显示和环境值异常时的报警功能进行测试。

 　　硬件组成：室内中心控制机、WIA-PA网关、交换机；WIA-PA温/湿度传感器、WIA-PA甲烷传感器、WIA-PA一氧化碳传感器、WIA-PA烟雾传感器、路由器各两个。

 　　软件组成：将写好的室内控制中心机程序下载到室内中心控制机中，确保室内中心机能正常工作，同时将各WIA-PA传感器的程序和WIA-PA网关的程序下载到各自的硬件系统中确保能正常使用。同时将远程监控中心的管理软件打开。

 　　系统测试的地点选择在按家居环境布局的展示厅。在展示厅的入门处安置一个室内中心控制机。将WIA-PA网关放置在门后的交换机箱内，按照房间（客厅、厨房）的布局，布置各传感器，在客厅中安放WIA-PA路由器及WIA-PA温、湿度传感器、WIA-PA烟雾传感器、WIA-PA一氧化碳传感器；在厨房中安放WIA-PA路由器、WIA-PA温、湿度传感器及WIA-PA甲烷传感器。系统测试环境图如图5所示。

图5 系统测试环境图

 　　测试过程：将远程监控主机与室内中心控制机通过网线相连，然后打开WIA-PA无线网关与WIA-PA路由器、各种传感器。在室内中心控制机家居安防主界面下点击无线测量值按钮，进入到环境信息监测数据显示界面，在室内中心控制机界面上可以看到房间信息、传感器数据信息以及经过计算的各传感器的采集值。

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 　　将10℃~100℃的电热丝调至不同的温度，放在温度传感器下，可以看到室内中心控制机和远程监控中心的页面上温度传感器的数值不断地实时刷新改变；当温度传感器的值超过事先设定的阈值后，室内中心控制机会实时的发出本地声光报警，同时发出远程报警信息，远程监控页面上也出现了温度异常报警提示，同时查看数据库，发现有报警信息的存储。其中环境信息实时显示和报警界面显示如图6所示。

图6 环境测量实时显示报警界面

　　结论

 　　通过系统功能测试发现，基于WIA-PA无线传感网络的家居环境实时监测系统能较好的实现对家居环境信息的实时采集；室内中心控制机也能实时的接收、转发、处理、显示环境信息数据，并在异常时进行本地声光报警和发送远程报警信息。远程监控页面上也能实时的进行环境信息更新，温度过高、有害气体超标报警提示和报警信息的存储。因而验证了WIA-PA无线传感网络能较好地应用于智能家居环境监测中。