引言
家居環(huán)境是指家庭團(tuán)聚、休息、學(xué)習(xí)和家務(wù)勞動(dòng)的環(huán)境。家居環(huán)境條件的好壞，直接影響著居民的發(fā)病率和死亡率。城市居民每天在室內(nèi)工作、學(xué)習(xí)和生活的時(shí)間占全天時(shí)間的90%左右，因此，居室環(huán)境與人類(lèi)健康和兒童生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系極為密切。近年來(lái)，急性傳染性非典型肺炎（SARS）、H1NI豬流感及超級(jí)細(xì)菌的出現(xiàn)，都說(shuō)明室內(nèi)環(huán)境健康的重要性。因此，“健康家居”、“智能家居”的新概念突顯其重要意義，也就是家居應(yīng)將安全、健康、舒適放在首位。
加強(qiáng)對(duì)家居環(huán)境的環(huán)境狀況（包括有害氣體含量、空氣濕度、室內(nèi)溫度、火災(zāi)引起的煙霧等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與治理，可為人們提供一個(gè)安全、健康、舒適的生活環(huán)境。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要是對(duì)家居環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的主要工作有：自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、指標(biāo)分析，實(shí)時(shí)的將指標(biāo)信息顯示在液晶屏和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)上，當(dāng)溫度過(guò)高，煙霧濃度、有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，進(jìn)行本地聲光報(bào)警提示并發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)。根據(jù)需要，本環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括三部分：前端信息采集端、信息處理中心、遠(yuǎn)端監(jiān)控端。
前端信息采集端：因WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)靈活、快速；自適應(yīng)跳頻模式與重傳機(jī)制，保障通信可靠性更加有效；支持網(wǎng)內(nèi)報(bào)文聚合，降低網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)，延長(zhǎng)電池壽命；兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可以使用現(xiàn)有商品器件，易于實(shí)現(xiàn)；兼容無(wú)線(xiàn)HART標(biāo)準(zhǔn)，支持HART命令，很容易升級(jí)傳統(tǒng)儀表為其增加無(wú)線(xiàn)通信功能；用戶(hù)可以方便的使用、管理，無(wú)需較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。因而這里采用的是基于WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的WIA-PA工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、甲烷等傳感器分布在家居環(huán)境內(nèi)，采集各種環(huán)境變量信息并將信息發(fā)送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)處。
信息處理中心是以GM8120為核心處理器的室內(nèi)中心控制機(jī)，主要負(fù)責(zé)環(huán)境信息的接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、本地實(shí)時(shí)顯示、異常報(bào)警，報(bào)警信息的遠(yuǎn)程發(fā)送。
遠(yuǎn)程監(jiān)控端即智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)在接收到來(lái)自室內(nèi)中心控制機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)境信息后將實(shí)時(shí)的在遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面上顯示傳感器數(shù)據(jù)指標(biāo)；當(dāng)接收到遠(yuǎn)程報(bào)警時(shí)，進(jìn)行遠(yuǎn)程的報(bào)警提示并將報(bào)警信息的存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
硬件平臺(tái)
硬件平臺(tái)采用以GM8120 SoC為核心處理器的硬件系統(tǒng)。室內(nèi)中心控制機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 室內(nèi)中心控制機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖
其中GM8120核心處理器具有以下功能特點(diǎn)：
• 1.8V內(nèi)核供電，3.3V外部I/O供電；
• 具備8KB的I-Cache和8KB的D-Cache/MMU；
• 外部存儲(chǔ)控制器（SDRAM控制和異步SRAM/ROM/Flash控制器）；
• LCD控制器；
• 具有PLL片上時(shí)鐘發(fā)生器；
• 視頻捕捉接口：CCIR-656和CCIR601接口；
• MPEG-4和JPEG編/解碼引擎；
• 10M/100M以太網(wǎng)卡控制器；
• 外部存儲(chǔ)接口整合High Speed USB2.0 OTG控制器與PHY的IP；
• 通用異步收發(fā)器UART、串行的I2C和I2S接口；
• 32位看門(mén)狗定時(shí)器；
• 具有日歷功能的RTC；
• 調(diào)試接口JTAG；
• SD卡接口；
• 16個(gè)通用I/O口和4通道外部中斷源。
同時(shí)GM8120還是一款針對(duì)在Internet上傳送音/視頻數(shù)據(jù)的SoC芯片，內(nèi)核為ARM9、支持MPEG-4編/解碼且MPEG-4實(shí)時(shí)編碼/解碼可以達(dá)到30fps、分辨率可以達(dá)到D1，是目前業(yè)界少見(jiàn)的高集成度硬件MPEG4編/解碼芯片。因而是一款比較適合做室內(nèi)中心控制機(jī)的核心處理芯片。
軟件實(shí)現(xiàn)方案
硬件平臺(tái)搭建好以后，進(jìn)行本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，開(kāi)發(fā)ARM-Linux嵌入式操作系統(tǒng)，首先需要建立一個(gè)配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要包括操作系統(tǒng)的移植、配置、編譯、調(diào)試環(huán)境等。系統(tǒng)程序用C語(yǔ)言和Linux函數(shù)在Source Insight中編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，在虛擬機(jī)中進(jìn)行程序的編譯、調(diào)試和下載。
智能家居的家居環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中的核心是室內(nèi)中心控制機(jī)。室內(nèi)中心控制機(jī)主要負(fù)責(zé)家居環(huán)境信息的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理，并協(xié)調(diào)、控制各模塊正常工作的重要設(shè)備。因而室內(nèi)中心控制機(jī)主要有以下功能模塊：室內(nèi)中心控制機(jī)系統(tǒng)初始化模塊、環(huán)境信息捕獲模塊、環(huán)境信息處理模塊、環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示處理模塊、信息異常聲音報(bào)警模塊、環(huán)境信息異常圖像顯示模塊。其中室內(nèi)中心控制機(jī)的軟件架構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 室內(nèi)中心控制機(jī)軟件架構(gòu)圖
系統(tǒng)初始化模塊：對(duì)室內(nèi)中心控制機(jī)的硬件所有接口進(jìn)行配置及各變量的初始化。
環(huán)境信息捕獲模塊：室內(nèi)中心控制機(jī)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)UDP端口，捕獲WIA-PA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的無(wú)線(xiàn)傳感器采集到的家居空氣、環(huán)境信息數(shù)據(jù)，將收到的數(shù)據(jù)傳送給環(huán)境信息處理模塊。
環(huán)境信息處理模塊：對(duì)收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、加工處理，計(jì)算各傳感器的值。一方面將處理后的信息發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息也能實(shí)時(shí)的更新。另一方面將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示處理模塊，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境信息在室內(nèi)中心控制機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。
環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示處理模塊：對(duì)環(huán)境信息處理模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行界面顯示處理。
信息異常聲音報(bào)警模塊：當(dāng)室內(nèi)溫度過(guò)高或煙霧濃度、有害氣體含量超標(biāo)時(shí)，室內(nèi)中心機(jī)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警提示引起系統(tǒng)用戶(hù)的注意。
環(huán)境信息異常圖像顯示模塊：當(dāng)室內(nèi)溫度過(guò)高或者煙霧濃度、有害氣體含量超標(biāo)聲光報(bào)警時(shí)，室內(nèi)中心機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警的同時(shí)彈出報(bào)警圖像操作界面，等待用戶(hù)通過(guò)操作室內(nèi)中心控制機(jī)觸摸屏查看信息或者取消報(bào)警信息等。
系統(tǒng)初始化完成以后，室內(nèi)中心控制機(jī)創(chuàng)建數(shù)據(jù)接收線(xiàn)程獲取家居環(huán)境信息。傳感器會(huì)發(fā)送兩種數(shù)據(jù)包：一個(gè)是入網(wǎng)包，一個(gè)是數(shù)據(jù)包。收到入網(wǎng)包后，通過(guò)解析確定是哪個(gè)傳感器上線(xiàn)，然后在室內(nèi)中心機(jī)的相應(yīng)界面上顯示相應(yīng)傳感器的名稱(chēng)。收到數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理提出有效數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出傳感器的值，并在室內(nèi)中心控制機(jī)上進(jìn)行傳感器數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)將收到環(huán)境信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，進(jìn)行信息的及時(shí)更新和顯示。當(dāng)室內(nèi)溫度過(guò)高或者煙霧濃度、有害氣的含量超標(biāo)時(shí)，室內(nèi)中心控制機(jī)將進(jìn)行實(shí)時(shí)的本地報(bào)警同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送到遠(yuǎn)端監(jiān)控主機(jī)上。室內(nèi)中心控制機(jī)軟件主流程圖如圖4所示。
圖4 室內(nèi)中心控制機(jī)軟件流程圖
系統(tǒng)功能測(cè)試
環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能測(cè)試：主要對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)顯示和環(huán)境值異常時(shí)的報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試。
硬件組成：室內(nèi)中心控制機(jī)、WIA-PA網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)；WIA-PA溫/濕度傳感器、WIA-PA甲烷傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、路由器各兩個(gè)。
軟件組成：將寫(xiě)好的室內(nèi)控制中心機(jī)程序下載到室內(nèi)中心控制機(jī)中，確保室內(nèi)中心機(jī)能正常工作，同時(shí)將各WIA-PA傳感器的程序和WIA-PA網(wǎng)關(guān)的程序下載到各自的硬件系統(tǒng)中確保能正常使用。同時(shí)將遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的管理軟件打開(kāi)。
系統(tǒng)測(cè)試的地點(diǎn)選擇在按家居環(huán)境布局的展示廳。在展示廳的入門(mén)處安置一個(gè)室內(nèi)中心控制機(jī)。將WIA-PA網(wǎng)關(guān)放置在門(mén)后的交換機(jī)箱內(nèi)，按照房間（客廳、廚房）的布局，布置各傳感器，在客廳中安放WIA-PA路由器及WIA-PA溫、濕度傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器；在廚房中安放WIA-PA路由器、WIA-PA溫、濕度傳感器及WIA-PA甲烷傳感器。系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境圖
測(cè)試過(guò)程：將遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)與室內(nèi)中心控制機(jī)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)相連，然后打開(kāi)WIA-PA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與WIA-PA路由器、各種傳感器。在室內(nèi)中心控制機(jī)家居安防主界面下點(diǎn)擊無(wú)線(xiàn)測(cè)量值按鈕，進(jìn)入到環(huán)境信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示界面，在室內(nèi)中心控制機(jī)界面上可以看到房間信息、傳感器數(shù)據(jù)信息以及經(jīng)過(guò)計(jì)算的各傳感器的采集值。
將10℃~100℃的電熱絲調(diào)至不同的溫度，放在溫度傳感器下，可以看到室內(nèi)中心控制機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的頁(yè)面上溫度傳感器的數(shù)值不斷地實(shí)時(shí)刷新改變；當(dāng)溫度傳感器的值超過(guò)事先設(shè)定的閾值后，室內(nèi)中心控制機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)的發(fā)出本地聲光報(bào)警，同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面上也出現(xiàn)了溫度異常報(bào)警提示，同時(shí)查看數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)有報(bào)警信息的存儲(chǔ)。其中環(huán)境信息實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警界面顯示如圖6所示。
圖6 環(huán)境測(cè)量實(shí)時(shí)顯示報(bào)警界面
結(jié)論
通過(guò)系統(tǒng)功能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，基于WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的家居環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集；室內(nèi)中心控制機(jī)也能實(shí)時(shí)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)、處理、顯示環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并在異常時(shí)進(jìn)行本地聲光報(bào)警和發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息。遠(yuǎn)程監(jiān)控頁(yè)面上也能實(shí)時(shí)的進(jìn)行環(huán)境信息更新，溫度過(guò)高、有害氣體超標(biāo)報(bào)警提示和報(bào)警信息的存儲(chǔ)。因而驗(yàn)證了WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)能較好地應(yīng)用于智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)中。