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)境與人類健康和兒童生長發(fā)育的關(guān)系極為密切,。近年來,，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,。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)頁上,，當(dāng)溫度過高，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無線傳感網(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)開銷,，延長電池壽命；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)；兼容無線HART標(biāo)準(zhǔn),，支持HART命令,，很容易升級(jí)傳統(tǒng)儀表為其增加無線通信功能；用戶可以方便的使用,、管理,，無需較高的專業(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)無線傳感網(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)送到無線網(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)的軟件開發(fā)環(huán)境的搭建,，開發(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語言和Linux函數(shù)在Source Insight中編寫實(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)通過監(jiān)聽UDP端口,，捕獲WIA-PA無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的無線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：對環(huán)境信息處理模塊傳送過來的數(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)出語音報(bào)警提示引起系統(tǒng)用戶的注意,。

　　環(huán)境信息異常圖像顯示模塊：當(dāng)室內(nèi)溫度過高或者煙霧濃度,、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,，等待用戶通過操作室內(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，通過解析確定是哪個(gè)傳感器上線,，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,。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)功能測試

　　環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能測試：主要對環(huán)境監(jiān)測值實(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,。

　　系統(tǒng)測試的地點(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)測試環(huán)境圖如圖5所示,。

　　圖5 系統(tǒng)測試環(huán)境圖

　　測試過程：將遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)與室內(nèi)中心控制機(jī)通過網(wǎng)線相連，然后打開WIA-PA無線網(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)擊無線測量值按鈕，進(jìn)入到環(huán)境信息監(jiān)測數(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,，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)境測量實(shí)時(shí)顯示報(bào)警界面

　　結(jié)論

　　通過系統(tǒng)功能測試發(fā)現(xiàn),，基于WIA-PA無線傳感網(wǎng)絡(luò)的家居環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)對家居環(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)控頁面上也能實(shí)時(shí)的進(jìn)行環(huán)境信息更新,，溫度過高,、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無線傳感網(wǎng)絡(luò)能較好地應(yīng)用于智能家居環(huán)境監(jiān)測中,。