智能家居中環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

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)線通信功能；用戶可以方便的使用、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。