周潔，徐金鳴，孫立輝

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林，132000）

0 引言

隨著我國(guó)信息技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)于家庭居住環(huán)境的安全性和舒適度有了新要求。由于家庭成員不能時(shí)時(shí)居住在房屋內(nèi)，去改善家庭環(huán)境。因此當(dāng)房屋人體最佳居住環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，很容易滋生健康隱患[1～2]。許多學(xué)者對(duì)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)做了大量研究，蔣志偉等人[3]設(shè)計(jì)一種以ARM 為核心的智能家居系統(tǒng)，運(yùn)用QT 技術(shù)設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)的UI 界面實(shí)現(xiàn)對(duì)全屋控制。程琪戩等人[4]提出了采用Zigbee 技術(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居安防。鄧楷煊等人[5]提出了用STM32 作為主控制器，通過(guò)ESP8266 發(fā)送數(shù)據(jù)到云平臺(tái)。何朋高等人[6]提出了一種基于ZigBee 的智能家居控制系統(tǒng)，采用ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多”模式下的智能控制。杜忠波等人[7]設(shè)計(jì)一種基于ZigBee 技術(shù)和LabVIEW 的分布式家庭智能化監(jiān)控系統(tǒng)，使用無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)家居環(huán)境中的各項(xiàng)信息進(jìn)行監(jiān)控。李雪峰等人[8]設(shè)計(jì)了以STM32 單片機(jī)為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程及智能語(yǔ)音控制。馬晗旭等人[9]設(shè)計(jì)了一種基于家庭環(huán)境安全遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用STM32F103 單片機(jī)為控制核心，監(jiān)測(cè)信息通過(guò)GSM 通訊模塊發(fā)送至手機(jī)端。孫宇舸等人[10]設(shè)計(jì)一種采用Arduino Uno 開(kāi)發(fā)板為主控制器，采用ESP8266 WiFi 模塊搭建一個(gè)具有遠(yuǎn)程控制的智能家居控制系統(tǒng)。大多數(shù)學(xué)者在上位機(jī)與下位機(jī)之間使用藍(lán)牙或者WiFi 等技術(shù)，而這些技術(shù)都存在功耗高、信號(hào)不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此，本設(shè)計(jì)采用NB-IOT 技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于NB-IoT 的家庭環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合Zigbee 無(wú)線傳感技術(shù)和OneNET 云平臺(tái)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在云平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，為家庭安全防護(hù)和家庭成員居住舒適度和安全性的提升提供了參考。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

家庭環(huán)境安全監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)和查看數(shù)據(jù)信息的云平臺(tái)的上位機(jī)。其中，下位機(jī)部分中Zigbee協(xié)調(diào)器作為主要的控制單元，傳感器作為數(shù)據(jù)采集單元連接在Zigbee 終端上，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igbee協(xié)調(diào)器上，由Zigbee協(xié)調(diào)器接收處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信單元由NB-IOT 模塊和Zigbee 協(xié)調(diào)器組成。上位機(jī)部分為云平臺(tái)管理系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。通過(guò)對(duì)家庭環(huán)境的濕度、環(huán)境溫度、當(dāng)前光照強(qiáng)度和煙霧傳感器濃度的采集，并結(jié)合溫度過(guò)高開(kāi)窗、環(huán)境光照強(qiáng)度過(guò)高關(guān)閉窗簾、煙霧傳感器濃度過(guò)高打開(kāi)窗戶等相關(guān)科學(xué)的算法，控制窗簾和窗戶適時(shí)地打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境居住舒適度和安全性的精準(zhǔn)控制。數(shù)據(jù)的傳輸采用電信CoAP/NB-IoT 模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行透?jìng)鳎琋B-IOT 與OneNET 云平臺(tái)之間使用LWM2M 協(xié)議進(jìn)行傳輸，隔兩秒鐘CC2530 將采集的所有信息傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)，以組態(tài)的方式展示給管理員。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 Zigbee 模塊的硬件設(shè)計(jì)

Zigbee 模塊主要是將串口接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)Zigbee協(xié)議傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的Zigbee 模塊，對(duì)應(yīng)的Zigbee 模塊接收到信息后，將接收的信息通過(guò)串口輸出。本設(shè)計(jì)的模塊是基于TI CC2530 芯片研發(fā)的一款工作在2.4GHz 頻段的Zigbee 無(wú)線模塊。本設(shè)計(jì)一共用了兩個(gè)Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)，下面簡(jiǎn)稱為終端1 和終端2。CC2530 終端的最小系統(tǒng)接線圖如圖2 所示。

2.1.1 采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元是由溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧傳感器組成。溫濕度傳感器、煙霧傳感器連接在終端1 上，光照傳感器連接在終端2上，他們將采集到的信息傳輸給連接的Zigbee 節(jié)點(diǎn)，再由節(jié)點(diǎn)向外輸出。

溫濕度傳感器選用的是DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器，濕度的精準(zhǔn)度在±5%RH，溫度的精準(zhǔn)度在±2℃，可測(cè)量的濕度范圍為5%～95%RH，溫度范圍為-20 ℃～+60 ℃。DHT11 具有超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離和超低功耗，符合本設(shè)計(jì)家庭環(huán)境溫濕度測(cè)量的要求。溫度傳感器在Zigbee 終端1的接線圖如圖3 所示。

圖3 溫度傳感器接線圖

光照傳感器選用的是數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器BH1750，該傳感器可檢測(cè)的光強(qiáng)度范圍是0～65535 LX，利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化，可滿足設(shè)計(jì)需要。BH1750 光照傳感器在Zigbee 終端2 的接線圖如圖4 所示。

圖4 BH1750 光照傳感器接線圖

煙霧傳感器選用的是對(duì)天然氣和煙霧有較好靈敏度的MQ-2，該傳感器可檢測(cè)煙霧和天然氣的濃度范圍是100～10000ppm，輸出0～5V 的測(cè)量電壓，氣體濃度越高，電壓越高，模擬量及TTL 電平雙路信號(hào)輸出，TTL 輸出有效信號(hào)為低電平，當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)，可滿足設(shè)計(jì)需要。煙霧傳感器在Zigbee 終端1 的接線圖如圖5 所示。

圖5 煙霧傳感器器接線圖

2.1.2 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊單元是由8 引腳JQC-3FF-S-Z 繼電器組成，當(dāng)傳感器接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)正常數(shù)值，Zigbee 協(xié)調(diào)器就會(huì)調(diào)動(dòng)繼電器對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)繼電器，分別用于控制窗戶和窗簾，一個(gè)繼電器跟溫濕度傳感器和煙霧傳感器接在Zigbee 終端1 用于控制窗戶開(kāi)關(guān)、一個(gè)繼電器和光照傳感器接在Zigbee 終端2 用于控制窗簾開(kāi)關(guān)。

終端1 繼電器在Zigbee 終端1 的原理圖如圖6 所示。

圖6 終端1 繼電器原理圖

■2.2 家庭網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)融合網(wǎng)關(guān)包括Zigbee 模塊、BC26 模塊和OneNET云平臺(tái)。融合網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)Zigbee 模塊與BC26 模塊的通信和BC26 與OneNET 云平臺(tái)之間的通信。融合網(wǎng)關(guān)中Zigbee 協(xié)調(diào)器將從Zigbee終端接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給BC26 模塊，BC26模塊通過(guò)NB-IOT 網(wǎng)關(guān)將接收到信息傳輸?shù)絆neNET云平臺(tái)。

家庭融合網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖如圖7 所示。家庭網(wǎng)關(guān)的LED1 是Zigbee 終 端1 的通訊指示燈，LED2 是與Zigbee 終端2 的通訊指示燈。通訊指示燈滅表示Zigbee 終端與Zigbee 協(xié)調(diào)器通訊中斷或者通訊不成功。

圖7 家庭融合網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信

本設(shè)計(jì)使用的是TI 推出的Zigbee 2007 協(xié)議棧也稱之 為Z-stack。Z-stack 協(xié) 議棧中有事件驅(qū)動(dòng)型操作系統(tǒng)抽象層OSAL，OSAL 是基于事件驅(qū)動(dòng)的輪詢式操作系統(tǒng)，當(dāng)有事件的時(shí)候，創(chuàng)建的任務(wù)才會(huì)被觸發(fā)，沒(méi)有事件的時(shí)候，創(chuàng)建的任務(wù)不會(huì)被觸發(fā)。應(yīng)用層是一個(gè)任務(wù)，他有系統(tǒng)分配的唯一編號(hào)叫任務(wù)ID，每一個(gè)任務(wù)都有對(duì)應(yīng)的事件處理，每一個(gè)任務(wù)都有自己的任務(wù)事件處理函數(shù)。任務(wù)事件處理函數(shù)有一個(gè)任務(wù)事件變量，需要處理的事件有一個(gè)事件號(hào)，當(dāng)任務(wù)事件變量與事件號(hào)相與為1 時(shí)，這個(gè)事件將會(huì)被處理，當(dāng)任務(wù)事件變量與事件號(hào)相與為0 時(shí)，程序會(huì)認(rèn)為當(dāng)前沒(méi)有需要處理的事件。輪詢機(jī)制就是不斷地判斷程序里面有沒(méi)有相與不為0 的事件，調(diào)用對(duì)應(yīng)任務(wù)ID 下的任務(wù)事件處理函數(shù)處理任務(wù)事件變量和事件號(hào)與為1 的事件。如圖8 所示，OSAL 事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程。

圖8 OSAL 事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程

■3.2 Zigbee 協(xié)調(diào)器與BC26 通信

本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)軟件不僅要包含協(xié)調(diào)器的基本工作還有兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，CC2530 與BC26 模塊是串口連接，Zigbee 協(xié)調(diào)器與終端之間的通信是Zigbee 協(xié)議由Z-Stack 協(xié)議棧處理，NB-IOT與云平臺(tái)之間的通信是NB-IOT 協(xié)議由BC26 模塊處理，兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換主要為應(yīng)用層數(shù)據(jù)的交換。

■3.3 BC26 與OneNET 云平臺(tái)通信

兩個(gè)平臺(tái)的通信過(guò)程，首先對(duì)BC26 進(jìn)行初始化，采用AT 握手模塊，判斷卡是否存在，接著判斷注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備正常收發(fā)數(shù)據(jù)才可以正常處理。

然后初始化MQTT，連接上云平臺(tái)，為發(fā)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要獲取JSON 數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，一定要嚴(yán)格按照OneNET 平臺(tái)的要求來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)組包，不能隨意自己發(fā)數(shù)據(jù)，JSON 數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為n 個(gè)字節(jié)，JSON 格式的第一個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)點(diǎn)類型值，屬于JSON 類型1，第一個(gè)字節(jié)值為1。第二個(gè)字節(jié)是后面JSON 字符串的長(zhǎng)度高位，JSON 數(shù)據(jù)整體長(zhǎng)度不能超過(guò)128 個(gè)字節(jié)，一次性發(fā)送128 個(gè)字節(jié)以上的數(shù)據(jù)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)會(huì)崩潰，出現(xiàn)異常。如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，要進(jìn)行分包發(fā)送，第二個(gè)字節(jié)的值為0x00。第三個(gè)字節(jié)為低位，值為0x41。第4～n 個(gè)字節(jié)為發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，如果第一個(gè)發(fā)送溫度值格式是：

datastreams 內(nèi)可以同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流，格式是:

其中，""at":"時(shí)間戳""可以選擇省略。本設(shè)計(jì)傳輸了溫度值、濕度值、煙霧值、光照值和一個(gè)當(dāng)這四項(xiàng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，警告異常的警告值。因?yàn)橐粋€(gè)JSON 包放不下，使用了分包發(fā)送。

4 云平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化

OneNET 云平臺(tái)提供3 種版本的數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用，本設(shè)計(jì)使用的是平臺(tái)的VIEW3.0。VIEW3.0 支持2D/3D 場(chǎng)景搭建、OneNET 內(nèi)置數(shù)據(jù)源接入，搭建場(chǎng)景便利和簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)搭建的管理系統(tǒng)包含傳感器實(shí)時(shí)的采集數(shù)據(jù)顯示、歷史采集數(shù)據(jù)顯示和傳感器采集到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，顯示“1”的異常情況通知顯示。本設(shè)計(jì)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是每7 秒刷新一次，采用過(guò)濾器過(guò)濾組件數(shù)據(jù)，如圖9 所示，家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化顯示。

圖9 家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息，傳遞給Zigbee 終端，經(jīng)過(guò)Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)載，到達(dá)BC26 模塊，再送到上位機(jī)顯示，系統(tǒng)可以通過(guò)溫濕度、光照、煙霧數(shù)值的異常，選擇打開(kāi)窗戶或者拉窗簾，保持家庭恒溫恒濕的環(huán)境，還可以監(jiān)控家庭是否出現(xiàn)異常的溫度數(shù)據(jù)或者煙霧值，保證了房屋的安全性。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)反饋效果理想，滿足家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求，并具有一定的市場(chǎng)前景。