朱麗敏

（廈門南洋職業(yè)學(xué)院，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著科技的進步，人們生活水平的改善以及社會對衛(wèi)生、舒適家居生活的要求提高，智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的市場需求愈來愈大，概念越來越受到關(guān)注。這種系統(tǒng)能夠提供便捷、舒適和高效的生活環(huán)境，通過自動化和智能化設(shè)備進行能源管理，實現(xiàn)節(jié)能減排。在智能家居系統(tǒng)中，環(huán)境監(jiān)測是一個重要的組成部分，通過對家居環(huán)境進行實時監(jiān)測，可以讓人們了解室內(nèi)空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照等參數(shù)，為人們提供更加健康、舒適的生活環(huán)境。智能家居系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程控制和自動化管理，提高生活的便利性和舒適度。ZigBee 技術(shù)作為一種低功耗、高傳輸速率的無線通信技術(shù)，在智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一套智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于ZigBee 技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體方案

本文所述系統(tǒng)主要由ZigBee 終端采集（控制）節(jié)點、ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機（監(jiān)控端）組成。終端采集節(jié)點負責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，上位機負責(zé)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示及控制信號發(fā)布。系統(tǒng)總體方案如圖1 所示。

圖1 智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊主要包括終端采集節(jié)點、終端控制節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及上位機。終端采集節(jié)點采集家居環(huán)境的溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，利用ZigBee 無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端控制節(jié)點利用ZigBee 無線通信技術(shù)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點的控制信號，控制燈、風(fēng)扇燈等執(zhí)行設(shè)備開和設(shè)備關(guān)。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收終端采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口傳輸給上位機。協(xié)調(diào)器還負責(zé)建立和維護ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。上位機通過串口接收數(shù)據(jù)并進行顯示和分析，還可以根據(jù)用戶需求對家居設(shè)備進行控制，如開啟風(fēng)扇、調(diào)節(jié)燈光等。

1.2 核心技術(shù)簡介

1.2.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 是一種短距離、低速率的無線通信技術(shù)，過去被稱為“HomeRF Lite”和“FireFly”技術(shù)，現(xiàn)在統(tǒng)一稱為ZigBee 技術(shù)[1]。ZigBee 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)近距離無線連接，屬于無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要特點是低功耗、低成本、高傳輸速率和可靠性，被廣泛應(yīng)用于日常通信傳輸[2]。

在本系統(tǒng)中，ZigBee 技術(shù)主要起到兩個作用：一是建立網(wǎng)絡(luò)連接，ZigBee 協(xié)調(diào)器可以建立和維護ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，終端采集（控制）節(jié)點通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器通信，從而建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?；二是?shù)據(jù)傳輸，ZigBee 技術(shù)可以實現(xiàn)終端采集（控制）節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括溫度、濕度、光照、空氣質(zhì)量等家居環(huán)境數(shù)據(jù)。

ZigBee 技術(shù)為智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個有效的實現(xiàn)方式，使得對家居環(huán)境的實時監(jiān)測和控制成為可能。

1.2.2 Qt 跨平臺開發(fā)環(huán)境

Qt 是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需的所用功能。Qt 具有優(yōu)良的跨平臺特性，提供豐富的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）。在工程項目開發(fā)中，使用Qt 進行程序開發(fā)，極大地降低了使用者的學(xué)習(xí)成本[3]。

智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計選擇Qt 作為圖形交互開發(fā)工具，可以滿足系統(tǒng)的多平臺支持需求，提高系統(tǒng)的可移植性和實用性。Qt 工具豐富的圖形控件可以滿足人機交互需求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、控制操作等功能。Qt 具有優(yōu)美的界面設(shè)計和良好的用戶體驗、強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能、開放源代碼、社區(qū)支持以及可擴展性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控電路模塊

2.1.1 核心板硬件資源

CC2530 核心板[4]主要包括CC2530 單片機最小系統(tǒng)、晶振、天線接口以及引出的輸入輸出（Input Output，IO）擴展接口。CC2530 是ZigBee 無線通信的芯片，需要高頻、低頻兩個晶振。高頻晶振的頻率為32 MHz，低頻晶振的頻率為32.768 kHz。射頻收發(fā)電路的功能是無線發(fā)送和接收終端采集（控制）節(jié)點的數(shù)據(jù)。核心板電路如圖2 所示。

圖2 CC2530 核心模塊電路圖

2.1.2 底板硬件資源

電源電路采用5 V 電源通過直流-直流（DCDC）降壓芯片得到3.3 V 工作電壓。還可以采用1節(jié)3.7 V 鋰電池供電，方便用戶進行室外無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信測試，通過外接的5 V 電源進行充電。

按鍵和LED 電路模塊用于相關(guān)狀態(tài)的輸入按鍵如復(fù)位、現(xiàn)場控制指令的發(fā)送等，還用于表示電路的工作狀態(tài)的指示燈，如組網(wǎng)狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)信號情況、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)等信息。

本系統(tǒng)通過串口接入上位機，通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）轉(zhuǎn)串口電路實現(xiàn)計算機USB 接口到通用串口之間的轉(zhuǎn)換，為沒有串口的計算機提供快速的通道。

底板還包括繼電器控制電路、調(diào)試和傳感器通用接口。其中傳感器通用接口用于連接不同種類的傳感器模塊。傳感器通用接口電路如圖3 所示。

圖3 傳感器通用接口電路

2.2 信息采集節(jié)點模塊設(shè)計

2.2.1 溫濕度信息采集節(jié)點

本系統(tǒng)溫濕度信息采集節(jié)點采用DHT11 數(shù)字溫度傳感器。DHT11數(shù)字溫度傳感器是一種高精度、低成本、小體積的溫度傳感器，具有雙向二線制同步串行總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）通信接口和校準的數(shù)字信號輸出，采用負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻作為測溫元件，能夠測量范圍為-40 ～+85 ℃的微小溫度變化，測溫分辨率高達0.1 ℃。DHT11 還具有濕度傳感器，可以同時測量溫度和濕度。DHT11 數(shù)字溫度傳感器的使用非常方便，只需將其連接到單片機的I2C 通信接口上，即可通過單片機讀取其測量的溫度值和濕度值。DHT11 還具有數(shù)據(jù)校驗功能，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。DHT11 典型應(yīng)用電路如圖4 所示。

圖4 DHT11 典型應(yīng)用電路

2.2.2 光照度信息采集節(jié)點

本系統(tǒng)采用光敏電阻作為光照度信息采集節(jié)點。光敏電阻器[5]是一種對光線敏感的電阻器，其電阻值會隨著光線的變化而變化。入射光強，電阻減?。蝗肷涔馊?，電阻增大。它通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成，其中光敏層由半導(dǎo)體材料制成。

光敏傳感器的電路原理如圖5 所示。LS 是光敏電阻，通過調(diào)節(jié)光敏電阻上方的可調(diào)電阻R1 來調(diào)節(jié)閾值。

圖5 光敏傳感器的電路原理圖

2.2.3 氣體濃度采集節(jié)點

本系統(tǒng)氣體濃度采集節(jié)點采用MQ-2 型氣敏傳感器[6]。MQ-2 型氣敏傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一種適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。但需要注意的是，MQ-2型氣敏傳感器在使用之前必須加熱一段時間，否則其輸出的電阻和電壓不準確。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的導(dǎo)電率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。

氣敏傳感器驅(qū)動電路如圖6 所示。當有煙霧發(fā)生時，引腳P2.0 是高電平，發(fā)光二極管LED1 指示燈點亮，沒有煙霧發(fā)生時為低電平，LED1燈熄滅。調(diào)節(jié)煙霧傳感器上的電位器，可以用于監(jiān)測不同的氣體，設(shè)置不同的報警閾值。

圖6 氣敏傳感器驅(qū)動電路圖

2.2.4 人體信息采集節(jié)點

本系統(tǒng)采用HC-SR501 型人體紅外熱釋電感應(yīng)模塊作為人體信息采集節(jié)點。該模塊內(nèi)置了德國原裝進口的LHI778 探頭，能夠高精度地檢測人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)化為電信號。當人體在模塊的感應(yīng)范圍內(nèi)活動，模塊會輸出高電平信號；當人體離開感應(yīng)范圍后，模塊會自動延時，并將輸出電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

紅外熱釋電感應(yīng)模塊接口電路如圖7 所示。該模塊電路外圍共有3 個引腳，分別是電源VCC、接地GND 和輸出引腳。其中，輸出引腳輸出的高電平為3.3 V，低電平為0 V，與單片機I/O 口直接相連。當I/O 口檢測到高電平，說明當前有人進入；檢測到低電平，則表示沒有人進入。

圖7 紅外熱釋電感應(yīng)模塊接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊設(shè)計

協(xié)調(diào)器建立ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點自動加入該網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點周期性地采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，通過串口將數(shù)據(jù)輸出給PC 機，同時轉(zhuǎn)發(fā)PC 機發(fā)送的數(shù)據(jù)給終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖8 所示。

圖8 協(xié)調(diào)器工作流程圖

3.2 終端節(jié)點模塊設(shè)計

終端節(jié)點需要周期性地采集環(huán)境數(shù)據(jù)，還需要接收協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的PC 機控制命令，從而實現(xiàn)對相關(guān)硬件的控制操作。終端節(jié)點的工作流程如圖9 所示。

圖9 終端節(jié)點工作流程圖

4 上位機監(jiān)控交互界面設(shè)計

4.1 上位機交互界面功能模塊框架

上位機交互界面通過Qt Creator 跨平臺開發(fā)環(huán)境搭建。上位機功能模塊分為兩個部分，一個是環(huán)境信息采集模塊，另一個是執(zhí)行器控制模塊。軟件功能模塊設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4.2 串口通信編程

本系統(tǒng)包含一個ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干個ZigBee 終端通信節(jié)點。ZigBee 終端通信節(jié)點和PC端之間的通信與數(shù)據(jù)傳輸都必須通過ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點中轉(zhuǎn)，而ZigBee 協(xié)調(diào)器與PC 端之間通過RS-232 接口連接進行串口數(shù)據(jù)傳輸。所以利用Qt進行ZigBee 采集控制系統(tǒng)功能開發(fā)需要串口通信編程實現(xiàn)。Qt 中沒有特定的串口控制類，一般來說，常用以下兩種方案實現(xiàn)[7]。一是基于Windows 系統(tǒng)或者Linux 系統(tǒng)接口編寫串口類，由于串口類是自己編程實現(xiàn)的，功能可以根據(jù)設(shè)計需求擴充，因此可擴展性較強，但對開發(fā)者來說，要求編程水平較高。二是利用第三方串口控制類qextserialport 類，實現(xiàn)在Windows 系統(tǒng)或者Linux 系統(tǒng)下的串口通信。

本系統(tǒng)使用第三方的qextserialport 類，實現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器與PC 端之間的串口數(shù)據(jù)傳輸。qextserialport 類中相關(guān)文件存在繼承關(guān)系，如圖11 所示。

圖11 qextserialport 類繼承關(guān)系圖

4.3 窗體界面設(shè)計

在界面設(shè)計中，添加5 個QComboBox 空間完成對串口通信參數(shù)的設(shè)置，2 個QPushButton 按鈕實現(xiàn)打開串口和關(guān)閉串口控制，多個QGroupBox 控件實現(xiàn)環(huán)境信息顯示，執(zhí)行器控制管理。具體各項空間說明如表1 所示。

表1 項目各項控件說明表

5 系統(tǒng)測試

使用本系統(tǒng)時，可選擇聯(lián)動模式或者手動模式監(jiān)測室內(nèi)溫濕度、光照度等信息，系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖12 所示。兩種模式均可實現(xiàn)對溫濕度、光照度、熱紅外及煙霧的自動監(jiān)測，還可以查看執(zhí)行設(shè)備的執(zhí)行情況。通過圖12 系統(tǒng)測試情況可知，在聯(lián)動模式下，當光照度低于設(shè)置值，系統(tǒng)會控制打開燈泡及窗簾；在手動模式下，可以通過按鍵控制執(zhí)行設(shè)備。本系統(tǒng)可以直觀展示室內(nèi)環(huán)境信息的實時情況，實現(xiàn)居家人員可以根據(jù)系統(tǒng)展示的信息控制執(zhí)行設(shè)備，對室內(nèi)環(huán)境進一步管理與調(diào)控。

圖12 系統(tǒng)監(jiān)測界面

6 結(jié)語

ZigBee 技術(shù)的低功耗、低成本、高傳輸速率等優(yōu)點使得本系統(tǒng)具有較強的實用性和市場競爭力。隨著科技的不斷進步和人們需求的不斷變化，智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要不斷地進行升級和完善。未來發(fā)展方向包括提高系統(tǒng)的智能化程度、拓展更多的監(jiān)測參數(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域以及降低系統(tǒng)的成本等。未來，可以在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和擴展，比如通過網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)上云平臺，以滿足更多用戶的需求。