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摘要：随着社会经济的不断发展,人们的生活水平不断提高,对于生活质量也提出了更高的要求?在人们的日常生活当中,随着装修?空气质量变化等因素的影响,室内环境也发生了一定的变化,对于人们的生活质量和身体健康也有着一定的影响?对此,为了改善和提升室内环境质量,应对室内环境进行随时的监测?基于此,本文主要对基于物联网的智能家居环境监测进行了简要的分析,希望可以为相关的工作人员提供一定的参考?
关键词：物联网;智能家居;环境监测
引言
近年来物联网在生活以及技术的方方面面都起到了越来越重要的作用?其中智能家居是一个富有感知?通信和计算能力的系统,它能够适应居民的喜好和要求,并且可以用于小区的智能化管理?基础设施的智能远程监控以及智能控制家居环境条件的好坏,因此进一步开展研究智能家居的环境检测具有重要意义?
1硬件
1.1传感器模块
选择传感器主要从供电方式?供电电压?测量误差大小?信号输出方式等几个方面考虑?本监控系统数据采集选用SHT11温湿度传感器,该传感器具有响应速度快?抗外界干扰能力强?性价比高等优点?SHT11为两线数字式输出,测温范围为-40~+123.8℃,湿度检测范围为0~100%RH,检测温度精度为±0.4℃,湿度检测精度为±3%RH?
传感器将采集到的温湿度值转换成电信号,经过放大电路放大的信号通过模数转换电路,把模拟量信号转换成数字量信号,同时对信号进行数据标定,最后通过I2 C总线接口输出信号?
1.2 CC2480模块
CC2480芯片是一款集低功耗和低成本等优点于一体的?支持ZigBee传输协议的射频芯片,具有较宽的电压支持范围,能够处理对时序要求严格的ZigBee协议任务,具有良好的通讯功能,能通过SPI接口或UART接口和任何类型的微处理器通信?温湿度传感器将采集到的信息传送到CC2480芯片,再经过CC2480芯片利用ZigBee无线通信方式,将信息传输到温湿度监测仪中?
1.3 PLC控制模块
监控系统选择S7-300系列的PLC作为控制器,控制相关设备的启动和停止?PLC在长时间运行中能保证良好的安全可靠性,S7-300系列的PLC采用模块化设计,具有灵活的组装特性,能够根据实际需要组装不同的功能模块?监控系统选用SM322数字量输出模块来连接补光灯和喷雾器等相关设备,从而控制温室内的温度和湿度,保证植物茁壮成长?由于PLC自身带负载能力较弱,不能直接和大电流的电器连接,因此在PLC的输出端通常连接一个电流相对较小的中间继电器,再由该中间继电器和大电流电器连接?
SM322模块与喷雾器?加热器?通风机?补光灯?温度报警指示灯?湿度报警指示灯和系统正常运行指示灯相连,PLC接收上位机传来的相关控制指令,驱动相应控制设备,使温室内环境保持稳定.
2软件设计
2.1控制中心节点模块设计
2.1.1数据收发模块
ZigBee网络当中应用层对于数据服务传输格式定义有键值对与消息两部分,在此系统当中选用了消息数据服务格式来进行应用层数据的接收及发送?(1)数据发送子程序?在Z-Stack的协议基础上,应用层通过调用AF_DataRequest函数实现对数据的发送处理?这一函数本质上是调取APS层当中的APSDU_DATA_Request,从而达到数据发送的目的?在Z-Stack协议内,其应用程序可利用解析来获取到消息内的簇信息,而后各自开展数据处理?为实现对节点消息的一致化监管,系统应用了簇信息节点所发送的信息来展开类型划分?(2)数据接收子程序?在Z-Stack协议内,节点获取到了数据信息后,用户仅需在这一事件之下针对所获取到的信息展开处理?在实际的消息处理阶段之中,用户可依据消息内的ClusterID来进行独立处置?此系统完全依据表1当中关于ClusterID的定义?
2.1.2串口通信模块
在Z-Stack协议当中,节点串口通信单元已在硬件抽象层完成了封装处理,实现稳健为hal_uart.c/.h?在应用时,仅需针对此单元采取一定的配置处理便可调取应用这一单元来完成对于数据信息的接收及发送?这一模块功能函数具体有串口初始化?开串口?关串口?读串口?写串口等?此系统在硬件设计阶段便已应用了串口0以及管理中心来进行互相通信?进行串口单元配置,通过调用接口函数便能够进行数据的接收及发送处理?
2.1.3用户操作界面模块
此模块是为了能够更加便于用户独立应用控制中心节点来实现对于数据信息的采集所设计出的一个模块组织?本模块主要是利用按键以及LCD显示模块来展开协同配合,并以此来完成对于指令信息的发送及数据显示?此外,这一模块还能够协助设计人员来对系统程序进行适当的调试及分析处理?鉴于在本次设计系统当中的LCD硬件结构和Z-Stack协议内本身具备的LCD接口完全不同,因此,在此次设计过程中利用宏定义的形式来新增自身的LCD接口程序,并以此来实现和系统接口函数的有效兼容?在这一系统中共设置了4个独立按键,能够完成对菜单界面的全方位转动,并可实现菜单命令撤销?
2.2路由器节点模块设计
在整个网络系统中此节点最为核心的作用即针对网络节点进行管理及数据转发?因而,在系统监测区域相对偏大或是信号较小时,可利用增多路由节点的方式来实现对网络区域的全面覆盖,以提升网络的稳定程度?在这一系统当中,路由器节点工作流程如图1所示?
图1路由器节点工作流程图
路由器器节点启动之后先行开展初始化,而后其便会将自身的网络地址以及角色信息发送至控制中心节点?之后,这一节点便会进到消息等候状态?若获取到的信息不是发送给自己则将消息转发至传感器节点,反之则进行相应处理并发送能量信息到控制中心节点?在这一系统当中,路由器节点所获取到的指令仅有节点能量检测?在路由器节点完成能量检测后,其便将所测得的结果发送至控制中心节点?
3.3传感器节点模块设计
此节点模块设计的价值主要是体现在对于数据信息的获取及发送方面?为减少系统的能量耗损,节点在未开展数据采集工作时便应利用电源管理功能将数据采集模块的能量供应切断?传感器节点程序流程如图2所示
图2传感器节点程序流程图
在启动了传感器节点之后,其首先会进行初始化,而后其便会将自身的网络地址及角色信息发送至控制中心节点?之后,这一节点便会断开数据采集模块电源同时进入指令等候状态?依据所获取到的指令信息,传感器节点便会做出相应的程序处理操作?
3实验与分析
为模拟真实环境,实验选用了日常家居中较常应用到的热水器?冰箱与室温来进行验证,以期能够实现对网络数据获取及传输能力的验证,另外,也期望可以检验设计节点是否可在极端复杂的条件下正常运行?实验过程中温度始终控制在21~23℃,湿度为68%~73%RH,并向温度为-3~2℃,热水器为60~65℃?
最终对系统极值进行了测定,最大为117℃?系统在冰箱节点测量的最低值为-9℃,并且显示于计算机界面中?经实验检验表明,利用无线网络系统可实现对于室内温湿度的信息获取,同时将这一数据发送至数据接收模块,进而达到对环境的有效监测,此即证实本次研究所设计出的ZigBee网络可正常运行?并且所测得的温湿度情况和不同条件下的温湿度状况大致相当,这也进一步显示了传感器节点检测数据的精确性,系统能够正常运行,极值范围为-9~117℃,可满足绝大部分的智能家居环境监测需求?
结束语
在当前的社会当中,随着人们经济收入的提升,物质生活得到了充分的满足,因而对于生活质量也提出了更高的要求?在家庭当中,采用智能家居环境监测系统,对室内空气质量进行监测和调节,能够有效的提高用户的生活质量?对此,在物联网基础下,对智能家居环境监测系统进行设计与实现,对室内空气质量进行过监测,从而确保用户的健康?
参考文献
[1]陈淡宁.基于物联网的智能家居环境监测系统的研究[D].吉林大学,2014.
[2]张龙翔.基于物联网的智能家居环境监测调节系统的设计[D].郑州大学,2016.
[3]闫林生.物联网家居环境智能监测系统的研究[D].湖南工业大学,2014.
论文作者:崔凯敏,任鹏飞
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/29
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