智能家居中環(huán)境監測系統的研究

引言

　　家居環(huán)境是指家庭團聚、休息、學(xué)習和家務(wù)勞動(dòng)的環(huán)境。家居環(huán)境條件的好壞，直接影響著(zhù)居民的發(fā)病率和死亡率。城市居民每天在室內工作、學(xué)習和生活的時(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(cháng)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豬流感及超級細菌的出現，都說(shuō)明室內環(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，也就是家居應將安全、健康、舒適放在首位。

　　加強對家居環(huán)境的環(huán)境狀況（包括有害氣體含量、空氣濕度、室內溫度、火災引起的煙霧等）的實(shí)時(shí)監測與治理，可為人們提供一個(gè)安全、健康、舒適的生活環(huán)境。

　　系統總體設計

　　本系統主要是對家居環(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)的監測。系統的主要工作有：自動(dòng)進(jìn)行數據采集、處理、指標分析，實(shí)時(shí)的將指標信息顯示在液晶屏和遠程監控網(wǎng)頁(yè)上，當溫度過(guò)高，煙霧濃度、有害氣體濃度超標時(shí)，進(jìn)行本地聲光報警提示并發(fā)送遠程報警信息到遠程監控主機。根據需要，本環(huán)境監測系統主要包括三部分：前端信息采集端、信息處理中心、遠端監控端。

　　前端信息采集端：因WIA-PA無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )具有網(wǎng)絡(luò )拓撲維護靈活、快速；自適應跳頻模式與重傳機制，保障通信可靠性更加有效；支持網(wǎng)內報文聚合，降低網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)，延長(cháng)電池壽命；兼容IEEE802.15.4標準，可以使用現有商品器件，易于實(shí)現；兼容無(wú)線(xiàn)HART標準，支持HART命令，很容易升級傳統儀表為其增加無(wú)線(xiàn)通信功能；用戶(hù)可以方便的使用、管理，無(wú)需較高的專(zhuān)業(yè)知識。因而這里采用的是基于WIA-PA標準自主研發(fā)的WIA-PA工業(yè)無(wú)線(xiàn)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，采集各種環(huán)境變量信息并將信息發(fā)送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)處。

　　信息處理中心是以GM8120為核心處理器的室內中心控制機，主要負責環(huán)境信息的接收、處理、轉發(fā)、本地實(shí)時(shí)顯示、異常報警，報警信息的遠程發(fā)送。

　　遠程監控端即智能家居遠程監控主機，遠程監控主機在接收到來(lái)自室內中心控制機轉發(fā)的環(huán)境信息后將實(shí)時(shí)的在遠程監控頁(yè)面上顯示傳感器數據指標；當接收到遠程報警時(shí)，進(jìn)行遠程的報警提示并將報警信息的存儲到相應的數據庫中。系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖1所示。

　　圖1 系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

　　硬件平臺

　　硬件平臺采用以GM8120 SoC為核心處理器的硬件系統。室內中心控制機硬件結構圖如圖2所示。

　　圖2 室內中心控制機硬件結構圖

　　其中GM8120核心處理器具有以下功能特點(diǎn)：

　　• 1.8V內核供電，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/視頻數據的SoC芯片，內核為ARM9、支持MPEG-4編/解碼且MPEG-4實(shí)時(shí)編碼/解碼可以達到30fps、分辨率可以達到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中心控制機的核心處理芯片。

　　軟件實(shí)現方案

　　硬件平臺搭建好以后，進(jìn)行本系統的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，開(kāi)發(fā)ARM-Linux嵌入式操作系統，首先需要建立一個(gè)配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要包括操作系統的移植、配置、編譯、調試環(huán)境等。系統程序用C語(yǔ)言和Linux函數在Source Insight中編寫(xiě)實(shí)現，在虛擬機中進(jìn)行程序的編譯、調試和下載。

　　智能家居的家居環(huán)境實(shí)時(shí)監測報警系統中的核心是室內中心控制機。室內中心控制機主要負責家居環(huán)境信息的接收、轉發(fā)、處理，并協(xié)調、控制各模塊正常工作的重要設備。因而室內中心控制機主要有以下功能模塊：室內中心控制機系統初始化模塊、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、信息異常聲音報警模塊、環(huán)境信息異常圖像顯示模塊。其中室內中心控制機的軟件架構圖如圖3所示。