基于传感器的智能家居环境检测系统设计

吴秉容

山东交通学院，山东 济南 250357

0 引言

在日常生活中，水电、天然气的使用给居民的生活带来了便利，但随之而来的潜在危险也应予以关注。相关资料统计显示，21世纪是我国科学技术发展的高峰阶段，与此同时，火灾带来的损失也有惊人的增长，2001—2010年我国因火灾导致的损失年均值为15.4×108元人民币[1]，是20世纪80年代火灾损失的4.8倍[2]。从火灾扑救情况来看，54.4%的火灾能够在30 min内扑灭，38.4%的火灾能够在2 h内扑灭，仍有7.1%的火灾扑救时间在2 h以上[3]。

基于此，文章设计了基于传感器的智能家居环境检测系统，主要功能是针对室内温度、可燃气体或有毒气体的浓度、火灾引起的烟雾浓度进行实时显示与监测，以便能够及时对火灾情况作出相应的反应，为人们提供一个安全、健康的居住环境。

1 智能家居环境检测发展现状

国外针对火灾预防体系的研究起步较早，火灾预防体系内不仅仅涵盖了火灾的预防，同时包括报警、扑救、善后处理等各个阶段。大多数发达国家的火灾预警系统已经进入第三阶段的高速发展期，采用计算机进行统一控制，用户终端传感器、信号采集器与计算机进行连接。这种运行机制的火灾预警系统已经在美国、澳大利亚、加拿大、日本、英国、俄罗斯等国家的城市和住宅火灾监控与自动报警综合控制系统中稳定运行多年。

2 智能家居环境检测系统设计

基于传感器的智能家居环境检测系统由温度传感器和MQ2、MQ5模块提供数据；终端将采集到的数据或经过或不经过路由器传送给协调器；协调器检测到的三组数据中有两组超过设置的阈值时，驱动报警模块报警。系统设计主要分为硬件部分与软件部分。其中，硬件部分作为整个系统的实现平台，需要先于软件部分进行构建。硬件部分又可分为协调器、终端和路由器。软件部分主要包含Z-Stack协议栈，DS18b20、MQ2、MQ5驱动程序和上位机显示程序。

2.1 硬件系统

该系统硬件部分主要包括CC2530传输处理模块、温度传感器、气体传感器、烟雾传感器、显示模块以及报警模块等[4]。

（1）温度传感器。DSl820传感器提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出。因此，从CPU到DSl820仅需一条线（和地线），DSl820的电源可以由数据线本身提供，不需要外部电源。

（2）气体传感器与烟雾传感器。气体传感器采用MQ5传感器，烟雾浓度传感器采用MQ2气体传感器。传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃气体或有毒气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体或有毒气体浓度的上升而变大[5]。

（3）报警模块。报警模块采用蜂鸣器实现，当测量值高于阈值时，蜂鸣器鸣叫，提示安全指标超标或不正常，需采取安全措施改变室内环境质量。

（4）显示模块。不仅需要将采集到的温度、气体浓度发送到计算机上位机显示，还要在终端节点的OLED显示屏上显示。计算机上位机使用C#语言进行编程，然后通过USB将数据发送到上位机。

2.2 软件系统

该系统的软件部分由Z-Stack协议栈作为整体架构，在协议栈架构中添加并初始化所有需要使用的按键I/O口，编写DS18b20驱动用于温度采集并整合进Z-Stack协议栈[6]，并编写MQ2、MQ5驱动程序整合进协议栈中。

（1）开发平台。IAR开发平台是一款优秀的嵌入式系统开发工具，可支持众多微处理器的开发。使用IAR开发CC2530可以支持软硬件调试仿真。

（2）上位机及协调器。上位机及协调器如图1所示。

图1 上位机及协调器示意图

（3）传感器流程图。终端及传感器程序流程如图2所示。

图2 终端及传感器程序流程图

（4）程序触发报警算法。对于一个终端节点，当采集到的3个数据中有2个及以上的数据大于所设定的阈值时会触发报警模块报警，另外2个模块也是如此，3个模块的工作互不干扰。

3 试验结果与分析

系统搭建完成后，接通电源并对系统进行试验。试验时设置不同的阈值，然后对报警情况进行统计和观察。试验测试用表如表1所示。

表1 试验测试用表

由表1可知，设计了3组不同的阈值进行试验（试验采用打火机来的气体来模拟烟雾以及有害气体），第一组阈值设定为温度40 ℃，烟雾浓度30%，丁烷浓度30%，而实际的数据为温度38 ℃，烟雾浓度27%，丁烷浓度23%，所有实际数据的值均小于所设定的阈值，试验现象为蜂鸣器不报警。第二组阈值设定为温度70 ℃，烟雾浓度50%，丁烷浓度50%，而实际的数据为温度75 ℃，烟雾浓度53%，丁烷浓度48%，前两项实际数据的值大于所设定的阈值，试验现象为蜂鸣器报警。第三组阈值设定为温度70 ℃，烟雾浓度60%，丁烷浓度60%，而实际的数据为温度76 ℃，烟雾浓度65%，丁烷浓度64%，所有实际数据的值均大于所设定的阈值，试验现象为蜂鸣器报警。经过测试，系统满足设计要求。

4 结束语

文章将基于传感器的智能家居环境检测系统分为软件部分与硬件部分，对软件部分与硬件部分再进行细分，如驱动编写、硬件模块细分等。通过对系统的分层，有助于分析系统的具体实现方法。该系统的主要功能：（1）用传感器实时检测室内温度、可燃气体浓度、烟雾浓度，并实时监测室内环境；（2）用蜂鸣器报警功能，在各项环境参数变量超过阈值时，实现自动报警功能；（3）LED实时显示出环境物理量的变化；（4）在终端节点和协调器之间加入了路由模块，增加了通信距离。