基于物联网的室内环境实时监测系统设计

侯静云，陈 磊，赵 静

(淮南师范学院 计算机学院，安徽 淮南 232038)

互联网技术的发展使得人们足不出户即可实现各项生活需求，导致人们很多时间在家庭、办公室、商场等室内场所度过。而室内环境直接关系到人们的身心健康，恶劣的空气环境可能会导致呼吸道感染、哮喘甚至癌症等疾病的产生[1]。因此，监测室内环境并科学改善室内环境是非常有意义的。蒋晴霞[2]以AT89C52为主板，利用DS18D20数字温度传感器、CO2气体传感器通过有线串行的方式采集室内环境数据。张慧颖[3]为解决有线监控系统布线难、可扩展性差等问题，设计了一款基于蓝牙技术的室内环境监测系统，以STM32单片机为主控板，将采集的环境数据无线传输给监控设备。但蓝牙技术存在无法自动组网、成本高、协议复杂等问题。本设计以CC2530为核心处理器，采用ZigBee和GPRS混合组网方式，设计了一款基于物联网的室内环境实时监测系统。该系统可以实现对室内环境数据的实时监控与记录，并通过设置报警阈值把室内环境控制在安全适宜的范围内。

1 系统总体设计

本文设计的室内环境实时监测系统以CC2530芯片为核心，结合ZigBee和GPRS组建树状无线网络实现温湿度、烟雾浓度、人体红外信息的无线传输，并运用LabVIEW编程软件设计PC端监测系统以实现远程监控和报警的功能。系统主要包括终端节点、路由节点、无线网关以及PC端监测系统四大部分，如图1所示。

图1 室内环境监测系统总体设计

整个系统工作流程如下：

(1)无线网关中的协调器模块负责建立ZigBee无线网络；

(2)终端节点上电后自动加入网络进行周期性数据采集工作，并将采集到的温湿度、烟雾浓度以及人体红外等数据传输给路由节点或者直接传给无线网关；

(3)无线网关负责接收并通过GPRS模块将信息传送给PC端监测系统；

(4)PC端监测系统负责数据的接收处理，并通过监测界面实时显示，如果出现火灾、非法入侵，系统会发布报警信号。

2 系统硬件设计

室内环境实时监测系统硬件部分主要包括终端节点、路由节点和无线网关。在满足设计要求的条件下，系统采用CC2530芯片作为终端节点、路由节点以及协调器的核心处理器，并将这三个节点设计为相同硬件结构通过ZigBee协议栈进行通信，其功能由软件设计部分的编程来区分。

2.1 CC2530概述

本系统只针对室内环境进行监测，对无线传输距离要求不高，所以使用满足IEEE 802.15.4协议标准的ZigBee技术[4]搭建无线网络。其中，TI公司推出的ZigBee产品CC2530芯片集高性能射频收发器和增强型8051单片机于一体，具有很强的数据处理能力。同时，系统内部具有8 kB RAM和256K闪存，并提供了五种可以适应不同能耗的工作模式[5]。因此，本系统构建的ZigBee无线传感网络全部采用CC2530芯片，其电路设计如图2所示。

图2 CC2530的最小系统

2.2 终端节点选型设计

终端节点包括传感器模块、CC2530模块和电源供电模块，硬件示意图如图3所示。终端节点主要作用是利用传感器模块采集室内环境信息，并将这些实时信息通过8051CPU组件进行模数转换、数据处理并存储，最后由CC2530射频发送给无线网关的相应节点，起到了数据采集以及发送的作用。

图3 终端节点示意图

本文采用DHT11温湿度传感器监测室内环境中的温湿度参数。DHT11利用单总线与CC2530通信，其串行数据口(DATA)连接CC2530的P0.7口。

烟雾浓度传感器采用MQ-2型传感器，对液化气、烷类等多种气体[6-7]燃烧后产生的烟雾具有很高的灵敏度。将MQ-2的DO引脚与CC2530芯片的P0.6相连接以检测烟雾浓度是否超过所设置的阈值，进而判断室内是否发生火灾。

人体红外传感器采用灵敏度较高的双元热释探头的HC-SR501型传感器，当人进入传感器探测区域内，探测元件会向外释放电荷，而后经上位机检测判别后产生报警信号。

2.3 无线网关的选型设计

无线网关包括协调器(CC2530)模块、GPRS模块和电源模块，如图4所示。协调器模块负责组建、管理无线传感网，并接收其他节点传送来的数据，将其打包处理送至GPRS模块。

图4 无线网关硬件示意图

本系统的GPRS模块采用SIMCom公司的SIM900A模块，支持双频GSM/GPRS工作模式，负责把接收到的数据整理成IP数据包，经网络发送给监测系统，同时也接收监测系统送来的指令。SIM900A通过发送AT指令集与协调器通信，如GPRS模块利用“AT+CIPSEND”接收指令，利用“AT+CIPSEND”发送指令。

3 系统软件设计

室内环境监测系统的软件设计包括上位机软件设计和下位机程序设计。其中，上位机软件是指利用LabVIEW编程软件设计实现的PC端监测系统，便于用户远程监控室内环境信息。而下位机程序设计是指利用IAR Embedded Workbench集成开发环境，遵循802.11协议规范和ZigBee协议栈用C语言进行程序设计，实现终端节点、路由节点以及无线网关等硬件部分的数据采集和传输。

3.1 下位机程序设计

3.1.1终端节点程序设计

终端节点程序主要是通过传感器模块实现对室内环境中的数据采集，如温湿度、烟雾浓度等。如图5所示，终端节点首先要进行初始化，然后向附近的协调器发出入网请求。协调器会给它分配一个网络地址，并允许加入网络。请求成功之后读取传感器的数据，最后利用ZigBee协议栈中的定时函数osal_start_timerEx( )和事件处理函数osal_set_event( )将采集到的数据周期性地向路由器节点发送，或者直接向无线网关发送。

图5 终端节点软件设计流程图

3.1.2路由器节点程序设计

为了扩展整个传感网络的覆盖范围，本系统加入了路由节点，负责数据的转接。路由节点会定时地主动扫描邻近的几个协调器节点，获得协调器的信道、PANID等参数，发出入网请求。路由节点成功加入网络后，向协调器节点传送数据。传送的数据有两种，一种是终端节点请求入网的信号，另一种是室内环境的数据包。

3.1.3无线网关程序设计

无线网关是整个无线传感网络的核心，负责建立网络、将路由器和终端发来的数据传输至GPRS。无线网关第一步的工作是利用协调器模块建立新的无线网络。首先协调器进行信道扫描，如果扫描到合适的信道，确定信道并设置网络标识符PANID；然后周期性向终端节点和路由节点发送信标，收到网络节点的入网请求后，如果允许入网，就为其分配一个网络中唯一的16位地址。协调器的地址固定分配为0X0000，其他节点在加入网络后随机在0X0000-0XFFFF范围内选取一个作为本网络的PANID；待节点入网后，无线网络至此搭建完毕。之后协调器会判断是否存在需要发送的数据，如果存在，则使用osal_msg_receive()函数读取消息，然后调用SampleApp_MessageMSGCB()函数将数据发送给串口，具体流程如图6所示。

图6 无线网关软件设计流程图

3.2 上位机软件设计

上位机软件设计是利用LabVIEW编程软件完成PC端监测系统实现的，主要包括串口设置、数据信息显示、超限判断报警、Access数据存储以及声光报警等部分，软件界面如图7所示。

图7 PC端监测系统软件界面

3.2.1数据信息显示

监测系统的数据显示界面可以使得用户清晰地看到同一时段下，各个终端节点采集到的数据信息。其中，温、湿度和烟雾信息以波形图表实时显示，用户可以根据曲线查看某时段的环境参数变化情况。右下角区域为超限报警区域，包括周围环境温、湿度的最大值和最小值，浓度的极限值以及非法入侵信息，图形化程序如图8所示。

图8 数据显示与报警程序

用户可依据生活环境的实际情况分别设置阈值，当温湿度超过上下限时，相应的指示灯会变亮；当烟雾浓度正常时显示“气体正常”；超过上限值会提示“气体异常”；当有非法入侵时，会提示“有人”，反之，提示“无人”，如图9所示。结果表明数据接收正常，系统可以实现感知周围环境中温湿度、烟雾以及非法侵入信息并提供报警的功能。

图9 数据显示与报警界面

3.2.2数据存储

目前市面上大多数监测系统都能够实时显示环境数据，但不能追溯历史记录，在实际应用上存在很大的局限性。本系统利用Microsoft Access作为数据管理软件，实现了室内环境数据的存储，图形化程序如图10所示。运行LabVIEW系统，可导出如图11的监测数据记录。

图10 数据存储程序

图11 数据存储记录

4 系统测试

为了验证本文所设计的室内环境监测系统的稳定性和可靠性，按照上文对系统的总体设计搭建实验测试平台，使用包括电脑、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、HC-SR501红外传感器、SIM900A模块、协调器节点以及终端节点等硬件设备，如图12所示。

图12 硬件连接图

4.1 数据采集测试

数据采集测试是将上位机系统读取的数据与使用温湿度标准仪器测量的数据进行比较，从下午12：30-17：30每隔30分钟记录一次数据，实验结果如表1所示。

表1 温湿度数据对比表

从记录的数据可以算出，上位机系统读取的数据与使用温湿度标准仪器测量所得的数据误差值在3%以内。由测试可知，系统各个节点的准确度符合设计预期。

4.2 收发距离测试

本监测系统选择ZigBee技术作为数据的无线传输方式，需要对其覆盖范围和丢包率进行验证。在测试过程中，协调器节点所摆放的位置是相对固定的，而终端节点的位置是移动的，移动终端节点使其逐渐远离无线网关，观察协调器节点相应的指示灯是否会周期性闪烁。其中，将数据采集时间设置为30 s，若节点是正常接收数据，会每隔30 s闪烁一次；反之，丢包。测试结果如表2所示，当终端节点与协调器节点无障碍物时，ZigBee无线网络覆盖范围为120 m以内；当墙作为障碍物时，覆盖范围缩短为45 m以内。经过本次实验测得ZigBee无线网络覆盖范围，用户可以根据自己的需求合理选择终端节点的位置。

表2 收发距离测试

5 结论

设计了一种基于物联网的室内环境实时监测系统，把ZigBee自组网优势和GPRS高效远程传输能力相结合实现对室内温湿度、烟雾浓度以及人体红外等数据的采集和无线传输，解决了传统有线监测系统带来的布线繁琐、维护难和成本高等诸多问题。并且，还可以通过上位机监测系统实时监测环境数据和报警，具有较好的实时性和安全性。经过测试，该系统测量准确度高，各节点之间具有较好的稳定性和可扩充性，在居家、仓储、办公等室内环境监测领域都具有一定的应用价值。