基于Packet Tracer的智慧小区环境监测与报警系统设计

舒展

(九江职业大学，江西九江 332000)

0 引言

随着网络通信技术的飞速发展和人民生活水平的不断提高，居民对生活品质尤其对住宅环境有了更高的要求。近年来越来越多的研究者开始关注智慧小区的研究，其中大部分的研究着重于智慧小区安防系统的架构与设计〔1〕,还有部分研究则侧重于网络通信方面〔2〕，而关于小区环境监测方面的研究较少，使用Packet Tracer进行仿真系统研究的尚不多见〔3〕。

Packet Tracer是一款由Cisco公司开发的具备物联网组件的网络仿真工具，不仅可以用于系统架构拓扑设计，还能实现物联网数据采集、IoT服务器管理以及执行器远程控制等功能。本研究使用Packet Tracer软件设计了一个智慧小区环境监测与报警系统，该系统能够通过模拟仿真，实现小区环境数据实时监测和有害气体超标实时报警功能。

1 系统设计

本项目采用传感器组件对小区内的温度值、湿度值、光照值、一氧化碳、二氧化碳以及烟雾气体值进行实时采集，然后通过MCU控制器将数据汇总发送到远程IoT服务器端，使用LCD屏幕实现采集值的实时显示。当远程IoT服务器监测到有害气体超过设定的阈值时，服务器通过远程控制实现报警器报警，开启排风扇排放有害气体，并开启窗户通风。本系统包括四个构成模块，分别是包含传感器组件和MCU控制器的感知模块、负责数据处理和远程控制的IoT服务器模块、实现实时数据显示的显示模块和执行远程命令的执行器模块(系统结构如图1所示)。

图1 智慧小区环境监测与报警系统结构图

2 系统实现

2.1 系统部署

1)系统网络部署

本系统网络构架采用外网-内网两级部署，在外网配置ISP服务器、DNS服务器和IoT服务器，通过云连接光纤modem接入区域交换机；内网则由小区网关负责接入广域网以及内部无线广播和地址分配，具体IP地址分配见表1。

表1 IP地址规划表

2)系统传感器部署

本系统采用温度传感器、湿度传感器、光照传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器和烟雾传感器来对环境进行实时检测。各个传感器与MCU连接配置如表2所示。

表2 MCU0端口配置表

2.2 环境实时监测系统实现

1)传感器功能实现

本项目编程语言采用Python语言，涉及的库有time、physical、gpio、environment和ioeclient。因为传感器需要实现的功能包括环境数据的采集和数据的传输，所以编写了get_value()函数和send_value()函数来实现这两个功能。在get_value()函数中调用Environment.get()函数获取由Packet Tracer软件模拟生成的各类环境数据，而send_value()函数则在获取到环境数据后，调用customWrite()或analogWrite()函数将获取的数值传输到MCU端。

2)MCU数据采集与上传

在MCU0端的程序包括获取传感器数据的get_data()函数、MCU0的IOE初始化函数setup()函数和发送数据到IoT服务器端的send_report()函数。get_data()函数负责调用customRead()或analogRead()函数来读取各个传感器发送到对应MCU0端口上的数据，并对数据进行汇总处理；setup()函数用来配置IOE节点信息，包括设备类型、设备状态、数据名称、数据类型以及是否可以远程操控；send_report()函数调用IoEClient.reportStates()函数，将汇总的数据发送给IoT服务器，调用send()函数将数据发送给MCU1。MCU0将数据上传到IoT服务器后，可以使用手机访问服务器浏览实时监测数据，如图2所示。

图2 IoT服务端环境数据实时显示

3)LCD数据显示

LCD数据显示功能采用MCU1控制器和LCD显示屏来实现，其中MCU1控制器调用customRead()函数从与MCU0连接端口读取数据，使用send_text()函数将数据传输给LCD显示屏，LCD显示屏端使用get_text()函数获取数据，用setText()对数据进行分割处理并对输出格式进行设置。LCD数据显示结果如图3所示，显示的数据值与直接通过手机浏览IoT服务器的数据值相一致。

图3 LCD显示结果与IoT服务器显示结果对比图

2.3 报警系统

报警系统功能包括有害气体超标报警和气体超标排风换气功能。装置由报警灯、排风扇、窗户和窗帘组成。当环境监测系统检测到有害气体(本项目中为一氧化碳、二氧化碳和烟雾)超过预设的阈值时，IoT服务器远程控制报警灯亮起，排风扇高速运转进行排风，窗帘打开、窗户打开进行通风；当环境监测系统检测到有害气体含量已处于安全值时(本项目设定值为1)，关闭报警灯、排风扇、窗帘和窗户。具体条件设置如图4所示。

图4 LCD显示结果与IoT服务器显示结果对比图

3 系统功能测试

为了验证系统功能，本项目采用OldCar组件来产生有害气体，包括一氧化碳气体(CO)、二氧化碳气体(CO2)和烟雾(Smoke)。初始状态下，有害气体值均为0，当开启OldCar组件产生有害气体后，有害气体的值均发生变化，但还未达到报警通风限度，此时执行器组件无操作(报警灯、窗帘、窗户的On状态皆为红色，风扇处于Off状态)，如图5所示；当有害气体继续增加并超过预设的报警值时，报警灯亮起(On状态为绿色)、风扇高速运转(状态为High)、窗帘打开(On状态为绿色)、窗户打开(On状态为绿色)，如图6所示；随着排风和通气操作的开展，有害气体的值逐渐降低，但未达到系统设定的安全值时，执行器组件继续保持运行状态；只有当有害气体值均低于安全值后，报警灯、风扇、窗户、窗帘状态方为关闭状态。

图5 当有害气体未超标时执行器状态图

图6 当监测到有害气体超标时执行器状态图

4 结束语

本智慧小区环境监测与报警系统以传感器组件、MCU控制器及执行器的配置为基础，通过对物联网组件进行Python编程实现了环境监测及有害气体超标报警功能。作为教学案例而言具有一定的代表性与综合性，还可以为现实项目实施提供思路与参考。该项目在后期改进和扩展中，还可以使用外部物联网在线云平台来获取真实的环境数据，并可根据不同场景应用来进行调整和拓展。