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基于WSN 智能家庭溫濕度監測系統設計論文
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，比爾蓋茨的智能家庭開(kāi)始有機會(huì )走進(jìn)尋常百姓家。該文主要介紹一種基于WSN技術(shù)實(shí)現家庭溫濕度環(huán)境監控的方案，本系統易于擴展，可以作為智能科技家庭的框架，通過(guò)擴展模塊，可以作為一個(gè)完整的智能家庭解決方案。筆者對軟硬件方面進(jìn)行了研究分析，著(zhù)重分析系統架構模型，并對子模塊的功能和工作原理做了簡(jiǎn)單描述。該系統云平臺采用最新的Node.js技術(shù)做支撐，系統基于RESTful風(fēng)格構建。
1 引言
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，人們對于生活居住條件的要求越來(lái)越高，人們希望可以像比爾蓋茨一樣隨時(shí)隨地掌控居住環(huán)境。近些年，由于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)等的不斷發(fā)展，智能家庭正在悄悄走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。智能家庭是在聯(lián)網(wǎng)設備的基礎上，通過(guò)傳感器采集數據，網(wǎng)絡(luò )后臺獲取并存儲數據，通過(guò)特定的算法對數據進(jìn)行分析，將得到的結果返回給執行機構或通知用戶(hù)，從而為用戶(hù)提供一個(gè)智能的居家生活環(huán)境。目前智能家庭系統方案眾多，各有優(yōu)缺點(diǎn)。
筆者在智能家庭方面進(jìn)行了研究，提出了一套易于擴展、高性能的智能家庭系統。本系統是一個(gè)輕量級的但功能完整的智能家庭系統。傳統的智能家庭對設備的控制大多基于局域網(wǎng)絡(luò )，只適應于家庭內部進(jìn)行監測控制，本系統以家庭為單位，將所有家庭的數據采集到云端存儲，便于以后的分析挖掘，使本系統可以更加智能，同時(shí)系統采用分層的模塊化架構，便于維護和擴展。本系統在設計的時(shí)候充分考慮安全和成本，力求在安全的前提下降低系統成本。
2 系統架構
2.1 整體架構設計
如圖1所示，每個(gè)家庭都通過(guò) TCP/IP 協(xié)議接入智能家庭云平臺，在家庭和Internet 之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)管理控制，家庭內部則采用 Zigbee 構建的局域網(wǎng)進(jìn)行通信，達到監測和控制的目的。用戶(hù)可以通過(guò)客戶(hù)端連接到云平臺查看家庭環(huán)境數據和控制家庭中的聯(lián)網(wǎng)設備。云平臺可以通過(guò)特殊的算法對采集到的數據進(jìn)行分析處理，層而達到越用越聰明的目的。
Zigbee 是一種低功耗、短距離、低速短延時(shí)、簡(jiǎn)單大容量、安全可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)[1]。zigbee 具有強大的自組織網(wǎng)絡(luò )性能，主要工作在ISM 頻段。其中，2.4GHz 頻段較為常見(jiàn)，并且免費使用。在每一個(gè)家庭中通過(guò) Zigbee 構建局域網(wǎng)絡(luò )，達到安全可靠、成本低、低功耗的家庭網(wǎng)絡(luò )的需求。
家庭網(wǎng)關(guān)采用Arduino 模塊。Arduino 是一塊基于開(kāi)放原始代碼的 Simple I/O 平臺[2]，因為 Arduino 是為業(yè)余電子愛(ài)好者開(kāi)發(fā)的，所以開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境具有簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)，同時(shí)Arduino 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是建立在 C語(yǔ)言的基礎上，功能強大，可以盡情發(fā)揮想象[3]。Arduino 以其簡(jiǎn)單、便宜、功能強大贏(yíng)得了成千上萬(wàn)電子工程師的喜愛(ài)。
客戶(hù)端采用 WEB 形式，降低開(kāi)發(fā)成本并且具有很高的兼容性。當模塊增多，功能復雜的時(shí)候可以考慮開(kāi)發(fā)APP，本身 APP 也可以通過(guò) webview 等組建直接嵌入 WEB頁(yè)面，同時(shí) WEB 也可以直接和微信打通，方便用戶(hù)使用。
2.2 云平臺架構設計
本系統采用 REST 架構。REST(Representational State Transfer)表征狀態(tài)轉移是從資源的角度看待整個(gè)網(wǎng)絡(luò )[4]，分布在網(wǎng)絡(luò )中的各種資源都是通過(guò) URL(統一資源定位器)來(lái)唯一確定，應用程序可以通過(guò) URL 來(lái)取得網(wǎng)絡(luò )資源的表征，從而改變其狀態(tài)。REST 架構希望通過(guò)統一的 Hypermedia Controls，實(shí)現標準的可擴展性高的標準語(yǔ)義及表現形式，從而達到無(wú)需人工干預、機器之間通用的交互協(xié)議邊的目的[5]。
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)能夠讓被獨立尋址的物體互相連通，其中涉及的聯(lián)網(wǎng)設備非常龐大，物聯(lián)網(wǎng)包含的物體個(gè)數保守估計在千萬(wàn)億級別，面對如此強大的資源世界，采用 REST 架構構建物聯(lián)網(wǎng)系統，在目前來(lái)看是最好的解決方案。
3 硬件實(shí)現
3.1 主控制器設計
主控制器采用Arduino+Zigbee模塊，如圖，Arduino 擁有14個(gè)數字IO 接口和6個(gè)模擬 IO 接口，外部供電5V～9V 直流電源，輸出5V 和3.3V 直流電壓，采用 Atmega328微處理器控制器芯片。 Zigbee 模塊使用 TI 公司的 CC2530芯片，此芯片具有增強型 8051CPU，系統內部可以編程閃存，且其具有4種不同的閃存運行模式模式，可直接在片上系統進(jìn)行編程且代碼移植性好，技術(shù)成熟，成本低等優(yōu)勢讓其成為目前 ZIGBEE 開(kāi)發(fā)的主流芯片。
3.2 溫濕度監測模塊
通過(guò)DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集數據并通過(guò) Zigbee 網(wǎng)絡(luò )傳輸給網(wǎng)關(guān)。DHT11具有快速響應、全程測量、數字輸出等優(yōu)點(diǎn)。
3.3 繼電器控制模塊
主要由繼電器和簡(jiǎn)單的電路構成，用于接收動(dòng)作命令控制大功率家電設備。
3.4 電路檢錯模塊
電路檢錯模塊獨立封裝，用于檢測設備是否正常，檢錯電路工作原理：協(xié)調器獲得開(kāi)燈指令后，如果電路輸出為高電壓狀態(tài)，即設備損壞或電路接觸不良等，則客戶(hù)端和主控制器檢錯指示燈亮，提醒用戶(hù)檢查電路情況。
4 軟件實(shí)現
4.1 硬件系統工作流程
設備開(kāi)始運行先進(jìn)行初始化，然后嘗試連接到云平臺，如果沒(méi)有連接成功則寫(xiě)入日志并再次嘗試，三次之后若還沒(méi)有成功則對用戶(hù)做出反饋。硬件設備成功連接到網(wǎng)絡(luò )之后開(kāi)始等待指令，得到指令之后立即執行指令，成功則繼續等待執行下一條指令，如果執行不成功則記錄到日志并對用戶(hù)做出反饋。用戶(hù)可以隨時(shí)查看設備日志，方便發(fā)現問(wèn)題并解決問(wèn)題。
4.2 云平臺設計實(shí)現用
服務(wù)器采用 Node.js 技術(shù)實(shí)現。Node.js 是一個(gè)可以讓服務(wù)器運行 javascript 腳本的平臺，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等語(yǔ)言一樣不需要依賴(lài)于瀏覽器運行。 Node.js 是為實(shí)時(shí) WEB 而生，在構建之初就考慮在實(shí)時(shí)響應、超大規模數據要求下架構的可擴展性。
Node.js的特點(diǎn)是單線(xiàn)程、異步 IO、事件驅動(dòng)，這種程序設計模型的優(yōu)點(diǎn)是性能優(yōu)異、開(kāi)發(fā)效率高[10]。目前 Node.js 憑借其優(yōu)秀的特性吸引了一大批開(kāi)發(fā)者和公司，形成了一個(gè)龐大的生態(tài)系統。成千上萬(wàn)的第三方模塊讓 Node.js 開(kāi)發(fā)更加高效，因此我們選擇采用 Node.js 技術(shù)構建智能家庭系統的服務(wù)器平臺。
4.3 客戶(hù)端設計實(shí)現
通過(guò)服務(wù)器提供的 API，可以很方便實(shí)現各個(gè)平臺的客戶(hù)端。為了減少開(kāi)發(fā)周期和盡可能多的適配客戶(hù)端，我們選擇先實(shí)現自適應的 WEB 客戶(hù)端。采用WEB 技術(shù)實(shí)現客戶(hù)端，可以一次開(kāi)發(fā)多種
客戶(hù)端適配，不同尺寸、不同平臺的設備都可以得到一個(gè)完美的呈現。
5結束語(yǔ)
本文是在參考了其他智能家庭實(shí)現方案的基礎上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化流程和優(yōu)化操作之后設計的一種智能家庭解決方案。相比以往Zigbee網(wǎng)絡(luò )的智能家庭系統，主要增加了HTTP協(xié)議支持，讓用戶(hù)隨時(shí)隨地掌控家庭;采用RESTful風(fēng)格設計，方便設備連接和二次開(kāi)發(fā)，加入云平臺的概念，給智能家庭帶來(lái)無(wú)限可能。目前系統存在的不足是服務(wù)器端無(wú)法直接發(fā)起會(huì )話(huà)，后期會(huì )通過(guò)mqtt協(xié)議解決這個(gè)問(wèn)題。
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