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基于WSN 智能家庭溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，比爾蓋茨的智能家庭開始有機(jī)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(xiàn)家庭溫濕度環(huán)境監(jiān)控的方案，本系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可以作為智能科技家庭的框架，通過擴(kuò)展模塊，可以作為一個(gè)完整的智能家庭解決方案。筆者對(duì)軟硬件方面進(jìn)行了研究分析，著重分析系統(tǒng)架構(gòu)模型，并對(duì)子模塊的功能和工作原理做了簡單描述。該系統(tǒng)云平臺(tái)采用最新的Node.js技術(shù)做支撐，系統(tǒng)基于RESTful風(fēng)格構(gòu)建。
1 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于生活居住條件的要求越來越高，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)千家萬戶。智能家庭是在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)獲取并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過特定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將得到的結(jié)果返回給執(zhí)行機(jī)構(gòu)或通知用戶，從而為用戶提供一個(gè)智能的居家生活環(huán)境。目前智能家庭系統(tǒng)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(kuò)展、高性能的智能家庭系統(tǒng)。本系統(tǒng)是一個(gè)輕量級(jí)的但功能完整的智能家庭系統(tǒng)。傳統(tǒng)的智能家庭對(duì)設(shè)備的控制大多基于局域網(wǎng)絡(luò)，只適應(yīng)于家庭內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測控制，本系統(tǒng)以家庭為單位，將所有家庭的數(shù)據(jù)采集到云端存儲(chǔ)，便于以后的分析挖掘，使本系統(tǒng)可以更加智能，同時(shí)系統(tǒng)采用分層的模塊化架構(gòu)，便于維護(hù)和擴(kuò)展。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(tǒng)成本。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖1所示，每個(gè)家庭都通過 TCP/IP 協(xié)議接入智能家庭云平臺(tái)，在家庭和Internet 之間通過網(wǎng)關(guān)管理控制，家庭內(nèi)部則采用 Zigbee 構(gòu)建的局域網(wǎng)進(jìn)行通信，達(dá)到監(jiān)測和控制的目的。用戶可以通過客戶端連接到云平臺(tái)查看家庭環(huán)境數(shù)據(jù)和控制家庭中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。云平臺(tái)可以通過特殊的算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，層而達(dá)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)、簡單大容量、安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[1]。zigbee 具有強(qiáng)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，并且免費(fèi)使用。在每一個(gè)家庭中通過 Zigbee 構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)，達(dá)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 是一塊基于開放原始代碼的 Simple I/O 平臺(tái)[2]，因?yàn)?Arduino 是為業(yè)余電子愛好者開發(fā)的，所以開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境具有簡單易懂的特點(diǎn)，同時(shí)Arduino 開發(fā)語言是建立在 C語言的基礎(chǔ)上，功能強(qiáng)大，可以盡情發(fā)揮想象[3]。Arduino 以其簡單、便宜、功能強(qiáng)大贏得了成千上萬電子工程師的喜愛。
客戶端采用 WEB 形式，降低開發(fā)成本并且具有很高的兼容性。當(dāng)模塊增多，功能復(fù)雜的時(shí)候可以考慮開發(fā)APP，本身 APP 也可以通過 webview 等組建直接嵌入 WEB頁面，同時(shí) WEB 也可以直接和微信打通，方便用戶使用。
2.2 云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用 REST 架構(gòu)。REST(Representational State Transfer)表征狀態(tài)轉(zhuǎn)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 URL(統(tǒng)一資源定位器)來唯一確定，應(yīng)用程序可以通過 URL 來取得網(wǎng)絡(luò)資源的表征，從而改變其狀態(tài)。REST 架構(gòu)希望通過統(tǒng)一的 Hypermedia Controls，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的可擴(kuò)展性高的標(biāo)準(zhǔn)語義及表現(xiàn)形式，從而達(dá)到無需人工干預(yù)、機(jī)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(dú)立尋址的物體互相連通，其中涉及的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備非常龐大，物聯(lián)網(wǎng)包含的物體個(gè)數(shù)保守估計(jì)在千萬億級(jí)別，面對(duì)如此強(qiáng)大的資源世界，采用 REST 架構(gòu)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在目前來看是最好的解決方案。
3 硬件實(shí)現(xiàn)
3.1 主控制器設(shè)計(jì)
主控制器采用Arduino+Zigbee模塊，如圖，Arduino 擁有14個(gè)數(shù)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(qiáng)型 8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)部可以編程閃存，且其具有4種不同的閃存運(yùn)行模式模式，可直接在片上系統(tǒng)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 開發(fā)的主流芯片。
3.2 溫濕度監(jiān)測模塊
通過DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并通過 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)。DHT11具有快速響應(yīng)、全程測量、數(shù)字輸出等優(yōu)點(diǎn)。
3.3 繼電器控制模塊
主要由繼電器和簡單的電路構(gòu)成，用于接收動(dòng)作命令控制大功率家電設(shè)備。
3.4 電路檢錯(cuò)模塊
電路檢錯(cuò)模塊獨(dú)立封裝，用于檢測設(shè)備是否正常，檢錯(cuò)電路工作原理：協(xié)調(diào)器獲得開燈指令后，如果電路輸出為高電壓狀態(tài)，即設(shè)備損壞或電路接觸不良等，則客戶端和主控制器檢錯(cuò)指示燈亮，提醒用戶檢查電路情況。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
4.1 硬件系統(tǒng)工作流程
設(shè)備開始運(yùn)行先進(jìn)行初始化，然后嘗試連接到云平臺(tái)，如果沒有連接成功則寫入日志并再次嘗試，三次之后若還沒有成功則對(duì)用戶做出反饋。硬件設(shè)備成功連接到網(wǎng)絡(luò)之后開始等待指令，得到指令之后立即執(zhí)行指令，成功則繼續(xù)等待執(zhí)行下一條指令，如果執(zhí)行不成功則記錄到日志并對(duì)用戶做出反饋。用戶可以隨時(shí)查看設(shè)備日志，方便發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。
4.2 云平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用
服務(wù)器采用 Node.js 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Node.js 是一個(gè)可以讓服務(wù)器運(yùn)行 javascript 腳本的平臺(tái)，使 javascript 可以像 PHP、Perl、Ruby、Python 等語言一樣不需要依賴于瀏覽器運(yùn)行。 Node.js 是為實(shí)時(shí) WEB 而生，在構(gòu)建之初就考慮在實(shí)時(shí)響應(yīng)、超大規(guī)模數(shù)據(jù)要求下架構(gòu)的可擴(kuò)展性。
Node.js的特點(diǎn)是單線程、異步 IO、事件驅(qū)動(dòng)，這種程序設(shè)計(jì)模型的優(yōu)點(diǎn)是性能優(yōu)異、開發(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發(fā)者和公司，形成了一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)。成千上萬的第三方模塊讓 Node.js 開發(fā)更加高效，因此我們選擇采用 Node.js 技術(shù)構(gòu)建智能家庭系統(tǒng)的服務(wù)器平臺(tái)。
4.3 客戶端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
通過服務(wù)器提供的 API，可以很方便實(shí)現(xiàn)各個(gè)平臺(tái)的客戶端。為了減少開發(fā)周期和盡可能多的適配客戶端，我們選擇先實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的 WEB 客戶端。采用WEB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端，可以一次開發(fā)多種
客戶端適配，不同尺寸、不同平臺(tái)的設(shè)備都可以得到一個(gè)完美的呈現(xiàn)。
5結(jié)束語
本文是在參考了其他智能家庭實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡化流程和優(yōu)化操作之后設(shè)計(jì)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(tǒng)，主要增加了HTTP協(xié)議支持，讓用戶隨時(shí)隨地掌控家庭;采用RESTful風(fēng)格設(shè)計(jì)，方便設(shè)備連接和二次開發(fā)，加入云平臺(tái)的概念，給智能家庭帶來無限可能。目前系統(tǒng)存在的不足是服務(wù)器端無法直接發(fā)起會(huì)話，后期會(huì)通過mqtt協(xié)議解決這個(gè)問題。
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