金啟芃

　?。ū本┕I(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院， 北京 100024）

　　摘要：在智能家居中，環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集是使家居實(shí)現(xiàn)“智能”的關(guān)鍵步驟。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)使用近年來新出現(xiàn)的Microduino系列套件制作，具有體積小、操作方便、功耗低、可隨意移動(dòng)的特點(diǎn)。利用價(jià)格便宜、市面上常見的溫濕度傳感器，結(jié)合Microduino套件中的模塊，組合成采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)，并充分發(fā)揮Microduino的優(yōu)勢，使其不同于其他芯片所搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；Microduino；數(shù)據(jù)匯聚

0引言

　　隨著智能家居行業(yè)的發(fā)展，智能化的家居產(chǎn)品越來越多，但是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)尚沒有根本改變。無論如何智能系統(tǒng)都離不開環(huán)境數(shù)據(jù)的采集［13］。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的核心要求是成本低、功耗低、體積小。所以芯片開發(fā)板和傳感器的選型是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。每個(gè)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)都要求功耗低、成本低、體積小，這樣才能更方便地鋪設(shè)，運(yùn)行時(shí)間更長，同時(shí)成本更低。

　　Microduino自面世以來，以其Arduino的兼容性、開源、體積小及模塊化的特點(diǎn)等特點(diǎn)，受到了極大的關(guān)注。Arduino兼容性和開源的特點(diǎn)使得Microduino系列套件可以方便地使用Arduino既存的庫文件進(jìn)行開發(fā)［4］，并且創(chuàng)客之間可以方便地進(jìn)行技術(shù)交流。體積小、模塊化使得Microduino在應(yīng)用開發(fā)上更加方便，便攜性更好，且性能不輸于同核心的Arduino開發(fā)板，同樣它也繼承了Arduino的低功耗優(yōu)勢［5］。

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于Microduino的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，可通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并通過ZigBee模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，用戶可隨時(shí)使用藍(lán)牙連接模塊查看環(huán)境數(shù)據(jù)［6］。本文旨在使用Microduino開發(fā)板搭建并測試一個(gè)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)分為采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分，采集節(jié)點(diǎn)通過溫濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)并經(jīng)由MCU處理，通過ZigBee模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)過簡單處理后將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端藍(lán)牙串口App，用戶即可以隨時(shí)獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

　　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的控制部分由MicroduinoCore、MicroduinoZigBee、MicroduinoBM、MicroduinoSensorhub模塊組成。其中Core模塊作為MCU主控，ZigBee模塊用作數(shù)據(jù)傳輸，BM為電源管理模塊，連接鋰電池供電，Sensorhub用于連接各種傳感器。另外，USBTTL可使用USB線連接電腦隨時(shí)調(diào)試修改程序。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　MicroduinoCore的PCB如圖3所示，模塊間通過周圍的U27PIN接口相互插接在一起,拼裝完成后整個(gè)節(jié)點(diǎn)很小，可以隨身攜帶并方便移動(dòng)。

　　圖2數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成圖3MicroduinoCore開發(fā)板PCB圖數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分采用DHT11實(shí)現(xiàn)。通過自制連線與MicroduinoSensorhub擴(kuò)展板連接。DHT11是一款較為常見的溫濕度傳感器，接口簡單，可長期穩(wěn)定運(yùn)行，并且功耗低。硬件部分使用自制的連接線與Sensorhub擴(kuò)展板連接，其連接圖如圖4所示，提供VCC、GND并留出一個(gè)數(shù)字口用于接收數(shù)據(jù)。Microduino可以完全兼容Arduino代碼，故可以使用Arduino中的DHT11庫，調(diào)用庫函數(shù)并獲得溫濕度數(shù)據(jù)。

　　2.2數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)

　　數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)由MicroduinoCore、MicroduinoUSBTTL、MicroduinoBM、MicroduinoZigBee、MicroduinoBT組成。其中Core是MCU模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；USBTTL用于下載程序和調(diào)試；BM作為電源管理；ZigBee模塊用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；BT為藍(lán)牙模塊，通過手機(jī)連接，以查看采集到的數(shù)據(jù)?？傮w結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　圖5數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)間的傳輸使用ZigBee模塊。Microduino系列中有U27PIN接口的ZigBee模塊，使用CC2530芯片。該模塊需要先使用AT命令進(jìn)行配置才可以使用。本文中將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上的ZigBee模塊分別配置為路由器和協(xié)調(diào)器兩種。該模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送格式為+ZBD=XXXX,所以在接收時(shí)需要做好相應(yīng)的分割才可讀取數(shù)據(jù)。該模塊管腳圖如圖6所示，符合U27PIN標(biāo)準(zhǔn)，可以與各種Microduino模塊拼接。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1路由節(jié)點(diǎn)

　　路由節(jié)點(diǎn)主要功能是負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并按照設(shè)定好的協(xié)議格式打包好，使用ZigBee模塊傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖7所示。路由節(jié)點(diǎn)的功能比較簡單，進(jìn)一步的處理交給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來完成。

　　3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行整理，同時(shí)當(dāng)用戶通過手機(jī)的藍(lán)牙串口APP訪問時(shí)，可即時(shí)地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)上。程序流程圖如圖8所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　設(shè)計(jì)完成后將模塊插接好，將采集節(jié)點(diǎn)布置在距離匯聚節(jié)點(diǎn)7~10 m的位置并連接鋰電池。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙串口或電腦串口隨時(shí)監(jiān)測。串口實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)如圖9所示。

5結(jié)束語

　　本文使用Microduino系列的開發(fā)板進(jìn)行了數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的搭建和測試，完成了數(shù)據(jù)匯聚的功圖9通過電腦串口接收到的數(shù)據(jù)

　　能。其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的4個(gè)模塊疊加后，其尺寸為長25.4 mm、寬27.94 mm、高25 mm，鋰電池厚度約為4 mm。體積極小，可以將節(jié)點(diǎn)放置在家中任意位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和匯聚。電源使用3.7 V-600 mAh的鋰電池進(jìn)行供電，可持續(xù)工作7~8個(gè)小時(shí)。其單個(gè)芯片價(jià)格略低于Arduino，遠(yuǎn)低于FPGA開發(fā)板。所以使用Microduino搭建智能家居中的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小、方便布置、價(jià)格便宜、功耗較低等優(yōu)勢。

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