基于MT7623A的遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉雄飛， 陳 浩， 聶 偉， 賴(lài)思敏

(1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南恒茂高科股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

對(duì)室內(nèi)環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于保證身體健康具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義[1]。近年來(lái)，許多研究將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,例如基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communications,GSM)的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2],基于IEEE 802.116標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WiFi)的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]，但存在著功耗大、成本高等弊端，無(wú)法在室內(nèi)監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模推廣與應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于MT7623A的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有低功耗、組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于商場(chǎng)、酒店等室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，解決了室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信息交互的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器終端節(jié)點(diǎn)、智能網(wǎng)關(guān)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器3個(gè)部分。終端節(jié)點(diǎn)搭載了溫濕度傳感器DHT11，PM2.5傳感器GP2Y1014AU以及甲醛傳感器DS—HCHO，并采用CC2530處理器完成傳感器的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兼具高性能路由器(4×LAN口+1×WAN口+1×SFP光口)與ZigBee協(xié)調(diào)器的功能，在完成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚與上傳同時(shí)，也滿(mǎn)足了普通用戶(hù)的入網(wǎng)需求；服務(wù)器采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理模式存儲(chǔ)網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，并采用基于自適應(yīng)加權(quán)和模糊邏輯的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)所監(jiān)測(cè)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估。而用戶(hù)則可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程登陸，查看各節(jié)點(diǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及其評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化與智能化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

主要由CC2530[4]與傳感器模塊構(gòu)成,如圖1所示。

1)基于CC2530設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)只需要極少的外圍原件、一個(gè)晶振即可滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性并降低系統(tǒng)功耗。

2)傳感器模塊系統(tǒng)主要檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)為溫濕度、PM2.5和甲醛濃度。從接口方式、性能指標(biāo)等方面考慮選用傳感器：溫濕度傳感器選用DHT11，PM2.5濃度檢測(cè)選用粉塵傳感器GP2Y1014AU，甲醛檢測(cè)電路模塊選用DS—HCHO數(shù)字輸出傳感器。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

本文以MT7623A為核心搭建了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

1) MT7623A:MT7623A是一種高度集成的路由器片上系統(tǒng)，四核的Cortex—A7,1.3 GHz，支持高達(dá)2 GB RAM。

2) ZigBee協(xié)調(diào)器:負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點(diǎn)的加入以及數(shù)據(jù)的匯總。硬件結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)基本相同，功能上的區(qū)分通過(guò)軟件來(lái)完成。將ZigBee協(xié)調(diào)器嵌入至網(wǎng)關(guān)中，并通過(guò)串口進(jìn)行通信。

3) 通用外圍接口:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)搭載了豐富的外圍接口，包括最常見(jiàn)的串行通用接口USB3.0，可用于擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的miniPCIe口，支持10/100/1000Mbps的LAN口與WAN口，以及100/1 000 Mbps的SFP光口，可以很方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展與二次開(kāi)發(fā)。

4)電源:變壓器輸入的12V直流電源作為網(wǎng)關(guān)的主電源，并通過(guò)NB671，MT6323L等芯片提供穩(wěn)定的電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖3所示。首先進(jìn)行初始化設(shè)置(如COM口，波特率等設(shè)置)，發(fā)送入網(wǎng)信號(hào)，等待主機(jī)響應(yīng)。如果入網(wǎng)成功，則進(jìn)入休眠狀態(tài)，在收到定時(shí)器中斷后退出休眠狀態(tài)，初始化傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及發(fā)送任務(wù)，最后關(guān)閉傳感器，重新配置CC2530進(jìn)入休眠狀態(tài)，準(zhǔn)備下次接收定時(shí)中斷信號(hào)[5]。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行初始化，并通過(guò)Socket套接字與服務(wù)器建立連接。隨后選擇合適的信道與網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)新建成功則進(jìn)入無(wú)線(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)測(cè)環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)信號(hào)。當(dāng)接收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)時(shí)，首先驗(yàn)證其合法性，然后判斷其信號(hào)類(lèi)型。如果是新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，則給該節(jié)點(diǎn)分配16位網(wǎng)絡(luò)地址，允許加入網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)進(jìn)入無(wú)線(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)。若接收到信號(hào)為傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)通過(guò)Socket發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，最后返回?zé)o線(xiàn)監(jiān)控狀態(tài)。

3.3 遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)融合

本文采用了自適應(yīng)加權(quán)和模糊邏輯的數(shù)據(jù)融合算法，數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)融合框架

3.3.1 基于自適應(yīng)加權(quán)的數(shù)據(jù)級(jí)融合算法

多個(gè)傳感器在采集室內(nèi)某一環(huán)境因子時(shí)，將檢測(cè)出數(shù)據(jù)誤差較小的傳感器權(quán)值增大，較大的權(quán)值減小。在總均方差最小這一條件下，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整尋找其對(duì)應(yīng)的加權(quán)值，使融合后的達(dá)到最優(yōu)，以很好地抑制感知數(shù)據(jù)的噪聲和漂移，提高了系統(tǒng)的精度[6]。具體算法流程如下：

(1)

式中Xij為第i只傳感器第j次測(cè)量的結(jié)果。

(2)

3)求出此刻各傳感器的最優(yōu)加權(quán)因子Wi

(3)

(4)

3.3.2 基于模糊邏輯的決策級(jí)融合算法

1)對(duì)4種傳感器建立室內(nèi)環(huán)境因素集，即V=(v1,v2,v3,v4)=(溫度，濕度，PM2.5，甲醛)。

2)建立室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)集為U=(u1,u2,u3,u4,u5)=(優(yōu)，良，中，差，很差)。

3)對(duì)第i類(lèi)傳感器Vi的決策結(jié)果歸一化后可以得到輸入向量ri=(vi1,vi2,vi3,vi4,vi5)，對(duì)于?vi∈V，ri組成4×5的決策矩陣R。

5)在融合中心的合成運(yùn)算中，評(píng)語(yǔ)集上的模糊子集B由傳感器權(quán)重向量A與決策矩陣R合成，即B=AR=(b1,b2,b3,b4,b5)，通過(guò)最大隸屬度法最終確定全局估計(jì)A。

3.3.3 室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)決策描述

采用幾何平均法計(jì)算室內(nèi)環(huán)境綜合指數(shù)I

(5)

式中xi為第i種環(huán)境品質(zhì)因素的值；xmax為該因素的最大允許值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

將6只傳感器終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)散布在大樓中的各測(cè)試位置。傳感器節(jié)點(diǎn)每隔5 min進(jìn)行一次采樣，并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一個(gè)采樣周期喚醒。二級(jí)數(shù)據(jù)融合方法處理結(jié)果如表1所示，各環(huán)境因子均未超標(biāo)，環(huán)境等級(jí)為B級(jí)[8]。

表1 數(shù)據(jù)融合計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于MT7623A的遠(yuǎn)程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)快速自組網(wǎng)以及對(duì)各種環(huán)境因子的實(shí)時(shí)采集、傳輸、遠(yuǎn)程顯示等，同時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兼具高性能路由器的功能，并很好地克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的弊端。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值較高。