引言
家居環境是指家庭團聚、休息、學習和家務勞動的環境。家居環境條件的好壞，直接影響著居民的發病率和死亡率。城市居民每天在室內工作、學習和生活的時間占全天時間的90%左右，因此，居室環境與人類健康和兒童生長發育的關系極為密切。近年來，急性傳染性非典型肺炎(SARS)、H1NI豬流感及超級細菌的出現，都說明室內環境健康的重要性。因此，“健康家居”、“智能家居”的新概念突顯其重要意義，也就是家居應將安全、健康、舒適放在首位。
加強對家居環境的環境狀況(包括有害氣體含量、空氣濕度、室內溫度、火災引起的煙霧等)的實時監測與治理，可為人們提供一個安全、健康、舒適的生活環境。
系統總體設計
本系統主要是對家居環境中的溫度、濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、甲烷濃度進行實時的監測。系統的主要工作有：自動進行數據采集、處理、指標分析，實時的將指標信息顯示在液晶屏和遠程監控網頁上，當溫度過高，煙霧濃度、有害氣體濃度超標時，進行本地聲光報警提示并發送遠程報警信息到遠程監控主機。根據需要，本環境監測系統主要包括三部分：前端信息采集端、信息處理中心、遠端監控端。
前端信息采集端：因WIA-PA無線傳感網絡具有網絡拓撲維護靈活、快速；自適應跳頻模式與重傳機制，保障通信可靠性更加有效；支持網內報文聚合，降低網絡開銷，延長電池壽命；兼容IEEE802.15.4標準，可以使用現有商品器件，易于實現；兼容無線HART標準，支持HART命令，很容易升級傳統儀表為其增加無線通信功能；用戶可以方便的使用、管理，無需較高的專業知識。因而這里采用的是基于WIA-PA標準自主研發的WIA-PA工業無線傳感網絡中的溫度、濕度、煙霧、一氧化碳、甲烷等傳感器分布在家居環境內，采集各種環境變量信息并將信息發送到無線網關處。
信息處理中心是以GM8120為核心處理器的室內中心控制機，主要負責環境信息的接收、處理、轉發、本地實時顯示、異常報警，報警信息的遠程發送。
遠程監控端即智能家居遠程監控主機，遠程監控主機在接收到來自室內中心控制機轉發的環境信息后將實時的在遠程監控頁面上顯示傳感器數據指標；當接收到遠程報警時，進行遠程的報警提示并將報警信息的存儲到相應的數據庫中。系統網絡拓撲圖如圖1所示。
圖1 系統網絡拓撲圖
硬件平臺
硬件平臺采用以GM8120 SoC為核心處理器的硬件系統。室內中心控制機硬件結構圖如圖2所示。
圖2 室內中心控制機硬件結構圖
其中GM8120核心處理器具有以下功能特點：
• 1.8V內核供電，3.3V外部I/O供電；
• 具備8KB的I-Cache和8KB的D-Cache/MMU；
• 外部存儲控制器(SDRAM控制和異步SRAM/ROM/Flash控制器)；
• LCD控制器；
• 具有PLL片上時鐘發生器；
• 視頻捕捉接口：CCIR-656和CCIR601接口；
• MPEG-4和JPEG編/解碼引擎；
• 10M/100M以太網卡控制器；
• 外部存儲接口整合High Speed USB2.0 OTG控制器與PHY的IP；
• 通用異步收發器UART、串行的I2C和I2S接口；
• 32位看門狗定時器；
• 具有日歷功能的RTC；
• 調試接口JTAG；
• SD卡接口；
• 16個通用I/O口和4通道外部中斷源。
同時GM8120還是一款針對在Internet上傳送音/視頻數據的SoC芯片，內核為ARM9、支持MPEG-4編/解碼且MPEG-4實時編碼/解碼可以達到30fps、分辨率可以達到D1，是目前業界少見的高集成度硬件MPEG4編/解碼芯片。因而是一款比較適合做室內中心控制機的核心處理芯片。
軟件實現方案
硬件平臺搭建好以后，進行本系統的軟件開發環境的搭建，開發ARM-Linux嵌入式操作系統，首先需要建立一個配套的開發環境，主要包括操作系統的移植、配置、編譯、調試環境等。系統程序用C語言和Linux函數在Source Insight中編寫實現，在虛擬機中進行程序的編譯、調試和下載。
智能家居的家居環境實時監測報警系統中的核心是室內中心控制機。室內中心控制機主要負責家居環境信息的接收、轉發、處理，并協調、控制各模塊正常工作的重要設備。因而室內中心控制機主要有以下功能模塊：室內中心控制機系統初始化模塊、環境信息捕獲模塊、環境信息處理模塊、環境信息實時顯示處理模塊、信息異常聲音報警模塊、環境信息異常圖像顯示模塊。其中室內中心控制機的軟件架構圖如圖3所示。
圖3 室內中心控制機軟件架構圖
系統初始化模塊：對室內中心控制機的硬件所有接口進行配置及各變量的初始化。
環境信息捕獲模塊：室內中心控制機通過監聽UDP端口，捕獲WIA-PA無線網關發送來的無線傳感器采集到的家居空氣、環境信息數據，將收到的數據傳送給環境信息處理模塊。
環境信息處理模塊：對收到的傳感器數據進行解析、加工處理，計算各傳感器的值。一方面將處理后的信息發送給遠程監控中心，使得遠程監控中心的數據信息也能實時的更新。另一方面將處理后的數據發送給環境信息實時顯示處理模塊，實現家居環境信息在室內中心控制機上的實時顯示。
環境信息實時顯示處理模塊：對環境信息處理模塊傳送過來的數據進行界面顯示處理。
信息異常聲音報警模塊：當室內溫度過高或煙霧濃度、有害氣體含量超標時，室內中心機發出語音報警提示引起系統用戶的注意。
環境信息異常圖像顯示模塊：當室內溫度過高或者煙霧濃度、有害氣體含量超標聲光報警時，室內中心機發出聲光報警的同時彈出報警圖像操作界面，等待用戶通過操作室內中心控制機觸摸屏查看信息或者取消報警信息等。
系統初始化完成以后，室內中心控制機創建數據接收線程獲取家居環境信息。傳感器會發送兩種數據包：一個是入網包，一個是數據包。收到入網包后，通過解析確定是哪個傳感器上線，然后在室內中心機的相應界面上顯示相應傳感器的名稱。收到數據包后，進行數據包的處理提出有效數據信息，計算出傳感器的值，并在室內中心控制機上進行傳感器數值的實時顯示。同時將收到環境信息發送到遠程監控中心，進行信息的及時更新和顯示。當室內溫度過高或者煙霧濃度、有害氣的含量超標時，室內中心控制機將進行實時的本地報警同時將報警信息發送到遠端監控主機上。室內中心控制機軟件主流程圖如圖4所示。
圖4 室內中心控制機軟件流程圖
系統功能測試
環境實時監測系統的主要功能測試：主要對環境監測值實時顯示和環境值異常時的報警功能進行測試。
硬件組成：室內中心控制機、WIA-PA網關、交換機；WIA-PA溫/濕度傳感器、WIA-PA甲烷傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、路由器各兩個。
軟件組成：將寫好的室內控制中心機程序下載到室內中心控制機中，確保室內中心機能正常工作，同時將各WIA-PA傳感器的程序和WIA-PA網關的程序下載到各自的硬件系統中確保能正常使用。同時將遠程監控中心的管理軟件打開。
系統測試的地點選擇在按家居環境布局的展示廳。在展示廳的入門處安置一個室內中心控制機。將WIA-PA網關放置在門后的交換機箱內，按照房間(客廳、廚房)的布局，布置各傳感器，在客廳中安放WIA-PA路由器及WIA-PA溫、濕度傳感器、WIA-PA煙霧傳感器、WIA-PA一氧化碳傳感器；在廚房中安放WIA-PA路由器、WIA-PA溫、濕度傳感器及WIA-PA甲烷傳感器。系統測試環境圖如圖5所示。
圖5 系統測試環境圖
測試過程：將遠程監控主機與室內中心控制機通過網線相連，然后打開WIA-PA無線網關與WIA-PA路由器、各種傳感器。在室內中心控制機家居安防主界面下點擊無線測量值按鈕，進入到環境信息監測數據顯示界面，在室內中心控制機界面上可以看到房間信息、傳感器數據信息以及經過計算的各傳感器的采集值。
將10℃~100℃的電熱絲調至不同的溫度，放在溫度傳感器下，可以看到室內中心控制機和遠程監控中心的頁面上溫度傳感器的數值不斷地實時刷新改變；當溫度傳感器的值超過事先設定的閾值后，室內中心控制機會實時的發出本地聲光報警，同時發出遠程報警信息，遠程監控頁面上也出現了溫度異常報警提示，同時查看數據庫，發現有報警信息的存儲。其中環境信息實時顯示和報警界面顯示如圖6所示。
圖6 環境測量實時顯示報警界面
結論
通過系統功能測試發現，基于WIA-PA無線傳感網絡的家居環境實時監測系統能較好的實現對家居環境信息的實時采集；室內中心控制機也能實時的接收、轉發、處理、顯示環境信息數據，并在異常時進行本地聲光報警和發送遠程報警信息。遠程監控頁面上也能實時的進行環境信息更新，溫度過高、有害氣體超標報警提示和報警信息的存儲。因而驗證了WIA-PA無線傳感網絡能較好地應用于智能家居環境監測中。