一种基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于物联网技术领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集 方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术不断发展，人们对家居环境（温度、光度、湿度）的要求越来越高，及 时采集室内当前的环境参数，自动控制窗帘、门窗的开关，给人们提供最舒适的居住环境， 已成为当前研究热点并引起国内外广大学者的兴趣。文献 [1]中提出一种基于S3C2410处 理器的智能家居数据采集系统的设计，实现水、电、气三表一体的智能管理，没有对人们生 活的环境参数进行相应的监控。为解决家居环境中数据实时监测的问题，郑毅 [2]等在2011 年设计了以CC2430作为控制核心的超低功耗智能家居数据采集系统，该系统实现了对室 内温度、湿度、光照强度以及二氧化碳浓度的准确采集与处理，但并未涉及对室内环境的自 动控制与调节。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集方法，旨在解决 上述【背景技术】中的不足之处。
[0004] 本发明是这样实现的，一种基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集方法，所述方法 包括以下步骤：
[0005] 通过传感器采集室内环境参数；
[0006] 将所述室内环境参数通过ZigBee协议传送到上位机；
[0007] 通过卡尔曼滤波算法对上位机接收的室内环境参数进行分析与处理，得到当前室 内环境参数的最优估计值；
[0008] 将所述最优估计值与预设范围值比较；
[0009] 当最优估计值低于设置范围的最小值或高于设置范围的最大值时，通过制动装置 关闭或开启相应的门窗或窗帘。
[0010] 优选地，所述环境参数包括温度、湿度、光照强度以及二氧化碳的浓度。
[0011] 优选地，所述将所述室内环境参数通过ZigBee协议传送到上位机具体包括：
[0012] 将每个节点传感器Is内采集的数据通过两个缓冲接收；
[0013] 每个节点传感器在数据采集到一半时就向主机发送一次采集数据；
[0014] 主机接收到后就切换该节点的接收数据包，通过包表示的状态确定主机在何时接 收哪个节点的数据包。
[0015] 优选地，在执行所述当最优估计值低于设置范围的最小值或高于设置范围的最大 值时，通过制动装置关闭或开启相应的门窗或窗帘的步骤之后还包括：
[0016] 将数据实时显示在基于Labview开发的监控系统的控制界面上。
[0017] 优选地，所述通过卡尔曼滤波算法对上位机接收的室内环境参数进行分析与处 理，得到当前室内环境参数的最优估计值的步骤具体包括：
[0018] 设定高斯噪声；
[0019] 获取环境噪声；
[0020] 获取期望和方差；
[0021] 通过卡尔曼滤波算法多传感器采集到的数据进行处理。
[0022] 针对目前智能家居中对环境参数控制的精确度与实时性要求，本发明基于上下位 机结构，采用合理的传感器采集数据，通过ZigBee协议传送到上位机，并由KF对数据进行 分析与处理，得到当前室内环境的最优估计值，当这个值低于设置范围的最小值或高于设 置范围的最大值时，系统自动关闭或开启相应的门窗或窗帘，完成现场实时控制，最后将数 据实时显示在基于L abview开发的监控系统上，为业主提供友好的控制界面。实验结果证 明，该系统控制精度高，实时性强，具有很强的实用性。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集方法的步骤流程图；
[0024] 图2是本发明实施例中传感器分布示意图；
[0025] 图3是本发明实施例中环境参数采集电路连接示意图；
[0026] 图4是本发明实施例中数据传输时序图；
[0027] 图5是本发明实施例中卡尔曼滤波工作的流程图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0029] -种基于卡尔曼滤波的家居环境参数采集方法，如图1所示，所述方法包括以下 步骤
[0030] 步骤S1、通过传感器采集室内环境参数。
[0031] 在步骤Sl中，室内环境参数主要包括温度、湿度、光照强度以及二氧化碳的浓度。 为给人们提供一个舒适的居住环境，所选传感器技术指标如下：
[0032] (1)测量范围：温度-20~60°C，湿度：20%~80% RH，光照度：1~lOOOLux，二 氧化碳含量：700PPM~10000PPM ;
[0033] (2)测量误差：温度彡0· 2°C，湿度：< 1% RH，光照度lLux，二氧化碳含量： ^ 10PPM ；
[0034] (3)输出信号：无线传输，传输距离彡20m。
[0035] 为保证系统控制精度，拟采用8个温度与湿度一体化的传感器AM2302、
[0036] 8个高精度的光敏电阻MG41-21以及2个二氧化碳传感器C20共同构成环境参数 采集电路，其分布如图2所示。其中2个MG811放在传感器7和传感器8的位置，AM2302和 光敏电阻每个地方都各放置一个。
[0037] 此外，在本发明实施例中，AM2302传感器是一款具有I2C总线接口的单片全校准 数字信号输出的温/湿度传感器。其硬件接口只有4个引脚，以I2C接口的方式实现数据 通信，由于CC2530不具备I2C总线接口，故使用通用I/O 口来模拟I2C总线，通过给SCK置 高低电平来是实现，其中PI. 2 口接DATA脚，PL 3接SCK脚。而C20传感器以RS232接口 的方式实现数据通信，系统通过MAX232与CPU的PL O与PL 1相连；实现对二氧化碳含量 的采集。光敏电阻MG41-21暗电阻大于等于0. 1ΜΩ，亮电阻小于等于lkQ，通过R-V变换 电路，使采集电路输出的电压值与光照度成正比，输出电压以模拟量的形式输出，CC2530外 部有20个通用I/O 口，其中PO 口 8个管脚均可直接与外部模拟量相连，利用内部的14位 高速ADC转换器，将光照度参数转换成数字信号，其硬件原理图如图3所示。
[0038] 由图3可知，参数采集电路与CC2530有三种接口方式：RS232方式，I2C方式以及 模拟量输入的方式。其中模拟信号可直接通过PO. 5输入，利用自带的ADC转换器实现模/ 数转换。
[0039] CC2530有USARTO与USARTl两个串行通信接口，既可工作于UART模式，也可以工 作在SPI模式，可通过串口控制/状态寄存器的UOCSR. MODE设定其工作模式。另外，也可 直接使用协议栈程序使用它的默认配置：P〇_2为RX端，P0_3为TX端。将RS232通过的RX 端和CC2530的TX端相连；RS232的TX端和CC2530的RX端相连即可实现RS232通信功能， 本发明采用第二种方案。
[0040] 针对I2C接口通信，由于CC2530不带I2C通信的硬件接口，因此，只能通过内嵌的 8051核，分别由PL 2 口和PL 3 口模拟串行数据线SDA与串行时钟线SCL。
[0041] 步骤S2、将所述室内环境参数通过ZigBee协议传送到上位机。
[0042] 在步骤S2中，由于环境参数控制系统的特点，对各信号要求实时采集，因此对数 据传输时的实时性要求比较高，既要保证信号的采样频率，也要保证各节点在IS内完成数 据传输。下面以温度、光照度节点为例，阐述环境参数无线实时采集的实现方法，数据传输 时序图如图4所示。
[0043] 由图4可知，两个节点发送的数据包分别记为Datal和Datal，其中CHO, CHl表 示簇头节点接收相应节点的数据，其中每个节点在采集到一半时就向主机发送一次采集数 据，主机接收到后就切换该节点的接收数据包。由时序图可以看出，通过包表示的状态就可 以确定主机在何时接收哪个节点的数据包。其中每个节点Is内的数据由BUFO和BUFl两 个缓冲接收。
[0044] 步骤S3、通过卡尔曼滤波算法对上位机接收的室内环境参数进行分析与处理，得 到当前室内环境参数的最优估计值。
[0045] 在步骤S3中，数据处理是环境控制系统的核心，传感器通过无线传输的方式