基于WiFi 技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王麗偉　鄔迎

摘要：隨著智能手機(jī)的普及，其他相關(guān)的嵌入式的智能產(chǎn)品如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)就是此產(chǎn)物。目前市場上80%以上的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備的組網(wǎng)技術(shù)都是基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，ZigBee組網(wǎng)方案存在兼容性差、穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，基于WiFi的組網(wǎng)方案具有信號(hào)強(qiáng)、控制靈敏、方便遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢。該文采用WiFi技術(shù)來實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的檢測、報(bào)警，從而使用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測家中的環(huán)境狀況，能夠及時(shí)調(diào)整到人居住舒服的環(huán)境狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：WiFi技術(shù)；ZigBee技術(shù)；智能環(huán)境；監(jiān)測

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）13-0049-02

1 概述

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)生活質(zhì)量和健康問題越來越重視，應(yīng)運(yùn)而生了很多圍繞人們的生活、方便人們生活的應(yīng)用軟件。比如：目前市場上的各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品?！癝martHome”這一名詞出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、安全防范技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、 自動(dòng)控制技術(shù)將與家居生活相關(guān)的設(shè)施集成在一起，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，從而提升家居安全性、舒適性、便利性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備（如：照明系統(tǒng)、音視頻設(shè)備、窗簾控制、家電控制、安防系統(tǒng)、影音服務(wù)器、數(shù)字影院系統(tǒng)、影柜系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段。

基于WiFi家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)核心是傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示以及報(bào)警功能。通過傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，做出所需求的反應(yīng)，及時(shí)提醒用戶居住環(huán)境的健康狀況，從而及時(shí)調(diào)整居住環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，提高居住環(huán)境的舒適度。

本文基于WiFi組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在兼容性、穩(wěn)定性和抗干擾性等方便做出了改進(jìn)。將本系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)際的家居環(huán)境中，通過兩年的使用，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，靈敏度較好，安全性較高。能夠?qū)揖迎h(huán)境實(shí)時(shí)檢測并及時(shí)通知用戶，達(dá)到了家居環(huán)境監(jiān)測的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)模型，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分三層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。

應(yīng)用層：主要包括各類專門針對(duì)某行業(yè)的應(yīng)用軟件。比如：遠(yuǎn)程醫(yī)療、污染監(jiān)控、智能家居、智能檢索、智能交通、智能環(huán)境等應(yīng)用軟件。

網(wǎng)絡(luò)層：主要是對(duì)硬件設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和傳輸。目前所用到的主要平臺(tái)有云計(jì)算平臺(tái)、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等。

感知層：對(duì)監(jiān)測或控制對(duì)象進(jìn)行指標(biāo)值的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)，按照約定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行封裝和加密，將最終封裝完的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層傳遞給應(yīng)用層程序。

本系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示：

本系統(tǒng)主要包括三個(gè)核心部分，1）傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集：本系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為傳感器設(shè)備的控制器，將采集到的數(shù)據(jù)通過路由器傳輸?shù)椒?wù)器中；2）服務(wù)器對(duì)單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)按照雙方約定的協(xié)議進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，并將所需的數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的終端設(shè)備；3）終端設(shè)備從服務(wù)器獲取傳感器設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，展示給用戶。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：傳感器設(shè)備、控制器。

3.1 傳感器設(shè)備

目前本套家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)兼容的傳感器有：溫濕度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、紅外傳感器。溫濕度傳感器用于監(jiān)測室內(nèi)溫濕度的值，當(dāng)溫濕度值超出了人舒適度的時(shí)候，給用戶發(fā)出預(yù)警提示，提醒用戶調(diào)整室內(nèi)溫濕度；一氧化碳傳感器主要用于廚房內(nèi)一氧化碳濃度的檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一氧化碳濃度超標(biāo)時(shí)，立即給用戶發(fā)出報(bào)警信息；二氧化碳傳感器用于采集室內(nèi)二氧化碳濃度，當(dāng)濃度過高及時(shí)提醒用戶采取通風(fēng)措施，降低室內(nèi)二氧化碳的濃度值；紅外傳感器用于監(jiān)測室內(nèi)人的活動(dòng)范圍和活動(dòng)時(shí)間，對(duì)于用戶家中有老人和小孩的家庭非常重要，能夠達(dá)到老人和孩子看護(hù)的功能。

3.2 控制器

控制器的處理器芯片采用的是ATMEL 公司的AT89C51芯片，因?yàn)樵摽顔纹瑱C(jī)具有外圍電路簡單、硬件設(shè)計(jì)方便、IO操作簡單、價(jià)格便宜、資源豐富等諸多優(yōu)勢，能非常好的滿足家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)底層控制器的設(shè)計(jì)要求。該單片機(jī)的封裝如圖2所示。

通過P0.0-P0.7引腳外接傳感器設(shè)備，并采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理，然后通過單片機(jī)的外圍電路的WiFi模塊將加工后的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中。每一個(gè)傳感器設(shè)備都連接有一個(gè)單片機(jī)控制板，控制板上的WiFi模塊可以實(shí)現(xiàn)家庭自組網(wǎng)，將家中所有的傳感器設(shè)備接入局域網(wǎng)中。傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中發(fā)送和接收，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、移動(dòng)端APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這兩部分分別位于系統(tǒng)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收/發(fā)送、解析/存儲(chǔ)、展示/報(bào)警等功能。

4.1 服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器采用的是基于JavaWeb技術(shù)的設(shè)計(jì)案，使用jsp+jdbc +mysql+tomcat的架構(gòu)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)的監(jiān)聽、解析、存儲(chǔ)，對(duì)一些超標(biāo)值和異常狀況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警提醒用戶。服務(wù)器另外一個(gè)重要的核心功能是對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的管理，用戶或管理員可以根據(jù)自己的權(quán)限修改某些指標(biāo)值。目前本系統(tǒng)的服務(wù)器部署在阿里云服務(wù)器上。

4.2 移動(dòng)端APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)端APP是基于Android平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)的，主要包括房間配置、設(shè)備配置、情景模式配置等功能模塊?？梢愿鶕?jù)用戶房間的實(shí)際情況配置系統(tǒng)的房間，并將對(duì)應(yīng)的傳感器設(shè)備配置到對(duì)應(yīng)的房間中。用戶可以根據(jù)需要配置情景模式，方便用戶不同場合使用本系統(tǒng)。

移動(dòng)端APP另外一個(gè)重要的核心模塊是對(duì)傳感器設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)以曲線圖的形式呈現(xiàn)給用戶，用戶可以直觀的了解室內(nèi)的環(huán)境狀況以及室內(nèi)某一指標(biāo)值的走勢。

5 結(jié)論

本文首先介紹了智能家居應(yīng)用的范圍、應(yīng)用的場合，其次詳細(xì)介紹了基于WiFi技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)，并對(duì)架構(gòu)的各個(gè)部分的功能進(jìn)行了詳細(xì)的描述。最后從系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定性、方便性等方面對(duì)本系統(tǒng)的軟硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

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