基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與分析

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)的問世，打破了傳統(tǒng)的“硬件與軟件分離”的思維，在各行各業(yè)都有很大的發(fā)展前景。近年來，隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，人們對于生活質(zhì)量的追求也越來越高，家庭生活是很重要的一部分。本文提到的智能家居系統(tǒng)主要針對室內(nèi)環(huán)境，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)與家庭生活相結(jié)合的新思路，即集監(jiān)測、分析、顯示、控制為一體的家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的智能家居系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 傳感器 環(huán)境監(jiān)測 室內(nèi)環(huán)境 數(shù)據(jù)采集 云服務(wù)器

物聯(lián)網(wǎng)的問世，打破了傳統(tǒng)的“硬件與軟件分離”的思維，把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換，以實現(xiàn)智能化識別與管理。目前，我國主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市運行管理、公共安全、城市交通等領(lǐng)域，在家居生活方面應(yīng)用不是很廣泛。

科技的進步，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，改變了人們傳統(tǒng)的生活方式?，F(xiàn)在足不出戶便可安排任何事情，人們在封閉環(huán)境的時間自然也大幅增加，大部分人70%-90%的時間是在室內(nèi)度過的，因而室內(nèi)空氣問題比室外空氣污染對人體健康的影響更大。

然而，這種市場背景下，目前已經(jīng)推出的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品功能較為局限，大多數(shù)產(chǎn)品只擁有單一的監(jiān)測功能，缺少對于數(shù)據(jù)的分析以及由此衍生出的個性化推薦服務(wù)，部分產(chǎn)品雖然做到了監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，但是產(chǎn)品本身卻局限于“監(jiān)測”，無法真正做到改變室內(nèi)空氣糟糕的現(xiàn)狀。因此，一款集室內(nèi)環(huán)境指數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析以及個性化推薦服務(wù)甚至聯(lián)動空氣凈化器于一體的“智能”監(jiān)控解決方案需求明顯。

同時，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的深入發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+家居環(huán)境監(jiān)控是發(fā)展的必然趨勢。因此筆者結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計了一款幫助居民對室內(nèi)環(huán)境高度認識以及重視的具體應(yīng)用，命名為“我愛我家”。

1 功能設(shè)計

“我愛我家”項目是在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的大背景之下，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合智能家居的概念，提出的基于室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。本項目通過設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)實時收集并發(fā)布用戶比較敏感的室內(nèi)環(huán)境指標：溫度、濕度、PM2.5，使得用戶家中環(huán)境指標清晰可見，能夠及時提醒和建議用戶采取相關(guān)措施捍衛(wèi)家中環(huán)境健康，并提供由此而衍生出的一系列服務(wù)，以幫助用戶達到真正的“我愛我家”。系統(tǒng)包括硬件數(shù)據(jù)采集端、云端服務(wù)器、移動終端APP組成。移動端的主要功能如下：

1.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)展示

用戶可以隨時在移動端觀察到室內(nèi)空氣質(zhì)量的實時數(shù)據(jù)，以及下一時刻或者下一天的某一時刻的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)的預(yù)測值。

1.2 設(shè)備聯(lián)動

設(shè)備聯(lián)動功能只有在硬件監(jiān)測設(shè)備和空氣凈化器或者空氣加濕器綁定在一起時才會生效。當室內(nèi)環(huán)境指數(shù)趨于異常時，云端會立即識別指數(shù)異常并向移動應(yīng)用端發(fā)送異常信息，此時用戶可以根據(jù)提示直接控制與數(shù)據(jù)硬件監(jiān)測設(shè)備聯(lián)動的空氣凈化器或者空氣加濕器。

1.3 提醒與推薦

例如，在冬季，如果監(jiān)測到某一用戶家庭室內(nèi)溫度經(jīng)常保持在25℃以上，并且室內(nèi)濕度較低，此時用戶可能并沒有意識到所處環(huán)境的危害性，但是“我愛我家”云端服務(wù)器通過對數(shù)據(jù)的分析早已察覺，便會向用戶發(fā)出“警報”， 告之用戶此時所處環(huán)境的危害，并且有針對性的推薦與之配套的可以聯(lián)動的空氣加濕器等相關(guān)產(chǎn)品。

1.4 排名

“我愛我家”云端服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心會根據(jù)基于灰色關(guān)聯(lián)度的室內(nèi)環(huán)境綜合狀況模糊分析模型對所采集的每個家庭用戶的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)（以周為單位）進行評分。移動應(yīng)用端則會顯示出本周排名前十的用戶昵稱以及得分。

1.5 社交分享

用戶可以在“我愛我家”的移動端應(yīng)用內(nèi)部分享自己居家清潔的妙招或者心得體會。

2 設(shè)計思路

“我愛我家”項目以用戶比較敏感的室內(nèi)環(huán)境指標：溫度、濕度、PM2.5為基礎(chǔ)來實時分析室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。它主要由三個部分構(gòu)成，包括硬件數(shù)據(jù)采集端，云端數(shù)據(jù)存儲與分析以及移動應(yīng)用端。

硬件數(shù)據(jù)采集端主要負責實時收集并傳輸室內(nèi)環(huán)境指標參數(shù)（溫度、濕度、PM2.5）至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器主要對所采集到的數(shù)據(jù)進行存儲并建模分析，以便對不同的用戶提出有針對性的服務(wù)意見，移動應(yīng)用端則主要負責向用戶展示實時的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)，并且及時反饋云端服務(wù)器數(shù)據(jù)分析得到相關(guān)結(jié)果，提示用戶應(yīng)及時采取何種有效的解決方案去應(yīng)對家中環(huán)境的變化。

2.1 硬件數(shù)據(jù)采集端

“我愛我家”系統(tǒng)的硬件數(shù)據(jù)采集端由ESP8266物聯(lián)網(wǎng)終端，DHT11溫濕度傳感器和APM灰塵傳感器構(gòu)成。傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠利用ESP8266與Internet相連的無線Wi-Fi串口模塊實時上傳至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器可以通過Internet傳輸指令，實現(xiàn)對ESP8266的控制，從而控制空氣凈化器的效果。

2.2 云端數(shù)據(jù)處理中心

我們在云端建立以下三個模型進行數(shù)據(jù)分析，對室內(nèi)空氣質(zhì)量進行綜合評價，對未來情況進行預(yù)測：

（1）“濾波”算法將對采集到的數(shù)據(jù)進行平滑去噪處理。

（2）室內(nèi)環(huán)境的評價模型將采用灰色關(guān)聯(lián)度，求解模型的隸屬度，按AHP法求解影響因素之間的權(quán)重分配，確定室內(nèi)環(huán)境狀況的綜合評價指標。

（3）室內(nèi)PM2.5濃度預(yù)測模型采用季節(jié)效應(yīng)分析具有周期性的時間序列的方法，把一天作為一個周期，把每個小時作為一個“季節(jié)”，由此預(yù)測未來一天中各小時的PM2.5值。

2.3 移動端APP的實現(xiàn)

我們在Android系統(tǒng)上使用xUtils框架來開發(fā)移動端應(yīng)用APP，它通過HTTP協(xié)議與云端服務(wù)器進行通信。

3 結(jié)束語

在室內(nèi)環(huán)境問題日益嚴重的背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)能夠有效的幫助更多的人意識到室內(nèi)環(huán)境問題的嚴重性，及早預(yù)防因室內(nèi)環(huán)境問題而帶來的一系列不良影響，現(xiàn)實意義明顯。

“我愛我家——基于物聯(lián)網(wǎng)的家居環(huán)境智能監(jiān)控”系統(tǒng)不僅做到了對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，還會根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行及時有效的分析并向用戶提供有針對性的解決方案。除此之外，它還能聯(lián)動與之配套的空氣凈化器或加濕器，直接幫助用戶改善室內(nèi)環(huán)境，集監(jiān)測、分析、服務(wù)為一體，真正的做到為用戶智能提供室內(nèi)環(huán)境問題解決方案，未來發(fā)展意義顯著。

作者簡介

黃菡（1995-），女，安徽省安慶市人?，F(xiàn)為中南財經(jīng)政法大學信息與安全工程學院大學本科在讀學生。主要研究方向為管理信息系統(tǒng)。

作者單位

中南財經(jīng)政法大學信息與安全工程學院 湖北省武漢市 430073