基于WiFi環(huán)境下的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王夢秋

摘要：本文分析了基于WiFi環(huán)境下的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，分析了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；在應(yīng)用方面，分析了應(yīng)用場景和進(jìn)一步發(fā)展方向；最后總結(jié)了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的性能特點(diǎn)。通過以上分析，旨在明確了基于WiFi環(huán)境下的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要點(diǎn)，旨在完善和提高該監(jiān)測系統(tǒng)的功能和性能，提升該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：WiFi環(huán)境；無線家庭；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用

一、 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活環(huán)境的逐步惡化，如PM2.5、家庭裝修污染等，人們對良好生活環(huán)境的要求越來越強(qiáng)烈。但是，人們所在生活環(huán)境的各種指標(biāo)數(shù)據(jù)，還停留在感知層面，沒有形成系統(tǒng)的、可評價(jià)的、可見的層面。如果能建設(shè)一套對家庭環(huán)境進(jìn)行檢測的信息系統(tǒng)，對家庭環(huán)境的各類參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，讓原通過感知的信息轉(zhuǎn)換成可探測、可監(jiān)測、可評估、可見的信息，讓環(huán)境信息一目了然，并進(jìn)行有效評估，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

家庭無線WiFi為該系統(tǒng)建設(shè)提供了基礎(chǔ)條件。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一） 監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于WiFi環(huán)境下的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括環(huán)境探測傳感器、WiFi通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器、智能手機(jī)APP軟件等設(shè)備。這些設(shè)備通過家庭無線WiFi設(shè)備進(jìn)行通信并組成一個(gè)系統(tǒng)。見下圖：

該系統(tǒng)將家庭環(huán)境的各類設(shè)備組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行方式為：

各類傳感器將探測到的數(shù)據(jù)，通過無線WiFi設(shè)備發(fā)送到數(shù)據(jù)采集及顯示報(bào)警器上，數(shù)據(jù)采集顯示報(bào)警器將采集到的數(shù)據(jù)在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)或家庭其它存儲設(shè)備上，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閥值時(shí)該設(shè)備予以聲光報(bào)警，手機(jī)APP提供環(huán)境數(shù)據(jù)查看、分析、報(bào)警、設(shè)置等功能。

（二） 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)硬件包括環(huán)境探測傳感器、無線WiFi設(shè)備、數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器、智能手機(jī)。其中：無線WiFi設(shè)備、智能手機(jī)利舊；新設(shè)備為環(huán)境探測傳感器、數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器。數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器為該系統(tǒng)的核心設(shè)備。

1. 環(huán)境探測傳感器

環(huán)境探測傳感器包括多種環(huán)境探測傳感器，包括但不限于溫度、濕度、PM2.5、氣壓、放射線、甲醛、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、水壓、電壓、風(fēng)速、采光、照明等各類可探測、收集的環(huán)境因素傳感器。

2. 無線WiFi設(shè)備

無線WiFi設(shè)備可以利用現(xiàn)有家庭的無線WiFi設(shè)備上網(wǎng)設(shè)備，不但能夠?qū)⑺协h(huán)境探測傳感器方便地連接在一起，而且自動連通了互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，便于開發(fā)智能手機(jī)APP軟件，實(shí)現(xiàn)手機(jī)上對家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的即時(shí)查看，同時(shí)降低了投資成本。

3、數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器

數(shù)據(jù)采集顯示報(bào)警器，是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，通過無線WiFi接入該系統(tǒng)。該設(shè)備無線WiFi采集各個(gè)傳感器獲得的數(shù)據(jù)，在顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)或家庭其它存儲設(shè)備上，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定閥值時(shí)該設(shè)備予以聲光報(bào)警。該設(shè)備具備較大顯示屏，分區(qū)、分時(shí)顯示各類環(huán)境探測數(shù)據(jù)；具備聲光報(bào)警功能；具備數(shù)據(jù)暫存功能；具備預(yù)警閥值設(shè)置及數(shù)據(jù)計(jì)算功能。數(shù)據(jù)采集、探測、顯示、預(yù)警內(nèi)容包括傳感器自身運(yùn)行工況信息、電池電壓信息等。

（三） 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器軟件及智能手機(jī)APP軟件兩部分：

1、 數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器軟件

該軟件能夠接收各類傳感器傳遞的各類數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存、轉(zhuǎn)發(fā)、顯示，根據(jù)設(shè)定的閥值啟動聲光報(bào)警；該軟件具備對各類環(huán)境參數(shù)進(jìn)行閥值設(shè)定功能。

2、 智能手機(jī)APP軟件

智能手機(jī)APP軟件，用于在手機(jī)上顯示、查看家庭環(huán)境個(gè)各類實(shí)時(shí)數(shù)值，歷史曲線，設(shè)定報(bào)警閥值、超過閥值預(yù)警等內(nèi)容。數(shù)據(jù)來源于傳入互聯(lián)網(wǎng)存儲的環(huán)境數(shù)據(jù)或存儲于家庭存儲上的數(shù)據(jù)。

（四） 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容包含系統(tǒng)自身監(jiān)測內(nèi)容及環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容兩部分：

1、 系統(tǒng)自身監(jiān)測內(nèi)容

該系統(tǒng)接入各類傳感器較多，且各類傳感器為實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，耗電量較大；受無線WiFi信號強(qiáng)弱的影響，傳感器接入網(wǎng)絡(luò)情況帶有較大的不確定性。基于以上因素，該系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容，首先是對接入該系統(tǒng)的各類設(shè)備運(yùn)行工況、電池電壓、是否接入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸是否正常進(jìn)行監(jiān)測。對該系統(tǒng)運(yùn)行的異常情況進(jìn)行報(bào)警。

2、 家庭環(huán)境因素監(jiān)測

環(huán)境因素監(jiān)測，包括但不限于溫度、濕度、PM2.5、氣壓、放射線、甲醛、煤氣、二氧化碳、一氧化碳、氧氣、水壓、電壓、風(fēng)速、采光、照明等各類可探測、收集的環(huán)境因素。

（五） 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、WiFi信號組網(wǎng)技術(shù)

由于家庭面積有大有小，受墻壁等因素影響，存在WiFi信號覆蓋不到位的情況，該情況會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)難有有效組網(wǎng)。解決該問題的辦法，一是采購大功率、多天線WiFi設(shè)備，二是采購多個(gè)WiFi設(shè)備進(jìn)行WiFi設(shè)備級聯(lián)，見下圖：

3、 傳感器節(jié)電技術(shù)

家庭環(huán)境探測傳感器的節(jié)點(diǎn)技術(shù)，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。在用干電池或充電電池的情況，可以采用設(shè)定數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔時(shí)長來節(jié)約電量。對長期穩(wěn)定的因素（氧氣、采光、通風(fēng)、甲醛等），數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)定較長時(shí)間；對重要的、影響較大的因素（燃?xì)?、一氧化碳等）設(shè)定較小的數(shù)據(jù)采集時(shí)間通過這種方式，既滿足數(shù)據(jù)采集的要求，又節(jié)約了電力，降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

4、 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，各傳感器不需要實(shí)時(shí)在線，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，定時(shí)連接并傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)正常傳輸又節(jié)約電量。

5、 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量較大，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，在數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器上臨時(shí)暫存近期數(shù)據(jù)；在互聯(lián)網(wǎng)或家庭其它設(shè)備上存放全量數(shù)據(jù)。隨著使用時(shí)間的增長，采集的數(shù)據(jù)量會越來越大，需要采用數(shù)據(jù)分離技術(shù)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分離的歷史數(shù)據(jù)另行存放、單獨(dú)查閱。提供對歷史數(shù)據(jù)的輕量匯總數(shù)據(jù)的查閱功能。

6、 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

對采集的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行多維度的分析；對環(huán)境綜合狀況，建立環(huán)境評估的數(shù)學(xué)模型，對環(huán)境狀況進(jìn)行綜合評估。

7、 靈敏度技術(shù)

對傳感器的靈敏度進(jìn)行設(shè)置和評估，對不同設(shè)置參數(shù)的靈敏度進(jìn)行評估，找到最佳運(yùn)行工況的傳感器靈敏度。

8、 噪聲處理技術(shù)

對不同傳感器采集的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲處理，排除非正常的數(shù)據(jù)，避免噪聲數(shù)據(jù)對環(huán)境監(jiān)測帶來的不良影響。

9、 信息安全技術(shù)

家庭環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)，一是需要啟用無線WiFi設(shè)備上的防火墻設(shè)置；二是傳入互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)需要確定其保密方式及保密級別；三是手機(jī)APP的影響需要采用信息安全技術(shù)；四是涉及重要的信息需要采集特殊的信息安全技術(shù)。

三、成本及效益

該系統(tǒng)的硬件設(shè)備需要采購（或開發(fā)）具備WiFi功能的環(huán)境因素探測傳感器、數(shù)據(jù)采集顯示屏報(bào)警器（帶軟件）、手機(jī)APP軟件，WiFi設(shè)備、手機(jī)利舊，投入成本較低。

該系統(tǒng)一旦部署，不但能對家庭環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測，而且能對超過閥值的環(huán)境因素進(jìn)行報(bào)警，更能夠?qū)φ麄€(gè)家庭環(huán)境進(jìn)行綜合評估，確定是否適合居住并給出改善措施。這對于剛剛裝修過的家庭、冬夏門窗常閉環(huán)境、低矮通風(fēng)不暢環(huán)境等有較大的應(yīng)用場景并人們帶來切實(shí)的良好體驗(yàn)，能夠產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

四、系統(tǒng)應(yīng)用

基于WiFi環(huán)境下的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有著成本較低、組網(wǎng)方便等特點(diǎn)，有著較為廣泛的應(yīng)用場景，如：

1、 家庭環(huán)境監(jiān)測

家庭環(huán)境監(jiān)測是主要應(yīng)用場景，可以根據(jù)實(shí)際需求配置環(huán)境監(jiān)測傳感器的數(shù)量，監(jiān)測重要度不同的環(huán)境因素。

2、 倉儲環(huán)境監(jiān)測

根據(jù)倉儲環(huán)境，選擇不同的環(huán)境因素傳感器，監(jiān)測倉儲的環(huán)境。

3、 機(jī)房環(huán)境監(jiān)測

企業(yè)通信機(jī)房、計(jì)算機(jī)機(jī)房，有著較高的環(huán)境要求，該系統(tǒng)可以對機(jī)房的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。

4、 種植大棚環(huán)境監(jiān)測

蔬菜種植大棚，需要對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，選擇不同的傳感器，監(jiān)測蔬菜種植大棚的環(huán)境。

五、總結(jié)

綜上所述，基于WiFi的無線家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)較為簡單、組網(wǎng)并不復(fù)雜、建設(shè)周期短、投入成本較低、應(yīng)用場景廣，一旦建設(shè)和投入運(yùn)行，能夠產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有著良好的發(fā)展前景，是值得投資建設(shè)的一個(gè)良好的系統(tǒng)。

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