基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐博

（商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 河南省商丘市 476000）

隨著科技發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從誕生到在生活中廣泛應(yīng)用，人們已經(jīng)習(xí)慣了愈加舒適和智能的居家生活環(huán)境，同時(shí)對(duì)居住環(huán)境的智能化提出了更高的要求。本文在研究和總結(jié)現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯理論來(lái)綜合評(píng)估家庭環(huán)境的舒適性。

1 物聯(lián)網(wǎng)和智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)最初是在1999年提出的。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things），實(shí)現(xiàn)嵌入式物理設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，即萬(wàn)物互聯(lián)。它不再是傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)終端不僅包括傳統(tǒng)的PC、移動(dòng)電話等設(shè)備，更擴(kuò)展到了可以交換信息的各種對(duì)象，如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的汽車、家用電器等設(shè)備。接入互聯(lián)網(wǎng)的各種設(shè)備，都可以自動(dòng)工作，通過(guò)設(shè)備攜帶的傳感器感知環(huán)境變化，再由軟件分析處理數(shù)據(jù)并與其他連網(wǎng)設(shè)備交換數(shù)據(jù)，最終控制這些設(shè)備做出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程完全不需要人為參與。因此，物聯(lián)網(wǎng)是無(wú)線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合而構(gòu)建，其目的就是提高設(shè)備的設(shè)備和系統(tǒng)的工作效率和準(zhǔn)確性。物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用在交通、家居、農(nóng)業(yè)、物流、環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域。

1.2 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)居家環(huán)境的監(jiān)控，使住宅本身與環(huán)境控制、設(shè)備終端管理與維護(hù)的有機(jī)結(jié)合。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，無(wú)線通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)照明、溫濕度、安防感應(yīng)等居家環(huán)境數(shù)值的監(jiān)測(cè)和控制，創(chuàng)造安全舒適節(jié)能的家居生活氛圍。與傳統(tǒng)的家庭環(huán)境相比，家庭智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有智能化的特點(diǎn)，具有完整的通訊和信息處理能力，家人只需要在系統(tǒng)中設(shè)置好需要的環(huán)境數(shù)值，系統(tǒng)便可控制接入終端設(shè)備自動(dòng)工作，極大的簡(jiǎn)化了舒適家居環(huán)境營(yíng)造的人力和時(shí)間成本。

2 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析和解決方案

2.1 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求分析

根據(jù)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）應(yīng)用的市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)室內(nèi)家居監(jiān)控設(shè)備的配置要求差異明顯。對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適度有較高要求的高收入人群對(duì)系統(tǒng)提出了更高的要求：對(duì)于普通家庭，僅需具備通用的監(jiān)控設(shè)備。但是無(wú)論哪種收入階層，對(duì)未來(lái)的智能家居生活都有較高的期待值。系統(tǒng)在一般開發(fā)任務(wù)基礎(chǔ)上重點(diǎn)考慮了需要監(jiān)測(cè)的四個(gè)室內(nèi)環(huán)境因素，即室內(nèi)的溫度、濕度、照度和CO2濃度，通過(guò)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行科學(xué)分析，來(lái)匹配居民設(shè)定的室內(nèi)空氣舒適度范圍。

圖1：家居智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：QT 工作流程圖

系統(tǒng)需要配備可視化操作界面，以使居民能夠通過(guò)系統(tǒng)得到良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)有的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，確定本系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)如下：

（1）溫度，濕度，光照強(qiáng)度和CO2濃度四個(gè)環(huán)境因素的數(shù)值實(shí)時(shí)采集：

（2）連網(wǎng)家用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，以便對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，為系統(tǒng)控制設(shè)備自動(dòng)工作提供基礎(chǔ)；

（3）最大化降低系統(tǒng)成本；

（4）簡(jiǎn)化布線；

（5）可視化的操作界面。

2.2 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求的解決方案

智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題有：首先，使用傳感器（溫度，濕度，照度，CO2濃度）分別實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度，濕度，照度和CO2濃度數(shù)據(jù)。傳感器應(yīng)在不影響房間美觀的基礎(chǔ)上，安裝在房間的幾個(gè)關(guān)鍵位置，并為傳感器同意編碼，以便唯一標(biāo)識(shí)每個(gè)傳感器。二是環(huán)境數(shù)據(jù)采集。由傳感設(shè)備統(tǒng)一采集大量環(huán)境數(shù)據(jù)，構(gòu)建科學(xué)合理的智能家居數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)分的實(shí)施監(jiān)控，進(jìn)而對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。三是成本控制。傳感器、傳輸設(shè)備和控制器等硬件盡可能選用低成本產(chǎn)品，使智能家居系統(tǒng)的成本最小化。四是用ZigBee 無(wú)線傳輸終端監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)代替電纜進(jìn)而減少線路改造和重新布線的問(wèn)題。最后，系統(tǒng)控的制界面設(shè)計(jì)。要具有良好的可視化人機(jī)操作界面，完成QT4 的GUI 設(shè)計(jì)。如此用戶可以輕松地對(duì)室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、設(shè)置和分析。

3 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的功能模塊

物聯(lián)網(wǎng)家庭環(huán)境的智能檢測(cè)系統(tǒng)可分為三個(gè)主要層次，即用戶服務(wù)層，傳輸層和下層獲取層，如圖1。

用戶服務(wù)層主要將收集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行通信。其中串口解析協(xié)議起著關(guān)鍵作用，它可以與下端的傳感器采集設(shè)備進(jìn)行交互，接受主程序發(fā)送的命令并處理這些數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)、操作和維護(hù)環(huán)境數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)非常重要，必須保證數(shù)據(jù)具有較高的存儲(chǔ)安全性和運(yùn)行效率。用戶層是整個(gè)智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的大腦。在傳輸層，我們主要采用ZigBee 傳感器[1]模塊進(jìn)行信息傳輸工作。每個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)模塊都嵌入到智能家居控制系統(tǒng)中的傳感器設(shè)備中，ZigBee 協(xié)調(diào)器與家用路由網(wǎng)關(guān)結(jié)合，將ZigBee 節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)連接到云服務(wù)器，用戶可通過(guò)電腦，或者移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制。在下端采集層中，我們可以通過(guò)各種傳感器收集信息，這使我們能夠充分了解室內(nèi)環(huán)境信息。

3.2 功能設(shè)計(jì)

本智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：中央管理模塊，溫度監(jiān)控模塊，濕度監(jiān)控模塊，CO2濃度監(jiān)控模塊和照明監(jiān)控[3]模塊。

（1）中央管理模塊。該模塊具有全局管理功能，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)、室內(nèi)環(huán)境資源的收集和分析、數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和維護(hù)等。

（2）溫濕度監(jiān)控模塊。該模塊用于監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，并實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)，以便及時(shí)判斷室內(nèi)空間的舒適度。

（3）二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)模塊。該模塊能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境中二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦CO2濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)以提示用戶對(duì)可能原因進(jìn)行排查。

（4）照明監(jiān)控模塊。該模塊可實(shí)時(shí)收集室內(nèi)照明數(shù)據(jù)，以評(píng)估室內(nèi)照明條件，根據(jù)數(shù)據(jù)分析來(lái)自動(dòng)開啟相應(yīng)照明設(shè)備。

4 智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

4.1 嵌入式硬件平臺(tái)

嵌入式系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。軟件部分包括linux-2.6.29操作系統(tǒng)[4]和應(yīng)用程序軟件。用戶的交互式界面GUI[5]，傳感器采集模塊的驅(qū)動(dòng)程序和其他應(yīng)用程序在Linux 系統(tǒng)上運(yùn)行。硬件部分主要包括中央處理器、溫濕度采集模塊，光強(qiáng)信息采集功能模塊，二氧化碳濃度采集模塊以及串口，網(wǎng)卡等外圍接口電路。該系統(tǒng)處理器要求高性能高可靠性，因此選用Atmel 的AT91SAM9G10 處理器。這款處理器還具有豐富的外圍接口和靈活的擴(kuò)展模塊等特點(diǎn)，適合本系統(tǒng)的開發(fā)要求。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Linux 支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其出色的網(wǎng)絡(luò)通信能力和性能的穩(wěn)定性，使其成為系統(tǒng)開發(fā)的首選。內(nèi)核包括根文件系統(tǒng)（RFS）、內(nèi)存管理（MM）、進(jìn)程管理（PM）以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（DD）。Ubuntu 操作系統(tǒng)在虛擬機(jī)VM ware6.0 上運(yùn)行可以有效避免由底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的跨平臺(tái)而引起差異，同時(shí)，我們可以在虛擬機(jī)上完全構(gòu)建室內(nèi)智能家居開發(fā)環(huán)境。

4.3 用戶界面程序設(shè)計(jì)

使用QT4 設(shè)計(jì)了GUI 可視化人機(jī)界面。通過(guò)用戶界面程序可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境信息，快速對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行設(shè)置。QT 工作流程圖如圖2。

5 結(jié)語(yǔ)

本智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，較為全面的考慮了影響室內(nèi)環(huán)境的主要因素，通過(guò)對(duì)應(yīng)的功能模塊收集并處理數(shù)據(jù)，對(duì)居家環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控和分析，為用戶提供舒適安全的居住環(huán)境提供幫助。本系統(tǒng)也有不完善之處，例如系統(tǒng)目前尚不能實(shí)現(xiàn)依據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置，所有的設(shè)置仍需要用戶手動(dòng)完成，這是今后要努力的方向，即讓現(xiàn)有的家庭化境檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正自動(dòng)化、智能化，推動(dòng)綠色低碳和舒適安全的居家環(huán)境革命。