智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計

摘要：為探究智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方法以及提升系統(tǒng)的監(jiān)測效能和運行穩(wěn)定性、可靠性等，本文從智慧家居及其室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測需求分析出發(fā)，從SMT32芯片特點、系統(tǒng)總體方案設計、功能定義、系統(tǒng)架構設計、軟硬件設計以及系統(tǒng)調(diào)試等方面，梳理了智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計路徑與方法；并從系統(tǒng)效能優(yōu)化以及硬件優(yōu)化等方面總結了其優(yōu)化設計策略。

關鍵詞：智慧家居；多傳感器融合；室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；優(yōu)化設計

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.15.081

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化與信息化技術的快速發(fā)展與全面應用，以及消費者對智能家居應用越來越高的體驗要求，多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，在保證和提升智慧家居感知與管控效能方面發(fā)揮越來越重要的作用。智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化與設計，需要基于環(huán)境監(jiān)測需求選配適宜的軟硬件系統(tǒng)設備進行組網(wǎng)與調(diào)試。

1智慧家居及其室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測需求分析

智慧家居利用現(xiàn)代傳感器技術、組網(wǎng)通信技術、計算機數(shù)據(jù)分析與挖掘技術等構建家居物聯(lián)網(wǎng)，組建家居管控平臺系統(tǒng)，為家居生活提供舒適、多樣、安全、便捷、環(huán)保、節(jié)能、更健康、智能化調(diào)控的家居環(huán)境以及家居管理系統(tǒng)。其對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測直接關系智慧家居系統(tǒng)對家居環(huán)境條件的感知能力以及環(huán)境條件布設與調(diào)控的精準性和及時性，在智慧家居中發(fā)揮著重要作用。

在監(jiān)測要素層面，由于家居環(huán)境空氣質量受到室外大氣環(huán)境條件、家居裝修條件、天然氣使用情況、房屋封閉狀態(tài)、生活揚塵，以及可能的火災隱患等多重因素影響，對空氣成分及其含量的有效監(jiān)測，對家居空氣調(diào)節(jié)、防范燃氣、火災等安全風險方面具有重要意義；而恒定的室內(nèi)溫濕度，是保證家居健康以及高質量生活體驗的重要因素，需要對于室內(nèi)溫濕度有較為精準和覆蓋家居多區(qū)域的感知能力；同時，由于家居環(huán)境每日天光受到日照環(huán)境影響，對日照和室內(nèi)光線的感知是家居生活照明調(diào)控以及溫度控制的重要指標，其光照感知能力關乎室內(nèi)光照氛圍的營造，并與室內(nèi)溫度變化有著密切的關聯(lián)，也需要有效監(jiān)測與感知。

在監(jiān)測技術層面，智慧家居中室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測主要包含了室內(nèi)溫濕度、VOC、PM2.5等環(huán)境參數(shù)，監(jiān)測方法先后經(jīng)歷了人工現(xiàn)場監(jiān)測、在線監(jiān)測、基于ZigBee和GPRS等局域網(wǎng)的監(jiān)測方式，以及通過智能硬件終端監(jiān)測環(huán)境參數(shù)與采集數(shù)據(jù)，并通過Wi-Fi模塊傳輸至云平臺，并利用微信小程序進行查詢管控的新模式等[1]。

2智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計

2.1SMT32主控芯片

STM32主控芯片以ARMCortex-M為內(nèi)核，可以提供不同的性能和功能選擇，支持Thumb-2指令集，具有低功耗、高性能、高效代碼密度、高安全性等特點；其產(chǎn)品線和生態(tài)系統(tǒng)豐富，集成了輸入輸出引腳、數(shù)模轉換器、多種通信接口以及定時器、DMA、RTC、LCD控制器、音頻接口、觸摸傳感器等多類外設和接口；且生產(chǎn)技術工藝成熟。

在智慧家居多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計上，常基于STM32主控芯片構建監(jiān)測軟硬件系統(tǒng)。以STM32為核心，集成各類傳感器模塊，構建各類室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過對室內(nèi)溫濕度、光照條件、空氣質量、某類氣體及其含量或濃度等的實時精準感知與監(jiān)測，為智慧家居環(huán)境監(jiān)測以及預警和決策控制提供支持。相關研究數(shù)據(jù)表明，其基于SMT32的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，其監(jiān)測精度，溫度可達到0.1℃，濕度可到2%RH，光照強度在0—1000Lux之間，PM2.5濃度變化在0—500ug/m之間，具有較高的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測準確性和穩(wěn)定性。

2.2系統(tǒng)總體方案設計與功能定義

基于智慧家居對環(huán)境溫濕度、空氣質量以及光照等因素的監(jiān)測需要，需要融合多種傳感器進行系統(tǒng)構建，并實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制、無線數(shù)據(jù)傳輸、云服務、Android應用等功能。在功能定義上主要包括以下內(nèi)容：

（1）采集和監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)；

（2）采集和監(jiān)測室內(nèi)的空氣質量數(shù)據(jù)；

（3）采集和監(jiān)測室內(nèi)的煙霧數(shù)據(jù)；

（4）超過設定閾值自動警示；

（5）在系統(tǒng)LCD屏顯示各項數(shù)據(jù)；

（6）利用手機APP實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境；

2.3系統(tǒng)總體方案設計

在技術層面，基于STM32芯片在多傳感器融合上的優(yōu)勢，需要以STM32微處理器芯片為核心，集成多類傳感器技術，并采用嵌入式系統(tǒng)方式和相應的數(shù)據(jù)處理算法等構建室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對室內(nèi)空氣質量的實時監(jiān)測、分析以及預警等功能。

在感知層面，需要基于環(huán)境監(jiān)測需要，在室內(nèi)環(huán)境布設一定數(shù)量和種類的光線、溫濕度、空氣質量等方面的傳感器模塊；在通信層面，需要采用Wi-Fi模塊和云端服務器等一定的通信技術模塊進行數(shù)據(jù)傳輸；在信息數(shù)據(jù)處理方面，主要采用云端服務器進行數(shù)據(jù)的存儲和分析；在應用層面，主要通過手機APP與服務器進行后臺進行連接，以及實現(xiàn)監(jiān)測查詢和手動控制等功能。

2.4系統(tǒng)架構設計

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，需要采集模塊能夠實現(xiàn)對室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)的實時采集，以及迅速將采集到的信息上傳至云服務器進行進一步的處理的功能，包含了利用傳感器數(shù)據(jù)采集和Wi-Fi無線數(shù)據(jù)傳輸兩個部分任務；并需要增加蜂鳴器模塊、模擬報警器功能等，對異常監(jiān)測數(shù)據(jù)進行警報和采取必要的決策措施，為高效的火災監(jiān)測系統(tǒng)提供支持；并利用液晶顯示屏進行可視化的交互操作，保證為用戶提供可靠、友好的人機交互體驗。其具體系統(tǒng)架構如圖1所示，該架構主要采用意法半導體公司的ARM芯片STM32F103C8T6作為主控核心，采用DHT11、MQ-135、光敏電阻和BMP280等高精度傳感器進行信息采集，并采用ESP8266Wi-Fi模塊保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、穩(wěn)定和安全。

除前述良好的芯片性能，系統(tǒng)中，DHT11溫濕度復合傳感器模塊能夠提供精確校準的數(shù)字信號輸出，在響應速度、抗干擾能力和經(jīng)濟性方面也具有良好的品質，可以保證模塊的可靠性和穩(wěn)定性；MQ-135氣體傳感器采用SnO2作為氣敏材料，基于材料電導率與空氣質量變化間的關系進行空氣質量監(jiān)測，可以靈敏感知空氣中氨氣、硫化物、苯系蒸氣等有害氣體的存在，且具有一定的性價比；BMP280氣壓傳感器具有小尺寸、高精度、低功耗、高穩(wěn)定性和通信接口標準化等特點，可以良好匹配該應用場景；而MQ-7CO傳感器以及和MQ-2煙霧濃度傳感器也是環(huán)境監(jiān)測中常用的感知元件，在煙霧探測與感知方面具有較好的穩(wěn)定性和性價比；ESP8266模塊良好的通信性能和超低功耗特點，在保證通信性能的同時，可以有效降低實時監(jiān)測與通信能耗，提升系統(tǒng)的綜合效能。該系統(tǒng)架構不僅可以及時、有效地采集和監(jiān)測家居室內(nèi)環(huán)境的各項指標參數(shù)，還可以基于對監(jiān)測參數(shù)閾值變化進行自動報警，以及采取必要的管控決策措施等，確保家居環(huán)境的安全與健康。

2.5軟硬件設計

該系統(tǒng)軟件邏輯如圖2所示，主要采用Keil5、AltiumDesigner進行軟件開發(fā)和電路設計。

在硬件設計上，該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)進行電路設計，采用中景園的0.96寸OLED屏幕作為信息呈現(xiàn)與交互的核心組件，采用低電平觸發(fā)有源蜂鳴器進行預警提示；采用獨立按鍵布設操控界面，進行菜單管理、確認、加、減等操控功能；通過中斷服務程序或輪詢程序處理按鍵事件；并搭設相應的氣體傳感器、溫濕度傳感器以及氣壓傳感器以及通信模塊的電路。

在軟件設計上，基于SMT32接口特點，需要通過對設備、端口、網(wǎng)絡接口等的配置和初始化，以及數(shù)據(jù)采集、轉換、合并上傳等聯(lián)通感知數(shù)據(jù)的采集與應用[2]；通過匹配適宜的算法模型，對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波和轉換等處理，提升采集數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性；并利用程序語言規(guī)范對數(shù)據(jù)的傳輸和存儲功能，確保數(shù)據(jù)的完整性和可訪問性；以及創(chuàng)建Wi-Fi.h和Wi-Fi.c文件，對Wi-Fi模塊進行初始化；并利用機智云物聯(lián)網(wǎng)自助開發(fā)平臺制作應用APP，并主要采用ESP-01模塊和TCP通信協(xié)議進行平臺連接。

2.6系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要包括安裝Keil軟件、新建項目、項目配置、源代碼整合、調(diào)試參數(shù)設定、編譯項目、啟動調(diào)試、程序分析以及修復問題和重復調(diào)試等步驟。主要采用轉關觀察分析以及利用示波器、邏輯分析等工具等進行調(diào)試分析。

對STM32硬件開發(fā)板的調(diào)試，首先需要檢查所有硬件的連接可靠性，確保接口牢固，識別虛焊或短路等問題，并進行處理；然后進行通電和電源管理檢查，觀察通電指示燈，確認供電正常；利用調(diào)試接口發(fā)送測試指令或是讀取設備狀態(tài)等，與STM32開發(fā)板進行通信，檢查系統(tǒng)通信是否正常；并對GPIO、ADC、I2C等接口以及傳感器等進行功能測試，以及系統(tǒng)運行測試和功耗測試等。

3慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計策略

3.1系統(tǒng)效能優(yōu)化

為保證和有效提升監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測的及時性和準確性。確保系統(tǒng)的安全、可靠與穩(wěn)定運行，以及降低系統(tǒng)構建成本等，需要采取必要的優(yōu)化策略進行優(yōu)化設計。

其一，在傳感器選擇層面，需要基于系統(tǒng)對環(huán)境感知的功能和性能要求，綜合對比當下市面各類傳感器模塊或產(chǎn)品的功能特點、性能指標以及采購價格、配套服務等，配置適宜的傳感器組件；在傳感器應用層面，需要對傳感器模塊進行初始化設置和感知檢測校準，確保感知的數(shù)據(jù)信息準確可靠；同時，因感知信號大多為模擬信號，且容易受到電源、環(huán)境的等因素的干擾，需要對采集的信號進行濾波、模數(shù)轉換處理，為數(shù)據(jù)分析提供有效且精準的數(shù)據(jù)信息；在數(shù)據(jù)處理層面，需要基于功能需要匹配適宜的算法模型，并根據(jù)環(huán)境條件特點，對算法模型進行優(yōu)化，確保數(shù)據(jù)分析的有效性和精準性。

其二，在功能層面，基于STM32強大式算力和多傳感器融合效能，以及室內(nèi)環(huán)境場景變化以及用戶體驗高品質需要，構建智能化、個性化的環(huán)境感知、監(jiān)測與分析策略。綜合環(huán)境指標參數(shù)采集、數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析、閾值設計等設計細節(jié)，通過優(yōu)化環(huán)境模式、構建基于最優(yōu)化算法的環(huán)境深度感知與分析模型等[3]，對監(jiān)測環(huán)境進行監(jiān)測、分析與預測，提升系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境感知的靈敏度、動態(tài)性和個性化調(diào)控能力等，為家居環(huán)境智能化調(diào)控以及提升用戶體驗品質等提供支持。

其三，在檢測系統(tǒng)設計層面，需要從數(shù)據(jù)流、信息流、通信網(wǎng)絡結構等角度對系統(tǒng)進行性能優(yōu)化。比如，通過采用嵌入式的系統(tǒng)結構，優(yōu)化系統(tǒng)架構，改善數(shù)據(jù)采集與處理流程等，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院途珳市?，以提升系統(tǒng)的綜合應用效能。

3.2系統(tǒng)硬件優(yōu)化

為匹配適宜的硬件電路以支撐室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運行，確保系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、可靠，在電路設計時，需要從多方面進行考慮。

其一，在傳感器選擇與接口方面，在匹配適宜的傳感器設備的同時，需要設計適當?shù)慕涌陔娐?，確保傳感器數(shù)據(jù)能夠準確、可靠地被STM32微控制器采集和傳輸；其二，在電源穩(wěn)定性方面，在匹配穩(wěn)定的電源模塊的同時，采取一定的濾波和穩(wěn)壓措施，減少電源噪聲和波動對間的系統(tǒng)信號采集與傳輸?shù)鹊挠绊懀_保系統(tǒng)穩(wěn)定工作；其三，在信號處理方面，需要設計適宜的模數(shù)轉換和濾波電路，提升信號的可靠性和準確性，為信號傳輸與數(shù)據(jù)處理提供精準的數(shù)據(jù)信息；其四，在數(shù)據(jù)存儲與傳輸方面，主要采用符合系統(tǒng)需求存儲量和通信流量、傳輸速率的存儲心芯片、存儲卡以及Wi-Fi通信模塊，進行數(shù)據(jù)采集和傳輸至云服務器或其他目標終端；其五，在人機交互方面，主要利用液晶顯示器、LED指示燈、蜂鳴器等元器件，實現(xiàn)系統(tǒng)與人在操作和預警等層面的人機交互，并充分考慮人的視覺、聽覺、手指操作特性進行交互設計。

最后，在系統(tǒng)性能優(yōu)化方面，一方面，通過模塊化的設計理念，確保系統(tǒng)各部分能夠獨立工作和便于日后的維修與升級操作；一方面，在電路設計過程中，尤其注重低功耗的電路設計與元器件選擇，通過選擇低功耗元件、實時動態(tài)電源管理、優(yōu)化時鐘頻率等措施等，提升電源管理效能，以延長系統(tǒng)工作時間和最大化減少能源消耗。

4總結

綜上所述，智慧家居中多傳感器融合的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設計，需要基于應用場景和環(huán)境指標調(diào)控需要，匹配適宜的傳感器數(shù)量和種類；綜合系統(tǒng)監(jiān)測功能與性能要求，相關軟硬件產(chǎn)品的性能和成本，環(huán)境監(jiān)測指標在監(jiān)測精準性上的要求，以及監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性等，從多角度進行綜合設計考量，進而開展芯片選擇、軟硬件系統(tǒng)架構搭建、電路設計、軟件開發(fā)以及系統(tǒng)調(diào)試等工作，構建起符合系統(tǒng)建設要求和保障系統(tǒng)運行效能的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻

［1］朱兆豐，劉靜琦，周振虎，等.基于STM32的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2021，11（06）：6-9.

[2]吳楊博，閆金萌，胡海峰.基于ESP8266的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].通信與信息技術，2024，（02）：10-14.

[3]王淼.基于STM32的智能家居聯(lián)動控制設計[D].臨沂大學，2024.