基于WiFi 技術的家居環境監測系統的設計與研究

王麗偉　鄔迎

摘要：隨著智能手機的普及，其他相關的嵌入式的智能產品如雨后春筍般涌現出來，智能環境監測系統就是此產物。目前市場上80%以上的智能環境監測系統的硬件設備的組網技術都是基于ZigBee組網技術，ZigBee組網方案存在兼容性差、穩定性差、抗干擾能力弱等缺點，基于WiFi的組網方案具有信號強、控制靈敏、方便遠程控制等優勢。該文采用WiFi技術來實現家居環境監測系統，實現了對家居環境的檢測、報警，從而使用戶能夠實時監測家中的環境狀況，能夠及時調整到人居住舒服的環境狀態。

關鍵詞：WiFi技術；ZigBee技術；智能環境；監測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0049-02

1 概述

隨著人們生活水平的提高，人們對生活質量和健康問題越來越重視，應運而生了很多圍繞人們的生活、方便人們生活的應用軟件。比如：目前市場上的各種各樣的物聯網產品。“SmartHome”這一名詞出現于20世紀80年代，是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、安全防范技術、網絡通信技術、 自動控制技術將與家居生活相關的設施集成在一起，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，從而提升家居安全性、舒適性、便利性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備（如：照明系統、音視頻設備、窗簾控制、家電控制、安防系統、影音服務器、數字影院系統、影柜系統、網絡家電等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程定時控制等多種功能和手段。

基于WiFi家居環境監測系統核心是傳感器數據的實時采集、顯示以及報警功能。通過傳感器數據的實時采集和分析，做出所需求的反應，及時提醒用戶居住環境的健康狀況，從而及時調整居住環境的各項指標，提高居住環境的舒適度。

本文基于WiFi組網技術實現了家居環境監測系統，在兼容性、穩定性和抗干擾性等方便做出了改進。將本系統應用與實際的家居環境中，通過兩年的使用，發現本系統的穩定性較好，靈敏度較好，安全性較高。能夠對家居環境實時檢測并及時通知用戶，達到了家居環境監測的目的。

2 系統設計方案

系統采用物聯網架構模型，根據物聯網架構分三層：應用層、網絡層、感知層。

應用層：主要包括各類專門針對某行業的應用軟件。比如：遠程醫療、污染監控、智能家居、智能檢索、智能交通、智能環境等應用軟件。

網絡層：主要是對硬件設備采集到的數據進行加工和傳輸。目前所用到的主要平臺有云計算平臺、移動通訊網絡、互聯網等。

感知層：對監測或控制對象進行指標值的采集，并將采集到的數據，按照約定的網絡協議進行封裝和加密，將最終封裝完的數據通過網絡層傳遞給應用層程序。

本系統架構圖如圖1所示：

本系統主要包括三個核心部分，1）傳感器設備的數據采集：本系統采用51單片機作為傳感器設備的控制器，將采集到的數據通過路由器傳輸到服務器中；2）服務器對單片機發送過來的數據按照雙方約定的協議進行解析和存儲，并將所需的數據發送給對應的終端設備；3）終端設備從服務器獲取傳感器設備采集到的數據，展示給用戶。

3 系統硬件結構設計

本系統的硬件結構主要包括兩部分：傳感器設備、控制器。

3.1 傳感器設備

目前本套家居環境監測系統兼容的傳感器有：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測室內溫濕度的值，當溫濕度值超出了人舒適度的時候，給用戶發出預警提示，提醒用戶調整室內溫濕度；一氧化碳傳感器主要用于廚房內一氧化碳濃度的檢測，當發現一氧化碳濃度超標時，立即給用戶發出報警信息；二氧化碳傳感器用于采集室內二氧化碳濃度，當濃度過高及時提醒用戶采取通風措施，降低室內二氧化碳的濃度值；紅外傳感器用于監測室內人的活動范圍和活動時間，對于用戶家中有老人和小孩的家庭非常重要，能夠達到老人和孩子看護的功能。

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，因為該款單片機具有外圍電路簡單、硬件設計方便、IO操作簡單、價格便宜、資源豐富等諸多優勢，能非常好的滿足家居環境監測系統對底層控制器的設計要求。該單片機的封裝如圖2所示。

通過P0.0-P0.7引腳外接傳感器設備，并采集傳感器設備的數據進行加工和處理，然后通過單片機的外圍電路的WiFi模塊將加工后的數據上傳到服務器中。每一個傳感器設備都連接有一個單片機控制板，控制板上的WiFi模塊可以實現家庭自組網，將家中所有的傳感器設備接入局域網中。傳感器設備的數據在局域網中發送和接收，大大提高了系統的可靠性、穩定性、安全性。

4 系統軟件設計

系統軟件設計包括服務器的設計與實現、移動端APP的設計與實現。這兩部分分別位于系統架構中的網絡層和應用層，實現了數據的接收/發送、解析/存儲、展示/報警等功能。

4.1 服務器的設計與實現

服務器采用的是基于JavaWeb技術的設計案，使用jsp+jdbc +mysql+tomcat的架構模式，實現了對單片機數據的監聽、解析、存儲，對一些超標值和異常狀況進行及時報警提醒用戶。服務器另外一個重要的核心功能是對后臺數據的管理，用戶或管理員可以根據自己的權限修改某些指標值。目前本系統的服務器部署在阿里云服務器上。

4.2 移動端APP的設計與實現

移動端APP是基于Android平臺開發實現的，主要包括房間配置、設備配置、情景模式配置等功能模塊。可以根據用戶房間的實際情況配置系統的房間，并將對應的傳感器設備配置到對應的房間中。用戶可以根據需要配置情景模式，方便用戶不同場合使用本系統。

移動端APP另外一個重要的核心模塊是對傳感器設備監測的數據以曲線圖的形式呈現給用戶，用戶可以直觀的了解室內的環境狀況以及室內某一指標值的走勢。

5 結論

本文首先介紹了智能家居應用的范圍、應用的場合，其次詳細介紹了基于WiFi技術的家居環境監測系統的架構，并對架構的各個部分的功能進行了詳細的描述。最后從系統的可靠性、安全性、穩定性、方便性等方面對本系統的軟硬件部分進行了詳細的闡述。

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