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(jì)與分析

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)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(lái)，隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，人們對(duì)于生活質(zhì)量的追求也越來(lái)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(duì)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(cè)、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(shí)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(cè) 室內(nèi)環(huán)境 數(shù)據(jù)采集 云服務(wù)器

物聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)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(guò)信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別與管理。目前，我國(guó)主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市運(yùn)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(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，改變了人們傳統(tǒng)的生活方式。現(xiàn)在足不出戶便可安排任何事情，人們?cè)诜忾]環(huán)境的時(shí)間自然也大幅增加，大部分人70%-90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的，因而室內(nèi)空氣問(wèn)題比室外空氣污染對(duì)人體健康的影響更大。

然而，這種市場(chǎng)背景下，目前已經(jīng)推出的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)功能，缺少對(duì)于數(shù)據(jù)的分析以及由此衍生出的個(gè)性化推薦服務(wù)，部分產(chǎn)品雖然做到了監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，但是產(chǎn)品本身卻局限于“監(jiān)測(cè)”，無(wú)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(cè)、數(shù)據(jù)分析以及個(gè)性化推薦服務(wù)甚至聯(lián)動(dòng)空氣凈化器于一體的“智能”監(jiān)控解決方案需求明顯。

同時(shí)，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(shì)。因此筆者結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一款幫助居民對(duì)室內(nèi)環(huán)境高度認(rèn)識(shí)以及重視的具體應(yīng)用，命名為“我愛(ài)我家”。

1 功能設(shè)計(jì)

“我愛(ài)我家”項(xiàng)目是在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)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(xiàng)目通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)收集并發(fā)布用戶比較敏感的室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)：溫度、濕度、PM2.5，使得用戶家中環(huán)境指標(biāo)清晰可見(jiàn)，能夠及時(shí)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(dá)到真正的“我愛(ài)我家”。系統(tǒng)包括硬件數(shù)據(jù)采集端、云端服務(wù)器、移動(dòng)終端APP組成。移動(dòng)端的主要功能如下：

1.1 室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)展示

用戶可以隨時(shí)在移動(dòng)端觀察到室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及下一時(shí)刻或者下一天的某一時(shí)刻的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)的預(yù)測(cè)值。

1.2 設(shè)備聯(lián)動(dòng)

設(shè)備聯(lián)動(dòng)功能只有在硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備和空氣凈化器或者空氣加濕器綁定在一起時(shí)才會(huì)生效。當(dāng)室內(nèi)環(huán)境指數(shù)趨于異常時(shí)，云端會(huì)立即識(shí)別指數(shù)異常并向移動(dòng)應(yīng)用端發(fā)送異常信息，此時(shí)用戶可以根據(jù)提示直接控制與數(shù)據(jù)硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)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(cè)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(shí)用戶可能并沒(méi)有意識(shí)到所處環(huán)境的危害性，但是“我愛(ài)我家”云端服務(wù)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析早已察覺(jué)，便會(huì)向用戶發(fā)出“警報(bào)”， 告之用戶此時(shí)所處環(huán)境的危害，并且有針對(duì)性的推薦與之配套的可以聯(lián)動(dòng)的空氣加濕器等相關(guān)產(chǎn)品。

1.4 排名

“我愛(ài)我家”云端服務(wù)器數(shù)據(jù)處理中心會(huì)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(duì)所采集的每個(gè)家庭用戶的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)（以周為單位）進(jìn)行評(píng)分。移動(dòng)應(yīng)用端則會(huì)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(ài)我家”的移動(dòng)端應(yīng)用內(nèi)部分享自己居家清潔的妙招或者心得體會(huì)。

2 設(shè)計(jì)思路

“我愛(ài)我家”項(xiàng)目以用戶比較敏感的室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)：溫度、濕度、PM2.5為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)時(shí)分析室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量。它主要由三個(gè)部分構(gòu)成，包括硬件數(shù)據(jù)采集端，云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析以及移動(dòng)應(yīng)用端。

硬件數(shù)據(jù)采集端主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集并傳輸室內(nèi)環(huán)境指標(biāo)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(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并建模分析，以便對(duì)不同的用戶提出有針對(duì)性的服務(wù)意見(jiàn)，移動(dòng)應(yīng)用端則主要負(fù)責(zé)向用戶展示實(shí)時(shí)的室內(nèi)環(huán)境指數(shù)，并且及時(shí)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(shí)采取何種有效的解決方案去應(yīng)對(duì)家中環(huán)境的變化。

2.1 硬件數(shù)據(jù)采集端

“我愛(ài)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(wú)線Wi-Fi串口模塊實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器可以通過(guò)Internet傳輸指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)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?cè)谠贫私⒁韵氯齻€(gè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)未來(lái)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)：

（1）“濾波”算法將對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑去噪處理。

（2）室內(nèi)環(huán)境的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）室內(nèi)PM2.5濃度預(yù)測(cè)模型采用季節(jié)效應(yīng)分析具有周期性的時(shí)間序列的方法，把一天作為一個(gè)周期，把每個(gè)小時(shí)作為一個(gè)“季節(jié)”，由此預(yù)測(cè)未來(lái)一天中各小時(shí)的PM2.5值。

2.3 移動(dòng)端APP的實(shí)現(xiàn)

我們?cè)贏ndroid系統(tǒng)上使用xUtils框架來(lái)開(kāi)發(fā)移動(dòng)端應(yīng)用APP，它通過(guò)HTTP協(xié)議與云端服務(wù)器進(jìn)行通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

在室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)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(shí)現(xiàn)能夠有效的幫助更多的人意識(shí)到室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題的嚴(yán)重性，及早預(yù)防因室內(nèi)環(huán)境問(wèn)題而帶來(lái)的一系列不良影響，現(xiàn)實(shí)意義明顯。

“我愛(ài)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(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，還會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效的分析并向用戶提供有針對(duì)性的解決方案。除此之外，它還能聯(lián)動(dòng)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(cè)、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(wèn)題解決方案，未來(lái)發(fā)展意義顯著。

作者簡(jiǎn)介

黃菡（1995-），女，安徽省安慶市人。現(xiàn)為中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)信息與安全工程學(xué)院大學(xué)本科在讀學(xué)生。主要研究方向?yàn)楣芾硇畔⑾到y(tǒng)。

作者單位

中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)信息與安全工程學(xué)院 湖北省武漢市 430073