基于物聯網技術的智能家居環境監測系統設計

龐博

（商丘職業技術學院 機電工程系 河南省商丘市 476000）

隨著科技發展，物聯網技術從誕生到在生活中廣泛應用，人們已經習慣了愈加舒適和智能的居家生活環境，同時對居住環境的智能化提出了更高的要求。本文在研究和總結現有物聯網智能家居監控系統基礎上，設計了一種基于物聯網的嵌入式室內環境監控系統。通過人工神經網絡和模糊邏輯理論來綜合評估家庭環境的舒適性。

1 物聯網和智能家居環境監測系統概述

1.1 物聯網概述

物聯網最初是在1999年提出的。物聯網（Internet of Things），實現嵌入式物理設備接入互聯網，即萬物互聯。它不再是傳統意義上的互聯網，其網絡終端不僅包括傳統的PC、移動電話等設備，更擴展到了可以交換信息的各種對象，如物聯網技術廣泛應用的汽車、家用電器等設備。接入互聯網的各種設備，都可以自動工作，通過設備攜帶的傳感器感知環境變化，再由軟件分析處理數據并與其他連網設備交換數據，最終控制這些設備做出對應的反應，整個過程完全不需要人為參與。因此，物聯網是無線網和互聯網的結合而構建，其目的就是提高設備的設備和系統的工作效率和準確性。物聯網廣泛應用在交通、家居、農業、物流、環境等多個領域。

1.2 智能家居環境監測系統概述

智能家居環境監測是利用物聯網技術實現對居家環境的監控，使住宅本身與環境控制、設備終端管理與維護的有機結合。利用計算機技術，無線通信與互聯網技術以及相關設備，實現了對照明、溫濕度、安防感應等居家環境數值的監測和控制，創造安全舒適節能的家居生活氛圍。與傳統的家庭環境相比，家庭智能環境監控系統具有智能化的特點，具有完整的通訊和信息處理能力，家人只需要在系統中設置好需要的環境數值，系統便可控制接入終端設備自動工作，極大的簡化了舒適家居環境營造的人力和時間成本。

2 智能家居環境監測系統需求分析和解決方案

2.1 智能家居環境監測系統需求分析

根據智能家居環境監測系統（以下簡稱系統）應用的市場調查發現，人們對室內家居監控設備的配置要求差異明顯。對室內環境舒適度有較高要求的高收入人群對系統提出了更高的要求：對于普通家庭，僅需具備通用的監控設備。但是無論哪種收入階層，對未來的智能家居生活都有較高的期待值。系統在一般開發任務基礎上重點考慮了需要監測的四個室內環境因素，即室內的溫度、濕度、照度和CO2濃度，通過對室內空氣進行科學分析，來匹配居民設定的室內空氣舒適度范圍。

圖1：家居智能監測系統結構圖

圖2：QT 工作流程圖

系統需要配備可視化操作界面，以使居民能夠通過系統得到良好的人機交互體驗。結合現有的開發經驗，并通過現場調查，確定本系統的開發任務如下：

（1）溫度，濕度，光照強度和CO2濃度四個環境因素的數值實時采集：

（2）連網家用設備狀態監測和實時控制，以便對室內環境進行科學評估，為系統控制設備自動工作提供基礎；

（3）最大化降低系統成本；

（4）簡化布線；

（5）可視化的操作界面。

2.2 智能家居環境監測系統需求的解決方案

智能家居環境監測系統需要解決的問題有：首先，使用傳感器（溫度，濕度，照度，CO2濃度）分別實時采集室內溫度，濕度，照度和CO2濃度數據。傳感器應在不影響房間美觀的基礎上，安裝在房間的幾個關鍵位置，并為傳感器同意編碼，以便唯一標識每個傳感器。二是環境數據采集。由傳感設備統一采集大量環境數據，構建科學合理的智能家居數據庫系統，實現對設備狀態分的實施監控，進而對室內環境進行科學評估。三是成本控制。傳感器、傳輸設備和控制器等硬件盡可能選用低成本產品，使智能家居系統的成本最小化。四是用ZigBee 無線傳輸終端監控網絡代替電纜進而減少線路改造和重新布線的問題。最后，系統控的制界面設計。要具有良好的可視化人機操作界面，完成QT4 的GUI 設計。如此用戶可以輕松地對室內環境信息進行統計、設置和分析。

3 智能家居環境監測系統架構與功能設計

3.1 系統的功能模塊

物聯網家庭環境的智能檢測系統可分為三個主要層次，即用戶服務層，傳輸層和下層獲取層，如圖1。

用戶服務層主要將收集的數據與數據庫進行通信。其中串口解析協議起著關鍵作用，它可以與下端的傳感器采集設備進行交互，接受主程序發送的命令并處理這些數據命令。數據庫用于存儲、操作和維護環境數據，所以數據庫存儲技術非常重要，必須保證數據具有較高的存儲安全性和運行效率。用戶層是整個智能家居環境監控系統的大腦。在傳輸層，我們主要采用ZigBee 傳感器[1]模塊進行信息傳輸工作。每個ZigBee 節點模塊都嵌入到智能家居控制系統中的傳感器設備中，ZigBee 協調器與家用路由網關結合，將ZigBee 節點通過協調器網關連接到云服務器，用戶可通過電腦，或者移動終端進行遠程監督與控制。在下端采集層中，我們可以通過各種傳感器收集信息，這使我們能夠充分了解室內環境信息。

3.2 功能設計

本智能家居環境監控系統主要包括：中央管理模塊，溫度監控模塊，濕度監控模塊，CO2濃度監控模塊和照明監控[3]模塊。

（1）中央管理模塊。該模塊具有全局管理功能，主要負責系統的數據維護、室內環境資源的收集和分析、數據庫的存儲和維護等。

（2）溫濕度監控模塊。該模塊用于監控室內環境的溫度和濕度，并實時收集數據，以便及時判斷室內空間的舒適度。

（3）二氧化碳濃度監測模塊。該模塊能夠對室內環境中二氧化碳濃度進行實時檢測，一旦CO2濃度超過標準，系統會發出警報以提示用戶對可能原因進行排查。

（4）照明監控模塊。該模塊可實時收集室內照明數據，以評估室內照明條件，根據數據分析來自動開啟相應照明設備。

4 智能家居環境監測系統軟硬件實現

4.1 嵌入式硬件平臺

嵌入式系統主要由硬件和軟件組成。軟件部分包括linux-2.6.29操作系統[4]和應用程序軟件。用戶的交互式界面GUI[5]，傳感器采集模塊的驅動程序和其他應用程序在Linux 系統上運行。硬件部分主要包括中央處理器、溫濕度采集模塊，光強信息采集功能模塊，二氧化碳濃度采集模塊以及串口，網卡等外圍接口電路。該系統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展模塊等特點，適合本系統的開發要求。

4.2 系統軟件設計

Linux 支持多種網絡協議及其出色的網絡通信能力和性能的穩定性，使其成為系統開發的首選。內核包括根文件系統（RFS）、內存管理（MM）、進程管理（PM）以及設備驅動程序（DD）。Ubuntu 操作系統在虛擬機VM ware6.0 上運行可以有效避免由底層設備驅動程序的跨平臺而引起差異，同時，我們可以在虛擬機上完全構建室內智能家居開發環境。

4.3 用戶界面程序設計

使用QT4 設計了GUI 可視化人機界面。通過用戶界面程序可以實時查看環境信息，快速對環境信息進行設置。QT 工作流程圖如圖2。

5 結語

本智能家居環境監控系統，較為全面的考慮了影響室內環境的主要因素，通過對應的功能模塊收集并處理數據，對居家環境進行智能監控和分析，為用戶提供舒適安全的居住環境提供幫助。本系統也有不完善之處，例如系統目前尚不能實現依據環境數據進行自動設置，所有的設置仍需要用戶手動完成，這是今后要努力的方向，即讓現有的家庭化境檢測系統實現真正自動化、智能化，推動綠色低碳和舒適安全的居家環境革命。