基于WiFi 技术的家居环境监测系统的设计与研究

    王丽伟　邬迎

    

    

    摘要：随着智能手机的普及，其他相关的嵌入式的智能产品如雨后春笋般涌现出来，智能环境监测系统就是此产物。目前市场上80%以上的智能环境监测系统的硬件设备的组网技术都是基于ZigBee组网技术，ZigBee组网方案存在兼容性差、稳定性差、抗干扰能力弱等缺点，基于WiFi的组网方案具有信号强、控制灵敏、方便远程控制等优势。该文采用WiFi技术来实现家居环境监测系统，实现了对家居环境的检测、报警，从而使用户能够实时监测家中的环境状况，能够及时调整到人居住舒服的环境状态。

    关键词：WiFi技术；ZigBee技术；智能环境；监测

    中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）13-0049-02

    1 概述

    随着人们生活水平的提高，人们对生活质量和健康问题越来越重视，应运而生了很多围绕人们的生活、方便人们生活的应用软件。比如：目前市场上的各种各样的物联网产品。“SmartHome”这一名词出现于20世纪80年代，是以住宅为平台，利用综合布线技术、安全防范技术、网络通信技术、 自动控制技术将与家居生活相关的设施集成在一起，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，从而提升家居安全性、舒适性、便利性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备（如：照明系统、音视频设备、窗帘控制、家电控制、安防系统、影音服务器、数字影院系统、影柜系统、网络家电等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。

    基于WiFi家居环境监测系统核心是传感器数据的实时采集、显示以及报警功能。通过传感器数据的实时采集和分析，做出所需求的反应，及时提醒用户居住环境的健康状况，从而及时调整居住环境的各项指标，提高居住环境的舒适度。

    本文基于WiFi组网技术实现了家居环境监测系统，在兼容性、稳定性和抗干扰性等方便做出了改进。将本系统应用与实际的家居环境中，通过两年的使用，发现本系统的稳定性较好，灵敏度较好，安全性较高。能够对家居环境实时检测并及时通知用户，达到了家居环境监测的目的。

    2 系统设计方案

    系统采用物联网架构模型，根据物联网架构分三层：应用层、网络层、感知层。

    应用层：主要包括各类专门针对某行业的应用软件。比如：远程医疗、污染监控、智能家居、智能检索、智能交通、智能环境等应用软件。

    网络层：主要是对硬件设备采集到的数据进行加工和传输。目前所用到的主要平台有云计算平台、移动通讯网络、互联网等。

    感知层：对监测或控制对象进行指标值的采集，并将采集到的数据，按照约定的网络协议进行封装和加密，将最终封装完的数据通过网络层传递给应用层程序。

    本系统架构图如图1所示：

    本系统主要包括三个核心部分，1）传感器设备的数据采集：本系统采用51单片机作为传感器设备的控制器，将采集到的数据通过路由器传输到服务器中；2）服务器对单片机发送过来的数据按照双方约定的协议进行解析和存储，并将所需的数据发送给对应的终端设备；3）终端设备从服务器获取传感器设备采集到的数据，展示给用户。

    3 系统硬件结构设计

    本系统的硬件结构主要包括两部分：传感器设备、控制器。

    3.1 传感器设备

    目前本套家居环境监测系统兼容的传感器有：温湿度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、红外传感器。温湿度传感器用于监测室内温湿度的值，当温湿度值超出了人舒适度的时候，给用户发出预警提示，提醒用户调整室内温湿度；一氧化碳传感器主要用于厨房内一氧化碳浓度的检测，当发现一氧化碳浓度超标时，立即给用户发出报警信息；二氧化碳传感器用于采集室内二氧化碳浓度，当浓度过高及时提醒用户采取通风措施，降低室内二氧化碳的浓度值；红外传感器用于监测室内人的活动范围和活动时间，对于用户家中有老人和小孩的家庭非常重要，能够达到老人和孩子看护的功能。

    3.2 控制器

    控制器的处理器芯片采用的是ATMEL 公司的AT89C51芯片，因为该款单片机具有外围电路简单、硬件设计方便、IO操作简单、价格便宜、资源丰富等诸多优势，能非常好的满足家居环境监测系统对底层控制器的设计要求。该单片机的封装如图2所示。

    通过P0.0-P0.7引脚外接传感器设备，并采集传感器设备的数据进行加工和处理，然后通过单片机的外围电路的WiFi模块将加工后的数据上传到服务器中。每一个传感器设备都连接有一个单片机控制板，控制板上的WiFi模块可以实现家庭自组网，将家中所有的传感器设备接入局域网中。传感器设备的数据在局域网中发送和接收，大大提高了系统的可靠性、稳定性、安全性。

    4 系统软件设计

    系统软件设计包括服务器的设计与实现、移动端APP的设计与实现。这两部分分别位于系统架构中的网络层和应用层，实现了数据的接收/发送、解析/存储、展示/报警等功能。

    4.1 服务器的设计与实现

    服务器采用的是基于JavaWeb技术的设计案，使用jsp+jdbc +mysql+tomcat的架构模式，实现了对单片机数据的监听、解析、存储，对一些超标值和异常状况进行及时报警提醒用户。服务器另外一个重要的核心功能是对后台数据的管理，用户或管理员可以根据自己的权限修改某些指标值。目前本系统的服务器部署在阿里云服务器上。

    4.2 移动端APP的设计与实现

    移动端APP是基于Android平台开发实现的，主要包括房间配置、设备配置、情景模式配置等功能模块。可以根据用户房间的实际情况配置系统的房间，并将对应的传感器设备配置到对应的房间中。用户可以根据需要配置情景模式，方便用户不同场合使用本系统。

    移动端APP另外一个重要的核心模块是对传感器设备监测的数据以曲线图的形式呈现给用户，用户可以直观的了解室内的环境状况以及室内某一指标值的走势。

    5 结论

    本文首先介绍了智能家居应用的范围、应用的场合，其次详细介绍了基于WiFi技术的家居环境监测系统的架构，并对架构的各个部分的功能进行了详细的描述。最后从系统的可靠性、安全性、稳定性、方便性等方面对本系统的软硬件部分进行了详细的阐述。

    参考文献：

    [1] 彭高丰.温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究[J].计算机测量与控制，2012，20（10）：2664-2665，2679.

    [2] 王立岩，杨世凤.基于ZigBee技术温室环境检测系统设计[J].天津科技大学学报，2011，01：60-63.

    [3] 冷子文，高军伟，吴贺荣，等.电加热炉温度远程监控系统设计[J].青岛大学学报：工程技术版，2012，27（4）：25-28.

    [4] 刘战国.智能控制在建筑空调控制系统及电梯群控系统中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2008.

    [5] 宋建国.AVR单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

    [6] 王春林.AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2003.

    [7] 孙卫琴.李洪称.Tomcat与Java Web开发技术详解[M].北京：电子工业出版社，2012.

    [8] 韩超. Android经典应用程序开发[M].北京：人力资源出版社，2011：5-18.

    [9] 陈最.基于Android平台移动终端透明加密系统的研究与实现[D]. 重庆：重庆理工大学，2012：108-150.

    [10] Kevin Curran，Scott Morrison，Stephen Mc Cauley[EB]. Google+vFacebook：The Comparison， 2012.