基于 WSN的智能家居環境監測服務

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摘要：針對房屋在日常中會遇到的安全使用問題，設計實現了一套基于WSN的智能家居監測服務平臺，能夠實時監測家庭內部的環境的基本情況，為家人帶來舒心的生活環境。系統設備主要通過ZigBee進行內部網通信傳輸采集的數據，通過樹莓派搭建本地服務中心進行局域網管理，在有網絡的環境中能夠自動地將數據備份到服務器中。當系統監測到家庭的環境變化時會對戶主進行及時的安全提示，主要介紹了此套平臺架構的設計思路。

關鍵詞：智能家居；無線傳感器網絡；WSN；監測平臺;樹莓派服務中心；智能安全提示

隨著5G網絡建設，物聯網得到了前所未有的發展，已經廣泛應用于生活中，智能家居設備已經隨處可見。智能音箱已經能夠正常與人對話并且按照人們的語音指令完成相應的控制操作，例如，通過語音控制電燈打開及關閉，調節窗簾的打開范圍。家居是越來越智能便捷，攜帶了各類傳感器的智能小家電也不斷地進入人們的眼簾［1］，讓我們更方便地體驗生活。與此同時，人們更加注重生活安全衛生，注重各種裝修材料對身體造成的影響。在家居環境中，良莠不齊的裝修材料在一定程度上對身體造成了影響。例如日常使用的柜子、家具設備均會不斷地釋放甲醛，當其含量達到一定濃度時，對身體是有危害的［2］。在陰雨天，雨水是否會飄進房間對地板或室內家具造成不可逆的影響。家里的電器設備是否溫度過高而容易引發物品燃燒，空氣中是否存在令人過敏的粉塵，均需要安全的對其進行監控［3］。目前市面上已經存在檢測有害氣體的工具，然后往往缺乏對人們安全的智能提醒［4］。對于人們居住時間最長的房屋而言，需要將室內的各項環境指標進行數字型、實時性、智能型、提醒性的智能監測。為了更好地評估室內居住環境，室內有害氣體危害人體的健康［5］，本文提出了基于WSN的智能家居環境監測服務平臺的框架。通過為建筑構建溫度、天然氣、煤氣等傳感器的監測［6］，由低功耗、低成本的ZigBee網絡［7］進行匯集，中心設備進行數據傳輸和命令下發［8］，通過Wi－Fi發送到服務器，最后通過移動端對其進行查看監控。

1智能家居監測系統的設計思路

1．1智能家居系統的設計

WSN的智能家居環境監測總體功能框架主要分為監控子系統和控制子系統，具體功能如圖1所示。從圖1可知，在設計上圍繞環境監測和系統控制兩大模塊進行設計，其中監控子系統主要部署了網絡通信設施，包含傳感器終端節點組網、命令送達及數據傳輸等功能。關鍵環節是數據的采集，包含對環境中慢性影響健康的氣體傳感器監測和短期傷害性較強的特征監測?；趥鞲衅黝愋秃头课萁Y構特征，根據區域特征設置傳感器及采集周期。例如，洗手間由于其使用特性導致比較重的濕度和浴霸瞬間增加空氣的溫度，需要為其設置溫度、濕度、空氣質量的傳感器，同時要求傳感器節點必須保證具有一定的防水性和耐熱性。洗手間在使用時采用密集采集的方式，而其余時間則采用稀疏采集模式。廚房是容易滋生細菌和各種小動物躲藏的絕佳地方，需要對空氣濕度、地面濕度、墻面濕度、燃燒氣體進行嚴格控制，還可以設置物體檢測傳感器。臥室是對居住環境要求最高的地方，主要監測噪聲是否超標、空氣濕度是否在舒服的范圍內［9］、監測窗戶是否出現飄雨的現象，提醒用戶及時關窗；監測窗戶光照強度變化，及時調整窗簾的閉合程度。對于房屋而言，裝修材料的甲醛是威脅生命健康的重要因素之一，需要為各臥室和廳安裝甲醛傳感器。本套系統中主要選取空氣質量、溫度、濕度、光照強度、天然氣／煤氣、甲醛等作為監測的對象。在無線通信環節中，主要采用ZigBee在節點與匯集節點間進行近距離通信，由匯集節點實現對子節進行自主組網、下達工作采集命令、收集傳感器數據、上傳傳感器數據等功能。由于無線傳感器節點是部署在居住的環境中，可以直接使用家用電作為其主要電源，鋰電池作為其備用電源。在控制子系統中，主要負責接收匯集節點接收到的數據，將其進行解析并保存并下達傳感器采集指令。信息數據主要通過公眾號進行顯示，用戶在公眾號可實現數據顯示、命令下發、歷史數據對比等功能。

1．2實現流程

通過為用戶在房屋中部署傳感器節點及節點間組成Zig-Bee網絡，形成統一的局域互聯。與此同時，在本地搭建小型的網絡服務中心用于存儲基本的數據，在沒有網絡的情況下，用戶依然可以通過連接到本地路由器后，通過公眾號的內網鏈接進行對節點進行基本操作。待本地連接到互聯網后，由本地服務中心通過Wi－Fi模塊將本地數據進行遠程傳輸同步到服務中心，用戶在公眾號鏈接中可以查看屬于自己的房屋采集的基本信息。由于樹莓派具有體型小而易拓展性的特點［10］，本系統將為其搭建本地的服務中心，配置安裝SQlite數據庫和搭建nginx服務器系統，進而實現了公眾號的局域網訪問。

2數據的同步及管理

2．1數據內容同步

WSN的智能家居環境監測系統的初始配置信息存儲在本地服務中心，采集的數據在未連接網絡時可以通過TF卡進行備份，然后再通過網絡設備手動更新到服務器端。用戶在本地服務中心設置用戶名、傳感器個數、傳感器類型、傳感器位置、傳感器數值范圍等信息，并將此配置傳輸到服務器。當服務器接收到不同家庭設備傳來的數據時，則自動的根據配置信息對其進行基本的格式處理。為減少本地與服務器端的通信頻率，則可以將數據在本地積累到一定的數量或符合設定的條件后再發送到服務器端。如用戶設置為實時查看數據時，則當采集到數據時立刻進行同步。在服務器端系統通過對比用戶采集的傳感器數據進行分析，當數據存在異常時則通過短信提醒用戶出現的異常情況。然而設備的使用者往往可能未攜帶手機等通信設備，為此，本系統要求用戶提供至少三個常用手機號，根據異常情況的嚴重性選擇通知提醒的號碼。例如，如果是天然氣或煤氣泄漏而導致監測傳感器異常時，則為三個用戶均發送提醒信息；當洗手間濕度過大時，則可以只對戶主進行提醒。用戶通過公眾號訪問數據時，可以訪問歷史記錄數據，根據歷史情況設置各種傳感器的采集周期。一般情況下，用戶在家或特殊時間段的傳感器采集周期會設置為密集采集。例如，天然氣／煤氣主要集中在用戶做餐時間段和晚上洗澡時間段使用，故此時段設置為密集采集，而其余時間為稀疏采集。密集采集與稀疏采集的頻率是相對而言的，具體采集的時間間隔根據用戶習慣進行設定，密集采集周期往往可以設置為5～10分鐘，稀疏采集則以小時為單位。

2．2數據管理

數據管理的主要內容包含用戶設備管理、用戶連接管理、記錄的信息遷移、用戶數據顯示形式等功能，用戶可以選擇是否將傳感器數據傳輸到服務器。服務器還提供公眾號關于設備購買及設備維護服務。

3結束語

本文根據家居的環境特點，提高人民的生活環境質量，設計了一套基于WSN的智能家居環境監測服務，為用戶更智能化的了解家庭環境的基本情況，提高了居住的安全性，更好地保持家庭衛生。

參考文獻

［1］梁海珍．語音識別技術在智能家居領域應用［J］．電子技術與軟件工程，2021（4）：100－101

［2］劉祎，劉萍，佘勃．“互聯網＋”智能家居監控系統研究［J］．南方農機，2021，52（7）：46－47，62

［3］胡春海，張越，齊廣學．高壓電器設備在線溫度監測技術的研究［J］．自動化與儀表，2001（1）：50－52

［4］白劍銘，江思維，馮榮幸．市面上已有的室內環境監測系統市場前景分析［J］．科技經濟導刊，2020，28．732（34）：116－117

［5］潘曉貝．基于ZigBee的家居環境監測系統硬件設計［J］．湖南工業職業技術學院學報，2021，21（1）：73－77

［6］曹督尊，劉國彥，趙金才，等．基于STM32的智能室內空氣質量監測系統設計［J］．科技視界，2020（16）：25－27

［7］李慶，黃傳翔．基于ZigBee技術的家居環境多參數監測系統研究［J］．電子測試，2020（19）：43－45

［8］黃培燦，林錦峰，周培森，等．基于ZigBee技術的室內環境監測系統設計［J］．工業控制計算機，2020（5）

［9］楊晉，亢利軍，胡程勇，等．基于室內環境多參量傳感的監測系統設計與實現［J］．工業控制計算機，2020，33（9）：64－66，70

［10］徐望，朱宜炳，張常泉．一種基于樹莓派的視頻監控網絡設計方案［J］．南方農機，2021，52（5）：41－42，44

作者：周慧怡   單位： 桂林航天工業學院