朱敏玲，徐雅斌

（北京信息科技大學(xué) 計算機學(xué)院，北京 100101）

工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展對人們賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞，全球環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，如全球變暖、異常天氣不斷發(fā)生等[1]。天氣狀況及空氣質(zhì)量直接影響著人們的日常生活，人們每天最關(guān)心的話題之一?；ヂ?lián)網(wǎng)未出現(xiàn)之前，人們主要從電視、廣播及收音機中來了解天氣；互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后，可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢[2]。但是這些查詢結(jié)果都是大環(huán)境下的宏觀參數(shù)，并不能完全準確表達出人們居住環(huán)境的局部狀況。而每個人每天的家居生活平均約12個小時之多，因此，家居環(huán)境監(jiān)測、報警和控制成為備受關(guān)注的課題。

家居環(huán)境質(zhì)量除了受大氣環(huán)境的影響還要受到周邊環(huán)境和家庭各設(shè)施及使用情況的影響。故而，構(gòu)建個人氣象站，對家居環(huán)境進行監(jiān)測和控制對于人們的生活和健康非常有必要。隨著各種傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)及隨身攜帶的智能手機的出現(xiàn)，使得實時對家居環(huán)境的監(jiān)測和遠程控制成為可能[3]。本文針對我國日趨惡劣的生活環(huán)境及人們改善生活質(zhì)量的急迫需求，基于云技術(shù)進行了智能家居氣象站的研究與設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體模型

如圖1所示，系統(tǒng)中接入氣象站所需各待測參數(shù)的專業(yè)傳感器，并經(jīng)過MCU（Micro-Control Unit）的處理后，將有效數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，再利用云端這個大的存儲平臺和各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺對數(shù)據(jù)進行分析、判斷、表達和存儲，并且發(fā)送至智能終端（目前主流的是智能手機，以下以智能手機替代智能終端）。此時，用戶可通過智能手機所安裝的與云平臺配套的軟件即可進行氣象站數(shù)據(jù)的查看，也能夠收到相關(guān)的報警和提示信息，用戶根據(jù)這些報警和提示信息再通過智能手機、云端及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)向相關(guān)智能家電或設(shè)備發(fā)送控制信息，如當室內(nèi)的空氣質(zhì)量不如室外好時，用戶可通過智能手機發(fā)送命令打開窗戶進行換氣。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建模型

在此模型中，充分運用了云、網(wǎng)絡(luò)及智能手機這些公用平臺，開發(fā)者可僅僅著重考慮數(shù)據(jù)采集與處理及數(shù)據(jù)如何傳輸這些環(huán)節(jié)上，能夠極大降低開發(fā)難度、周期與成本。同時，隨身攜帶的智能手機使得用戶能夠?qū)崟r查看天氣和控制家居設(shè)備，如當在下班前，可通過智能手機開窗換氣、打開空調(diào)或打開空氣凈化器等。本系統(tǒng)的硬件平臺能夠?qū)囟取穸?、光照、大氣壓力及細顆粒物等5個主要氣象要素進行實時采集和處理，并提供與云端的通信端口，及與智能家電或設(shè)備的控制端口和通信端口等。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(tǒng)中在室外設(shè)置了兩個氣象數(shù)據(jù)采集點，室內(nèi)可以根據(jù)需要設(shè)置多個數(shù)據(jù)采集點。室外每個采集站點都可采集溫度、濕度、光照強度、大氣壓力及細顆粒物濃度；室內(nèi)采集點可以采集溫度、濕度和細顆粒物濃度；同時，MCU控制單元設(shè)置在某個室內(nèi)采集點處。硬件上采用模塊化設(shè)計方法，從而能大大降低維修難度和維護成本。溫度、濕度、光照強度、細顆粒物濃度和雨量的測量都有相對應(yīng)的傳感器模塊進行信號轉(zhuǎn)換，以便于測量計算和采集。轉(zhuǎn)換后的電信號的處理由成本較低的單片機模塊完成信號的預(yù)處理，并利用其集成的通信模塊完成信息數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 太陽能供電設(shè)計

因太陽能資源分布廣泛且取之不盡，用之不竭，能為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能源，且能消除室外傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的布線煩惱，故而本系統(tǒng)設(shè)計了太陽能供電電路，如圖2所示。LTC3105芯片[4]是一款同步升壓型轉(zhuǎn)換器，比較適合從高阻抗可替代電源收集能量，比如，光伏電池。LTC3105芯片從光伏電池收集能量，收集的電壓范圍可在225 mV～5 V這樣比較寬的范圍，通過它的轉(zhuǎn)換后，可在4 V左右電壓對鋰電池進行穩(wěn)定的充電。鋰電池作為恒壓源能保證在黑暗或光照很少時各個站點都能正常平穩(wěn)的工作。

圖2 太陽能供電電路

2.3 網(wǎng)絡(luò)層的組建與設(shè)計

為利用云來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、顯示、遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理，以便氣象采集與相關(guān)控制的網(wǎng)絡(luò)化，合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是必須的。本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用了GPRS（General Packet Radio Service）無線組網(wǎng)技術(shù)，取締傳統(tǒng)有線的傳輸方式，使得系統(tǒng)沒有傳輸布線成本。整個家居氣象監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自上而下分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示，具體分析如下。

1）感知層。由室內(nèi)與室外的監(jiān)測站構(gòu)成。各站點的傳感器將采集到的各類信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過數(shù)據(jù)采集模塊將電信號轉(zhuǎn)化為信息數(shù)據(jù)，然后利用GPRS數(shù)據(jù)終端模塊將各類數(shù)據(jù)信息同步傳送到云平臺，最后完成對氣象數(shù)據(jù)的“感知”工作。

2）網(wǎng)絡(luò)層。由無線通信網(wǎng)絡(luò)和支撐系統(tǒng)組成；通過GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)控站點接入到云平臺；云平臺作為支撐系統(tǒng)是整個系統(tǒng)非常核心的部分。本設(shè)計利用樂聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺實現(xiàn)對感知層采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理等工作。

圖3 氣象監(jiān)控站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3）應(yīng)用層。用戶通過樂聯(lián)網(wǎng)發(fā)布的唯一訪問接口對氣象信息進行訪問，用戶終端（手機、PC及iPad）運用各自權(quán)限實現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的瀏覽、歷史查詢、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)設(shè)置等功能，為人們的穿衣、佩戴和智能家電的調(diào)控提供參考。

2.4 云存儲、顯示及數(shù)據(jù)管理

因氣象信息具有明顯的時間和空間特征，需進行多維空間的采集，其采集、整理加工及著錄格式等環(huán)節(jié)都必須是科學(xué)、嚴謹和細致的，并且在實時性上要求較高，則數(shù)據(jù)量會更大[5]。因此，考慮到用戶的操作簡便和檢索高效的需求，在氣象數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上做了特殊的設(shè)計。傳統(tǒng)的氣象存儲與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由路由器、服務(wù)器、交換機及顯示器等系統(tǒng)硬件和Oracle、Sybase等數(shù)據(jù)庫管理軟件共同支持，顯示部分需配套開發(fā)專用平臺，并且為保證系統(tǒng)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的真實性，需要不斷的備份[6]。故而，開發(fā)和維護成本都非常高?，F(xiàn)在隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)大量第三方的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，如樂聯(lián)網(wǎng)[7]。樂聯(lián)網(wǎng)平臺為用戶提供了方便便捷的服務(wù)平臺，如數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析與控制、API（Application Pro?gram Interface）及移動手機客戶端接口等。

本設(shè)計利用此平臺將測量數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)發(fā)到樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上進行存儲，并能將采集的數(shù)據(jù)分類存儲，以便用戶隨時查詢和分析，完成了云存儲，這樣使得存儲和運營成本大幅下降。同時，用戶可以隨時查詢不同時間點的氣象數(shù)據(jù)，甚至幾十年前的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析上，提供了通用的歷史走勢分析、數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計及報警數(shù)據(jù)分析。而這些數(shù)據(jù)分析方法中，既有本站點的自身數(shù)據(jù)的分析，也有云數(shù)據(jù)的參考分析，并在分析后向智能手機發(fā)送報警信息，用戶可根據(jù)這些報警信息向相關(guān)智能家電發(fā)送控制信息。同時，利用樂聯(lián)網(wǎng)提供的手機應(yīng)用程序，實現(xiàn)了手機對智能家電的遠程控制。

3 實驗分析

為驗證該系統(tǒng)執(zhí)行的效率，運用3D（Three Dimensions）打印技術(shù)搭建了仿真家居系統(tǒng)環(huán)境，如圖4所示。在仿真的家居系統(tǒng)環(huán)境中，設(shè)置了一個室內(nèi)監(jiān)測站點和一個室外監(jiān)測點；為替代真實智能家電的控制，以控制電機的方式來驅(qū)動窗戶、空調(diào)的打開與關(guān)閉；差別環(huán)境的產(chǎn)生是通過人為制造局部環(huán)境，如制造局部室內(nèi)站點煙霧。同時，在電路設(shè)計上，戶外站點供電方式設(shè)計為光伏發(fā)電，綠色環(huán)保。當室內(nèi)出現(xiàn)煙霧時，智能手機就會馬上收到微信通知，如圖5a所示。于此同時，在新浪微博上也會收到相應(yīng)的通知（如圖5b），在新浪微博里還會提供穿衣指數(shù)等更佳細節(jié)和溫馨的提示信息。此時，用戶可通過微信發(fā)送控制信息，打開窗戶，相應(yīng)的電機即可轉(zhuǎn)動并打開仿真家居的窗戶。在第三方網(wǎng)絡(luò)平臺也能實時看到監(jiān)測結(jié)果，如圖6所示，分別是溫度、適度、大氣壓力、光照及細顆粒物測試結(jié)果。除了實時數(shù)據(jù)結(jié)果，本設(shè)計利用強大的云存儲，能夠存儲近幾個小時及近1個月的天氣結(jié)果。

圖5 微信與微博通知（截圖）

圖6 網(wǎng)絡(luò)云平臺顯示結(jié)果（截圖）

4 結(jié)論

本文提出的智能家居氣象站理論模型，經(jīng)實驗驗證具有繼續(xù)研究和實際應(yīng)用的可行性。系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵部分是數(shù)據(jù)的有效采集與處理、網(wǎng)絡(luò)的鏈接效果及與第三方網(wǎng)絡(luò)平臺的互操作性。在數(shù)據(jù)的有效采集方面，由于傳感器性能的不斷提高及種類的多樣化，數(shù)據(jù)的有效采集已經(jīng)不是難題，并且各智能算法的出現(xiàn)和完善，使得大量的數(shù)據(jù)處理方面也較為容易解決；網(wǎng)絡(luò)的鏈接效果在此模型中起到至關(guān)重要的作用，不僅僅是網(wǎng)絡(luò)能否鏈接上的問題，更重要的是實時性，目前實驗系統(tǒng)中選用的GPRS網(wǎng)絡(luò)能達到室內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，但是在響應(yīng)速度上再快一些更好；第三方網(wǎng)絡(luò)平臺的支持程度也很重要，畢竟云端的網(wǎng)絡(luò)平臺的出現(xiàn)時間還不長，還是較新的事物，本系統(tǒng)在功能、內(nèi)容及接口兼容等方面需進一步的開發(fā)與完善。

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