崔志強(qiáng)，劉 濤，樊森霖，王 興，董增壽

(1.太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；2.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的成熟與市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，諸多帶有“智能”屬性的家居產(chǎn)品已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，包括空調(diào)、空氣凈化器、電暖控制器等。智能家居正在改變著我們的生活，用戶可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)與家居連接及控制，但是目前智能家居傳統(tǒng)環(huán)境檢測(cè)設(shè)備集成化低，聯(lián)動(dòng)性低，各智能家居無(wú)法相互配合，更好地調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。環(huán)境溫濕度與我們的健康密切相關(guān)，驟然變化時(shí),可能會(huì)讓人口舌干燥、感冒發(fā)燒、過(guò)敏不適，日常生活中甲醛無(wú)處不在，對(duì)于抵抗力較弱的人群，更易發(fā)生不良反應(yīng)，甚至危害健康；人體死亡率和發(fā)病率的增長(zhǎng)與顆粒物(Particulate Matter，PM)暴露也有顯著性關(guān)系。人有大約90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)空氣品質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注，智能康養(yǎng)系統(tǒng)為人感知溫濕度甲醛的細(xì)微變化，為了更好地改善人們居住環(huán)境的宜居性，基于物聯(lián)網(wǎng)建立智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)我們的居住環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，它通過(guò)建立在STM32硬件平臺(tái)集成傳感器對(duì)負(fù)氧離子、溫度、濕度、甲醛、PM2.5等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，獲取數(shù)據(jù)上傳云端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理超過(guò)或低于最初閾值的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線Wi-Fi節(jié)點(diǎn)和紅外線節(jié)點(diǎn)，對(duì)室內(nèi)負(fù)氧離子發(fā)生器、水暖、電暖、加濕器、空氣凈化器等設(shè)備進(jìn)行綜合調(diào)控，來(lái)提高室內(nèi)綜合空氣質(zhì)量讓生活更健康舒適，更加宜居。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)智能生態(tài)康養(yǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)有3個(gè)基本架構(gòu)，分別由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

感知層處于系統(tǒng)最基層，由高精度激光顆粒物傳感器、溫濕度傳感器、紅外二氧化碳傳感器、甲醛傳感器等多種傳感器組成，可以對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度、甲醛、PM2.5、負(fù)氧離子等進(jìn)行采集。

傳輸層基于紅外和GSM網(wǎng)絡(luò)的其工作原理為：用戶通過(guò)自身的手機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)波動(dòng)自動(dòng)發(fā)出命令短消息在家值守的GSM模塊接收到命令后發(fā)送給主機(jī)(單片機(jī))，主機(jī)通過(guò)對(duì)命令的處理，把命令通過(guò)紅外傳輸?shù)较鄳?yīng)的分機(jī)(單片機(jī))上，分機(jī)對(duì)命令處理后，啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，完成用戶給出的命令并向主機(jī)回復(fù)應(yīng)答，主機(jī)收到應(yīng)答后，通過(guò)GSM模塊發(fā)出回復(fù)短消息，報(bào)告用戶完成命令。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(這里定時(shí)60 s)主機(jī)沒(méi)有接收到分機(jī)的回復(fù)信息，即把該操作認(rèn)為無(wú)效，回復(fù)操作無(wú)效短消息給用戶手機(jī)，要求用戶重新發(fā)出命令。若收到的短信息有誤，主機(jī)便立刻回復(fù)用戶該操作無(wú)效，請(qǐng)求重新發(fā)出命令。

應(yīng)用層由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，是系統(tǒng)的核心。在工作的過(guò)程中對(duì)感知層傳遞的信息進(jìn)行分析處理，并返回具體的操作指令。且主要作為人機(jī)交互的界面，用戶可以在手機(jī)對(duì)最初的閾值進(jìn)行更改，可以查看各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，也可以查看家里每天的空氣綜合質(zhì)量，家里若遇突發(fā)情況也會(huì)做出預(yù)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

1.2 系統(tǒng)工作原理

手機(jī)向控制主板發(fā)送指令協(xié)議，判斷各傳感器的連接有無(wú)異常，若有問(wèn)題進(jìn)行反饋。無(wú)問(wèn)題由手機(jī)傳輸指令開(kāi)始對(duì)室內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)定時(shí)更新到手機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。將手機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)收集到的信息和最初始設(shè)置的閾值經(jīng)行對(duì)比，當(dāng)某項(xiàng)數(shù)據(jù)超過(guò)或低于數(shù)據(jù)閾值時(shí)，通過(guò)Wi-Fi節(jié)點(diǎn)或紅外線節(jié)點(diǎn)控制最初設(shè)定的家電進(jìn)行開(kāi)啟，當(dāng)數(shù)據(jù)歸為數(shù)據(jù)閾值內(nèi)控制關(guān)閉。

以PM2.5檢測(cè)為例，系統(tǒng)通過(guò)高精度激光顆粒物傳感器對(duì)家里PM2.5、PM10等問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883-2002)中規(guī)定的室內(nèi)可吸入顆粒物(PM10)日平均最高容許濃度0.15 mg/m3，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095-2012)中規(guī)定的PM2.5日均濃度限值0.075 mg/m3。當(dāng)室內(nèi)的PM2.5、PM10濃度超過(guò)0.075 mg/m3、0.15 mg/m3時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用空氣凈化器進(jìn)行處理當(dāng)檢測(cè)值歸于正常后關(guān)閉空氣凈化器，并對(duì)本次數(shù)據(jù)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行記錄，如圖2所示。

圖2 流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用微型電腦芯片為主控，由溫度傳感器，濕度傳感器，甲醛傳感器，PM2.5傳感器，負(fù)氧離子傳感器，WiFi傳感模塊，紅外發(fā)射模塊構(gòu)成和電源模塊組成。各傳感器模塊負(fù)責(zé)收集信息，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給微型電腦芯片處理。微型電腦芯通過(guò)Wi-Fi傳感模塊與用戶手機(jī)端相連接進(jìn)行通信，便捷地看到各種室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并可以定義環(huán)境參數(shù)閾值，添加室內(nèi)電器進(jìn)入系統(tǒng)。微型電腦芯片通過(guò)紅外發(fā)射模塊和Wi-Fi實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)電器的遠(yuǎn)程控制，控制空調(diào)、電暖氣、空氣凈化器、換氣風(fēng)扇、加濕器等設(shè)備。

2.2 系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器主要是對(duì)室內(nèi)溫濕度信息收集，溫濕度是室內(nèi)環(huán)境舒適度的重要衡量。高靈敏度溫濕度傳感器由敏感元件對(duì)室內(nèi)溫濕度采集，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換元件將溫濕度數(shù)值轉(zhuǎn)換為電量，之后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量并發(fā)送至主控芯片，主控芯片通過(guò)對(duì)信息的處理，通過(guò)控制室內(nèi)空調(diào)加濕器來(lái)調(diào)控室內(nèi)溫濕度，營(yíng)造一個(gè)舒適的體感環(huán)境，同時(shí)用戶可在手機(jī)上看到溫濕度數(shù)據(jù)。

RS485溫濕度變送器具有響應(yīng)快速、通信距離遠(yuǎn)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)溫范圍為：40 ℃～123.8 ℃，測(cè)濕范圍為：0%RH～100%RH。

美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD590是典型的電流輸出型集成溫度傳感器，國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品有SG590，該器件的工作電壓為4 V～30 V，測(cè)溫范圍是-50 ℃～150 ℃,AD590在溫度為25 ℃(298.15 K)時(shí)，理想輸出為298.15 μA。

HM1500/HM1520傳感器內(nèi)部包含一個(gè)由HS1101濕敏電容構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器，能過(guò)輸出與相對(duì)濕度稱線性關(guān)系的直流電壓信號(hào)，輸出抗阻為70 Ω，適配帶ADC的單片機(jī)。能采用+5 V電源供電，工作電流典型值為0.4 mA，漏電流≤300 μA,工作溫度范圍是-30 ℃～60 ℃。

甲醛傳感器主要對(duì)室內(nèi)甲醛濃度信息收集，監(jiān)測(cè)探頭將收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)動(dòng)至主控芯片，主控芯片處理信息后，顯示在用戶手機(jī)軟件界面，同時(shí)通過(guò)控制室內(nèi)空氣凈化器來(lái)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。RS485型甲醛傳感器，采用進(jìn)口探頭檢測(cè)靈敏度，精度在0.5 ppm以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間<35 s，功耗低，性價(jià)比高。

煙霧傳感器不僅可以對(duì)室內(nèi)顆粒物PM2.5和PM10進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以監(jiān)測(cè)火災(zāi)煙霧，傳感器及時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送至主控芯片，芯片發(fā)數(shù)據(jù)至用戶軟件界面，同時(shí)可以發(fā)出火災(zāi)預(yù)警。RS485型顆粒物傳感器空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，采用進(jìn)口芯片具有較高靈敏度，以及高密度外殼，可檢測(cè)0～999 μg/m3的PM2.5,以及0～1 500 μg/m3的PM10。

紅外發(fā)射模組負(fù)責(zé)發(fā)送紅外信號(hào)控制傳統(tǒng)家用電器，解決了用戶家居是非智能家居的無(wú)法智能化問(wèn)題，整個(gè)模塊設(shè)計(jì)成本低，依靠電源模塊供電，功耗低。在App界面通過(guò)編輯傳統(tǒng)家電遙控器編碼，同進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)可控制各種遙控器控制的舊家電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3 操作界面

該系統(tǒng)既要做到對(duì)環(huán)境精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，又要做到便于用戶操作使用，良好的人機(jī)交互界面可以便于用戶操作，該系統(tǒng)的上位機(jī)來(lái)說(shuō)，充分的考慮用戶的易操作，可直觀地看到室內(nèi)綜合空氣質(zhì)量，設(shè)置了監(jiān)控界面、控制模塊、系統(tǒng)檢測(cè)、參數(shù)設(shè)置、用戶管理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、用戶管理等多個(gè)界面。用戶可以通過(guò)提示對(duì)各個(gè)界面進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。監(jiān)控模塊由時(shí)間、環(huán)境綜合質(zhì)量曲線、當(dāng)前各設(shè)備狀態(tài)組成。在本模塊用戶可以通過(guò)曲線圖對(duì)近一個(gè)月室內(nèi)綜合控制量進(jìn)行查看，也可以查看負(fù)氧離子、溫度、 濕度、甲醛、PM2.5的某一項(xiàng)?？刂颇K中，用戶可以根據(jù)自己的要求自己更改濃度值可以選擇手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的智能檢測(cè)。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面可以收到各個(gè)傳感器的問(wèn)題反饋，便于用戶及時(shí)對(duì)壞掉的傳感器進(jìn)行維修更換。參數(shù)設(shè)置模塊可以檢查設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備名稱，IP地址網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行設(shè)置。用戶管理模塊可以對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行添加、刪除、操作限制等操作界面圖，如圖3所示。

4 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的基本工作原理是，根據(jù)傳感器采集到的信息通過(guò)處理器處理后傳出指令協(xié)議控制設(shè)備的開(kāi)關(guān)，為了更好地智能化，必須要遵循統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本系統(tǒng)采用的是繼電器開(kāi)關(guān)控制模塊，不同的節(jié)點(diǎn)模塊串聯(lián)在一條總線上為了提高節(jié)點(diǎn)的控制效率和時(shí)效性，本系統(tǒng)采用了一種節(jié)點(diǎn)控制方法。首先對(duì)每一個(gè)待支配節(jié)點(diǎn)設(shè)置時(shí)間和閾值，向當(dāng)前的支配節(jié)點(diǎn)發(fā)送支配指令(控制當(dāng)前待支配節(jié)點(diǎn)開(kāi)啟或待機(jī))，其次要根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷大概的工作時(shí)間，工作時(shí)間是指根據(jù)當(dāng)前設(shè)備把環(huán)境參數(shù)降為閾值內(nèi)所用的時(shí)間。當(dāng)工作時(shí)間結(jié)束后，開(kāi)始判斷是否回歸正常閾值。

5 通信設(shè)計(jì)

5.1 通信標(biāo)準(zhǔn)制定原則

5.1.1 兼容性。①硬件設(shè)備之間的兼容，本系統(tǒng)包含由溫度傳感器，濕度傳感器，甲醛傳感器，PM2.5傳感器，負(fù)氧離子傳感器，Wi-Fi傳感模塊，紅外發(fā)射模塊以及外部鏈接各種不同廠家的家居，通信協(xié)議要保證通信內(nèi)容可控，控制方面靈活度高，保證增加模塊或減少模塊不會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體產(chǎn)生影響。②軟件方面的兼容由于家居生產(chǎn)商的不同導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和通信程序所用的技術(shù)平臺(tái)也有所不同解決系統(tǒng)對(duì)不同品牌的家電合理調(diào)用也是一大難點(diǎn)。③軟件和硬件之間的兼容，傳感器模塊和軟件之間的正常通信和調(diào)用是設(shè)備正常工作的根本基礎(chǔ)。

5.1.2 可擴(kuò)展性。隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力和技術(shù)發(fā)展用戶可能會(huì)添加新的檢測(cè)設(shè)備或不同的家居標(biāo)準(zhǔn)要支持設(shè)備在種類和數(shù)量上進(jìn)行增加，不會(huì)對(duì)原有的準(zhǔn)框架進(jìn)行更改。

5.1.3 開(kāi)放性?；贗SO/OSI開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)模型具有更好地開(kāi)放性，有利于標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)的融合與鏈接。

5.1.4 安全性。要具有基本的登錄驗(yàn)證機(jī)制以及陌生IP地址登錄提醒機(jī)制只有在以確定安全的IP并在終端正確登錄后，才可以獲得通信路由以及對(duì)數(shù)據(jù)查看權(quán)限。

5.2 通信協(xié)議分層模型

數(shù)據(jù)通信協(xié)議分層模型參照ISO/OSI開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)七層參考模型的方式表示，物聯(lián)網(wǎng)智能康養(yǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信應(yīng)用最多的四層做了規(guī)定，分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應(yīng)用層。第一層是物理層，定義智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備，例如GPRS、CDMA、Wi-Fi、3G等無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理層(采用已有的標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)應(yīng)于ISO/0SI七層參考模型的物理層。第二層是數(shù)據(jù)鏈路層，定義智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳輸方法，采用通用的標(biāo)準(zhǔn)，例如PPP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)于 ISO/OSI七層參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層。第三層是傳輸層，定義智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)包拆分、數(shù)據(jù)包重新組裝和路由，使用TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，以TCP/IP作為傳輸層的通信承載，對(duì)應(yīng)于ISO/OSI七層參考模型的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層。第四層是應(yīng)用層，定義智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和會(huì)話管理，對(duì)應(yīng)于ISO/OSI七層參考模型的應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，智能家居越來(lái)越多地出現(xiàn)在大眾視野，為了滿足人們對(duì)生活質(zhì)量的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與調(diào)控。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，將監(jiān)測(cè)傳感器集成于一個(gè)STM32硬件平臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)集成傳感器檢測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與處理，Wi-Fi模組和紅外模組發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測(cè)，改善室內(nèi)環(huán)境宜居性。該系統(tǒng)為智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了一種解決方案。由于時(shí)間和個(gè)人能力有限，系統(tǒng)還存在一些不足之處，如紅外模塊對(duì)于室內(nèi)智能家居的調(diào)控步驟還需優(yōu)化。系統(tǒng)硬件可擴(kuò)展性強(qiáng)，后續(xù)可以添加傳感器以實(shí)現(xiàn)其他功能。