崔志強，劉 濤，樊森霖，王 興，董增壽

(1.太原科技大學(xué) 計算機科學(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)的成熟與市場需求的擴大，諸多帶有“智能”屬性的家居產(chǎn)品已走進千家萬戶，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，用戶可以通過手機應(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)境檢測設(shè)備集成化低，聯(lián)動性低，各智能家居無法相互配合，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,可能會讓人口舌干燥、感冒發(fā)燒、過敏不適，日常生活中甲醛無處不在，對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)病率的增長與顆粒物(Particulate Matter，PM)暴露也有顯著性關(guān)系。人有大約90%的時間在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣品質(zhì)越來越受到關(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)對我們的居住環(huán)境進行調(diào)節(jié)，它通過建立在STM32硬件平臺集成傳感器對負(fù)氧離子、溫度、濕度、甲醛、PM2.5等數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，獲取數(shù)據(jù)上傳云端，對數(shù)據(jù)進行處理超過或低于最初閾值的數(shù)據(jù)通過無線Wi-Fi節(jié)點和紅外線節(jié)點，對室內(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)備進行綜合調(diào)控，來提高室內(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

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，可以對室內(nèi)的溫度、濕度、甲醛、PM2.5、負(fù)氧離子等進行采集。

傳輸層基于紅外和GSM網(wǎng)絡(luò)的其工作原理為：用戶通過自身的手機根據(jù)數(shù)據(jù)波動自動發(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(單片機)，主機通過對命令的處理，把命令通過紅外傳輸?shù)较鄳?yīng)的分機(單片機)上，分機對命令處理后，啟動相應(yīng)設(shè)備，完成用戶給出的命令并向主機回復(fù)應(yīng)答，主機收到應(yīng)答后，通過GSM模塊發(fā)出回復(fù)短消息，報告用戶完成命令。若在規(guī)定的時間內(nèi)(這里定時60 s)主機沒有接收到分機的回復(fù)信息，即把該操作認(rèn)為無效，回復(fù)操作無效短消息給用戶手機，要求用戶重新發(fā)出命令。若收到的短信息有誤，主機便立刻回復(fù)用戶該操作無效，請求重新發(fā)出命令。

應(yīng)用層由多個節(jié)點構(gòu)成，是系統(tǒng)的核心。在工作的過程中對感知層傳遞的信息進行分析處理，并返回具體的操作指令。且主要作為人機交互的界面，用戶可以在手機對最初的閾值進行更改，可以查看各個模塊的工作狀態(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

手機向控制主板發(fā)送指令協(xié)議，判斷各傳感器的連接有無異常，若有問題進行反饋。無問題由手機傳輸指令開始對室內(nèi)的空氣質(zhì)量進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)定時更新到手機數(shù)據(jù)庫中。將手機數(shù)據(jù)庫收集到的信息和最初始設(shè)置的閾值經(jīng)行對比，當(dāng)某項數(shù)據(jù)超過或低于數(shù)據(jù)閾值時，通過Wi-Fi節(jié)點或紅外線節(jié)點控制最初設(shè)定的家電進行開啟，當(dāng)數(shù)據(jù)歸為數(shù)據(jù)閾值內(nèi)控制關(guān)閉。

以PM2.5檢測為例，系統(tǒng)通過高精度激光顆粒物傳感器對家里PM2.5、PM10等問題進行檢測，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0.075 mg/m3、0.15 mg/m3時系統(tǒng)自動調(diào)用空氣凈化器進行處理當(dāng)檢測值歸于正常后關(guān)閉空氣凈化器，并對本次數(shù)據(jù)在后臺數(shù)據(jù)庫進行記錄，如圖2所示。

圖2 流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

本設(shè)計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)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給微型電腦芯片處理。微型電腦芯通過Wi-Fi傳感模塊與用戶手機端相連接進行通信，便捷地看到各種室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可以定義環(huán)境參數(shù)閾值，添加室內(nèi)電器進入系統(tǒng)。微型電腦芯片通過紅外發(fā)射模塊和Wi-Fi實現(xiàn)對室內(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

溫濕度傳感器主要是對室內(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室內(nèi)溫濕度采集，然后通過轉(zhuǎn)換元件將溫濕度數(shù)值轉(zhuǎn)換為電量，之后再通過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量并發(fā)送至主控芯片，主控芯片通過對信息的處理，通過控制室內(nèi)空調(diào)加濕器來調(diào)控室內(nèi)溫濕度，營造一個舒適的體感環(huán)境，同時用戶可在手機上看到溫濕度數(shù)據(jù)。

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

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

HM1500/HM1520傳感器內(nèi)部包含一個由HS1101濕敏電容構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器，能過輸出與相對濕度稱線性關(guān)系的直流電壓信號，輸出抗阻為70 Ω，適配帶ADC的單片機。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 ℃。

甲醛傳感器主要對室內(nèi)甲醛濃度信息收集，監(jiān)測探頭將收集到的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)動至主控芯片，主控芯片處理信息后，顯示在用戶手機軟件界面，同時通過控制室內(nèi)空氣凈化器來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。RS485型甲醛傳感器，采用進口探頭檢測靈敏度，精度在0.5 ppm以內(nèi)，響應(yīng)時間<35 s，功耗低，性價比高。

煙霧傳感器不僅可以對室內(nèi)顆粒物PM2.5和PM10進行檢測，同時可以監(jiān)測火災(zāi)煙霧，傳感器及時地將數(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)量檢測儀，采用進口芯片具有較高靈敏度，以及高密度外殼，可檢測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)送紅外信號控制傳統(tǒng)家用電器，解決了用戶家居是非智能家居的無法智能化問題，整個模塊設(shè)計成本低，依靠電源模塊供電，功耗低。在App界面通過編輯傳統(tǒng)家電遙控器編碼，同進行紅外學(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

圖3 操作界面

該系統(tǒng)既要做到對環(huán)境精準(zhǔn)的監(jiān)測，又要做到便于用戶操作使用，良好的人機交互界面可以便于用戶操作，該系統(tǒng)的上位機來說，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、參數(shù)設(shè)置、用戶管理、系統(tǒng)監(jiān)測、用戶管理等多個界面。用戶可以通過提示對各個界面進行操作，從而實現(xiàn)相應(yīng)的功能。監(jiān)控模塊由時間、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曲線圖對近一個月室內(nèi)綜合控制量進行查看，也可以查看負(fù)氧離子、溫度、 濕度、甲醛、PM2.5的某一項?？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模式還是自動模式，實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的智能檢測。系統(tǒng)監(jiān)測界面可以收到各個傳感器的問題反饋，便于用戶及時對壞掉的傳感器進行維修更換。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)器進行設(shè)置。用戶管理模塊可以對各個傳感器進行添加、刪除、操作限制等操作界面圖，如圖3所示。

4 系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

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處理器處理后傳出指令協(xié)議控制設(shè)備的開關(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)采用的是繼電器開關(guān)控制模塊，不同的節(jié)點模塊串聯(lián)在一條總線上為了提高節(jié)點的控制效率和時效性，本系統(tǒng)采用了一種節(jié)點控制方法。首先對每一個待支配節(jié)點設(shè)置時間和閾值，向當(dāng)前的支配節(jié)點發(fā)送支配指令(控制當(dāng)前待支配節(jié)點開啟或待機)，其次要根據(jù)傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷大概的工作時間，工作時間是指根據(jù)當(dāng)前設(shè)備把環(huán)境參數(shù)降為閾值內(nèi)所用的時間。當(dāng)工作時間結(jié)束后，開始判斷是否回歸正常閾值。

5 通信設(shè)計

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對系統(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)致各個設(shè)備的驅(qū)動程序和通信程序所用的技術(shù)平臺也有所不同解決系統(tǒng)對不同品牌的家電合理調(diào)用也是一大難點。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 可擴展性。隨著經(jīng)濟實力和技術(shù)發(fā)展用戶可能會添加新的檢測設(shè)備或不同的家居標(biāo)準(zhǔn)要支持設(shè)備在種類和數(shù)量上進行增加，不會對原有的準(zhǔn)框架進行更改。

5.1.3 開放性?；贗SO/OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型具有更好地開放性，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證機制以及陌生IP地址登錄提醒機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等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的物理層(采用已有的標(biāo)準(zhǔn))，對應(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)和會話管理，對應(yīng)于ISO/OSI七層參考模型的應(yīng)用層、表示層和會話層。

6 結(jié)束語

隨著5G的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，智能家居越來越多地出現(xiàn)在大眾視野，為了滿足人們對生活質(zhì)量的需求，實現(xiàn)對家庭室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測與調(diào)控。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，將監(jiān)測傳感器集成于一個STM32硬件平臺系統(tǒng)，通過集成傳感器檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量并對數(shù)據(jù)進行比較與處理，Wi-Fi模組和紅外模組發(fā)送信號，從而實現(xiàn)對室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的監(jiān)測，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)測系統(tǒng)提出了一種解決方案。由于時間和個人能力有限，系統(tǒng)還存在一些不足之處，如紅外模塊對于室內(nèi)智能家居的調(diào)控步驟還需優(yōu)化。系統(tǒng)硬件可擴展性強，后續(xù)可以添加傳感器以實現(xiàn)其他功能。