吳 迪

（河南物流職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450003）

互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，有效推動(dòng)了人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技能等各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，并逐漸延伸到人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家居用品的設(shè)計(jì)之中也成了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的加持之下，通過智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)，用戶可以通過手機(jī)小程序APP 實(shí)現(xiàn)對于家居設(shè)備的集成管理與可視化查看，真正實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，不僅給人們提供了便捷的生活服務(wù)，而且也給改善未來的家居環(huán)境提供了重要思路。

1 智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)的必要性

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展、改善人們的生活質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是將家庭環(huán)境中各種通信設(shè)備、智能家電以及家庭安保裝置連接到一個(gè)智能化的數(shù)據(jù)控制中心，來實(shí)現(xiàn)對家庭情況的全面掌握。智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)主要是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)測系統(tǒng)之中，構(gòu)建對于家居環(huán)境的一體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對家庭環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、信息傳輸、預(yù)警處理等多項(xiàng)操作，有助于為家庭成員提供科學(xué)的、智能的決策服務(wù)。

一般而言，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)總共分為三層架構(gòu)，自上而下分別是應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

1.1 感知層

首先，要想對家庭情況實(shí)現(xiàn)全面、智能的監(jiān)測，就要對家庭情況進(jìn)行全面掌握。感知層的設(shè)計(jì)主要是完成對家庭環(huán)境數(shù)據(jù)的全面采集，并且能夠定時(shí)、定點(diǎn)地對家庭環(huán)境中某一特點(diǎn)的參數(shù)樣本進(jìn)行分析，以此來發(fā)現(xiàn)家庭環(huán)境中存在的安全隱患。利用射頻識(shí)別技術(shù)、攝像頭、傳感器、報(bào)警器等全面感知和獲取家庭內(nèi)部信息，并實(shí)現(xiàn)全天候的、對于家庭信息情況的獲取和采集。在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測過程中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所要服務(wù)的對象主要是家庭成員，它除了對家庭成員的指令有所反應(yīng)之外，還應(yīng)該根據(jù)家庭環(huán)境的變化進(jìn)行智能化的操作。例如，溫度傳感器能夠?qū)彝キh(huán)境中的內(nèi)部溫度進(jìn)行感知與監(jiān)測，一旦溫度較高就會(huì)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警；而煙霧報(bào)警器則會(huì)在家中出現(xiàn)燃?xì)庑孤l(fā)生火災(zāi)時(shí)進(jìn)行及時(shí)的預(yù)報(bào)警處理，以有效避免更大危險(xiǎn)的發(fā)生[1]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)過程中，還必須與多個(gè)方面的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，包括家庭監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)安全管理中心以及平臺(tái)操控中心。當(dāng)感知層感受到家庭情況的變化之后，平臺(tái)管理中心能夠?qū)@些家庭信息進(jìn)行分析和處理，這也是家庭監(jiān)測系統(tǒng)智能化的根本原因。同時(shí)，在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)中，網(wǎng)絡(luò)層不僅僅是要保障智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，更重要的是能夠?qū)彝?nèi)部發(fā)生的信息進(jìn)行分析和預(yù)處理，并為家庭成員提供科學(xué)合理的解決對策，便于其參考。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是指將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)兩者進(jìn)行有效連接，就是將監(jiān)測設(shè)備所監(jiān)測到的信息通過各種移動(dòng)終端進(jìn)行傳輸，幫助用戶全面了解家庭情況信息，并幫助用戶實(shí)現(xiàn)判斷和預(yù)處理。而通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，用戶可以通過小程序APP 了解家庭環(huán)境的狀態(tài)，并能夠通過收集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息挖掘數(shù)據(jù)之中蘊(yùn)含的深層價(jià)值，幫助人們實(shí)現(xiàn)智能生活。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的制約因素

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范

當(dāng)前，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在不標(biāo)準(zhǔn)、不完善的情況，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和普及。

首先，受我國環(huán)境因素的影響，各地區(qū)家庭環(huán)境監(jiān)測體系行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)較為復(fù)雜，在智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，很容易出現(xiàn)重復(fù)監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)不標(biāo)準(zhǔn)的情況，造成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。因此，只有促進(jìn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，并加快對于智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，才能夠充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居環(huán)境的應(yīng)用中更加具有普適性，適應(yīng)不同地區(qū)、不同家庭對于家庭環(huán)境監(jiān)測的個(gè)性化要求。

2.2 無法滿足用戶的具體要求

當(dāng)前，我國智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測能力有限，并且隨著使用年限的增長很容易發(fā)生精確度降低、傳感器靈敏度降低的情況。在初期智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，所采用的傳感器等設(shè)備功能往往較為簡單，對于家庭環(huán)境的監(jiān)測能力以及監(jiān)測精度有限，而且各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間容易受到影響，難以滿足智慧家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的全面應(yīng)用要求[2]。而在現(xiàn)有的智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，也存在信息資源難以整合、家庭數(shù)據(jù)信息安全風(fēng)險(xiǎn)等問題，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及應(yīng)用，也無法滿足用戶的個(gè)性化要求。

2.3 缺乏足夠的人力資源支撐

在智能家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除家庭成員能夠?qū)崿F(xiàn)對家庭情況信息的了解之外，還應(yīng)該涉及小區(qū)物業(yè)以及社區(qū)消防中心，以便當(dāng)家庭情況出現(xiàn)異常而家庭成員卻有一定的疏忽時(shí)，其余人員能夠及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理，進(jìn)而更好地保障家庭安全，這就需要有專業(yè)的環(huán)境監(jiān)測從業(yè)人員以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合素質(zhì)人員。但是當(dāng)前，我國環(huán)境監(jiān)測技術(shù)并未大規(guī)模向智能家居服務(wù)行業(yè)進(jìn)行普及，小區(qū)物業(yè)人員的技術(shù)能力有限，缺乏專業(yè)的知識(shí)和操作能力，大部分智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用僅僅停留在“監(jiān)測”方面，不能夠有效發(fā)揮智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)在預(yù)警信息、事故處理等方面的作用。

2.4 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)無法共享

在智慧家庭數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，感知層和應(yīng)用層每天都會(huì)產(chǎn)生大量的家庭數(shù)據(jù)信息，但是家庭數(shù)據(jù)監(jiān)測信息卻無法實(shí)現(xiàn)共享，無法進(jìn)行資源的有效整合和統(tǒng)籌安排，也無法利用海量的數(shù)據(jù)信息為進(jìn)一步智能家居的設(shè)計(jì)以及家庭監(jiān)測系統(tǒng)的升級提供科學(xué)的參考依據(jù)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)整體模塊的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須秉承智能化、人性化的設(shè)計(jì)理念對智慧家居進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而對家庭環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行更為清晰的模塊化管理。整個(gè)智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行流程主要是：傳感器主動(dòng)收集家庭環(huán)境中的各種信息，如溫度、濕度、煙霧、火焰等特殊情況信息，并將這些信息上傳至網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)信息同步至家庭成員的手機(jī)客戶端，方便用戶能夠隨時(shí)隨地查看家庭中的各種環(huán)境信息。當(dāng)家庭環(huán)境發(fā)生異常情況時(shí)，也能夠做到及時(shí)通知用戶并進(jìn)行預(yù)處理，防止其他危險(xiǎn)情況的發(fā)生。從此來看，智能家庭監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行流程一共分為兩個(gè)階段，主要是監(jiān)測端和數(shù)據(jù)采集端。在監(jiān)測端通過與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)以及家庭成員的移動(dòng)終端相聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、管理和收發(fā)；而在數(shù)據(jù)采集端，則主要是利用各種傳感器與控制主板相連接。當(dāng)控制主板接收到傳感器采集到的信息之后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)施傳輸，從而達(dá)到相應(yīng)的監(jiān)測效果[3]。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有不同的功能，以便對家庭中發(fā)生的所有情況進(jìn)行針對性的監(jiān)測和分析。就硬件而言，主要分為溫濕度采集模塊、煙霧監(jiān)測模塊、人體紅外線感應(yīng)模塊、無線收發(fā)模塊以及GSM 模塊等。

3.2.1 溫濕度采集模塊

在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中可以采用DHT11作為室內(nèi)溫濕度傳感器。這種傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，靈敏度高，抗干擾能力較強(qiáng)，能夠使用戶獲得較為精確的數(shù)據(jù)信息。

3.2.2 煙霧采集模塊

煙霧傳感器可以采用MQ-2 型煙霧傳感器，這屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料。MQ-2 型煙霧傳感器對于液化、天然氣等易燃?xì)怏w都具有良好的監(jiān)測效果。在正常的家居環(huán)境中，該傳感器的導(dǎo)電率較低，但是隨著空氣中的可燃?xì)怏w濃度逐漸升高，傳感器的導(dǎo)電功率也會(huì)隨之變大，并啟動(dòng)單片機(jī)的ADC 對模擬電壓輸出端輸出的模擬電壓信號進(jìn)行處理，當(dāng)中央控制系統(tǒng)接收到電壓信號之后，就會(huì)用相應(yīng)的共識(shí)來將所監(jiān)測到的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)信號，當(dāng)分?jǐn)?shù)信號超過一定值時(shí)，便會(huì)進(jìn)行報(bào)警和預(yù)處理。

3.2.3 人體紅外感應(yīng)模塊

人體紅外感應(yīng)模塊主要是對家庭中出現(xiàn)的人員進(jìn)行攝像記錄。在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以采用HC-SR501 人體紅外感應(yīng)器。這款人體紅外感應(yīng)器靈敏度較高，但家庭環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行記錄，可靠性強(qiáng)，并且也可以在超低電壓的狀態(tài)下工作。在對家庭環(huán)境的監(jiān)測中，一旦有人進(jìn)入HC-SR501 人體紅外感應(yīng)的監(jiān)測范圍，傳感器感應(yīng)模塊就會(huì)輸出高電平，進(jìn)而對人在家庭環(huán)境中的行為進(jìn)行監(jiān)測和記錄，而當(dāng)人離開HC-SR501 人體紅外感應(yīng)的監(jiān)測范圍時(shí)，傳感器會(huì)進(jìn)行自動(dòng)延時(shí)，輸出點(diǎn)的電平也會(huì)逐漸由高變低，直至恢復(fù)初始工作狀態(tài)。

3.2.4 無線收發(fā)模塊

通過使用無線收發(fā)模塊，能夠使家庭環(huán)境內(nèi)多個(gè)單片機(jī)組合成為一個(gè)功能更加完整的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)從不同的位置、不同角度采集家庭中的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而使獲得的家庭環(huán)境數(shù)據(jù)信息更加全面。在本設(shè)計(jì)中，采用的是NRF24L01 單片射頻收發(fā)芯片，其擁有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)發(fā)射的功能，用戶也可以通過程序來配置通信頻道和輸出功率，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的家庭監(jiān)測服務(wù)。

3.2.5 GSM 模塊

GSM 是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡稱，幾乎遍布全球的各個(gè)角落，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。在智能家居設(shè)計(jì)中許多安全方面的設(shè)計(jì)都會(huì)應(yīng)用到GSM 系統(tǒng)。通過GSM 系統(tǒng)，能夠?qū)⒓彝デ闆r利用短消息的形式發(fā)送給家庭成員，實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.6 軟件設(shè)計(jì)

通常來講，MQTT 是一種基于發(fā)布、訂閱模式的輕量級通信協(xié)議，也就是從數(shù)據(jù)的發(fā)出節(jié)點(diǎn)（傳感器）接收到數(shù)據(jù)信息之后，再傳輸給訂閱者節(jié)點(diǎn)（用戶）。當(dāng)客戶端連接建立后，可以同時(shí)訂閱一個(gè)或者多個(gè)主題的數(shù)據(jù)信息。在智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，各類傳感器便是數(shù)據(jù)信息的發(fā)布者，將家庭環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息通過MQTT 協(xié)議傳送至服務(wù)器中，通知訂閱者也就是家庭成員進(jìn)行查閱，而家庭成員則通過手機(jī)APP 或者WEB 端實(shí)現(xiàn)對家庭數(shù)據(jù)信息的可視化查看[4]。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)客戶端設(shè)計(jì)

4.1 移動(dòng)客戶端界面設(shè)計(jì)

一般而言，用戶往往習(xí)慣通過手機(jī)小程序APP 來實(shí)現(xiàn)對家庭情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。而手機(jī)APP 中嵌入的控制器能夠作為客戶端與家庭中的云服務(wù)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)家庭智能監(jiān)測系統(tǒng)與用戶之間的信息傳輸，方便家庭成員對家庭環(huán)境中的一些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。在客戶端的界面設(shè)計(jì)中，當(dāng)家庭情況出現(xiàn)異常時(shí)，也會(huì)做出預(yù)警和處理。例如，當(dāng)家庭環(huán)境中監(jiān)測到氣體或者火焰情況時(shí)，會(huì)給用戶發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息，并自動(dòng)分析可能造成的風(fēng)險(xiǎn)隱患，為用戶提供科學(xué)化、智能化的決策作為參考，而用戶則能夠在智能監(jiān)測系統(tǒng)的提醒之下，通過手機(jī)客戶端選擇打開風(fēng)扇、報(bào)警等操作行為，降低家庭安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 WEB 端界面設(shè)計(jì)

WEB 端界面設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是為了能夠?qū)崿F(xiàn)對小區(qū)住戶、社區(qū)住戶家庭安全情況的數(shù)據(jù)統(tǒng)籌。在對家庭情況進(jìn)行監(jiān)測的過程中，如果家庭成員未能夠?qū)彝ブ谐霈F(xiàn)的異常情況進(jìn)行及時(shí)處理，而利用WEB 終端小區(qū)物業(yè)、消防中心等也可以實(shí)現(xiàn)對所在區(qū)域家庭情況的完全掌握，并進(jìn)行同步監(jiān)測[5]。在WEB 端界面設(shè)計(jì)過程中，用戶可以注冊并登錄網(wǎng)絡(luò)安全管理中心，構(gòu)建屬于自己的智慧家庭監(jiān)測界面，實(shí)時(shí)了解家庭中的情況。同時(shí)利用WEB，重點(diǎn)小區(qū)物業(yè)或者消防中心可以創(chuàng)建多個(gè)用戶，同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如若小區(qū)內(nèi)某個(gè)住戶家庭出現(xiàn)異常情況，后臺(tái)控制中心便會(huì)自動(dòng)報(bào)警以及相應(yīng)的指示燈閃爍，在管理人員后臺(tái)的WEB 端頁面也會(huì)實(shí)現(xiàn)對家庭安全狀態(tài)以及監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，方便管理人員對可能發(fā)生的危險(xiǎn)情況做出準(zhǔn)確判斷。

5 總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的智慧家庭監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)彝キh(huán)境中的溫濕度信息、火焰氣體信息、陌生人信息等進(jìn)行全方位的分析，并將運(yùn)行系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)相連，當(dāng)家庭情況出現(xiàn)某種異常時(shí)，無論是家庭用戶還是小區(qū)物業(yè)、社區(qū)消防中心都能夠在第一時(shí)間獲得完整的家庭情況信息，進(jìn)而采取科學(xué)合理的解決方案，避免更大的災(zāi)情發(fā)生。