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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(shè)計實現(xiàn)了一套基于WSN的智能家居監(jiān)測服務(wù)平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測家庭內(nèi)部的環(huán)境的基本情況，為家人帶來舒心的生活環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)備主要通過ZigBee進(jìn)行內(nèi)部網(wǎng)通信傳輸采集的數(shù)據(jù)，通過樹莓派搭建本地服務(wù)中心進(jìn)行局域網(wǎng)管理，在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中能夠自動地將數(shù)據(jù)備份到服務(wù)器中。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到家庭的環(huán)境變化時會對戶主進(jìn)行及時的安全提示，主要介紹了此套平臺架構(gòu)的設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：智能家居；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；WSN；監(jiān)測平臺;樹莓派服務(wù)中心；智能安全提示

隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)得到了前所未有的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生活中，智能家居設(shè)備已經(jīng)隨處可見。智能音箱已經(jīng)能夠正常與人對話并且按照人們的語音指令完成相應(yīng)的控制操作，例如，通過語音控制電燈打開及關(guān)閉，調(diào)節(jié)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(jìn)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(wèi)生，注重各種裝修材料對身體造成的影響。在家居環(huán)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(shè)備均會不斷地釋放甲醛，當(dāng)其含量達(dá)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(jìn)房間對地板或室內(nèi)家具造成不可逆的影響。家里的電器設(shè)備是否溫度過高而容易引發(fā)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(jìn)行監(jiān)控［3］。目前市面上已經(jīng)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(nèi)的各項環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行數(shù)字型、實時性、智能型、提醒性的智能監(jiān)測。為了更好地評估室內(nèi)居住環(huán)境，室內(nèi)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(huán)境監(jiān)測服務(wù)平臺的框架。通過為建筑構(gòu)建溫度、天然氣、煤氣等傳感器的監(jiān)測［6］，由低功耗、低成本的ZigBee網(wǎng)絡(luò)［7］進(jìn)行匯集，中心設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和命令下發(fā)［8］，通過Wi－Fi發(fā)送到服務(wù)器，最后通過移動端對其進(jìn)行查看監(jiān)控。

1智能家居監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思路

1．1智能家居系統(tǒng)的設(shè)計

WSN的智能家居環(huán)境監(jiān)測總體功能框架主要分為監(jiān)控子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，具體功能如圖1所示。從圖1可知，在設(shè)計上圍繞環(huán)境監(jiān)測和系統(tǒng)控制兩大模塊進(jìn)行設(shè)計，其中監(jiān)控子系統(tǒng)主要部署了網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施，包含傳感器終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、命令送達(dá)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。關(guān)鍵環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)的采集，包含對環(huán)境中慢性影響健康的氣體傳感器監(jiān)測和短期傷害性較強(qiáng)的特征監(jiān)測。基于傳感器類型和房屋結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)區(qū)域特征設(shè)置傳感器及采集周期。例如，洗手間由于其使用特性導(dǎo)致比較重的濕度和浴霸瞬間增加空氣的溫度，需要為其設(shè)置溫度、濕度、空氣質(zhì)量的傳感器，同時要求傳感器節(jié)點(diǎn)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(xì)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(jìn)行嚴(yán)格控制，還可以設(shè)置物體檢測傳感器。臥室是對居住環(huán)境要求最高的地方，主要監(jiān)測噪聲是否超標(biāo)、空氣濕度是否在舒服的范圍內(nèi)［9］、監(jiān)測窗戶是否出現(xiàn)飄雨的現(xiàn)象，提醒用戶及時關(guān)窗；監(jiān)測窗戶光照強(qiáng)度變化，及時調(diào)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(tǒng)中主要選取空氣質(zhì)量、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、天然氣／煤氣、甲醛等作為監(jiān)測的對象。在無線通信環(huán)節(jié)中，主要采用ZigBee在節(jié)點(diǎn)與匯集節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行近距離通信，由匯集節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)對子節(jié)進(jìn)行自主組網(wǎng)、下達(dá)工作采集命令、收集傳感器數(shù)據(jù)、上傳傳感器數(shù)據(jù)等功能。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是部署在居住的環(huán)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(tǒng)中，主要負(fù)責(zé)接收匯集節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行解析并保存并下達(dá)傳感器采集指令。信息數(shù)據(jù)主要通過公眾號進(jìn)行顯示，用戶在公眾號可實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、命令下發(fā)、歷史數(shù)據(jù)對比等功能。

1．2實現(xiàn)流程

通過為用戶在房屋中部署傳感器節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間組成Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，形成統(tǒng)一的局域互聯(lián)。與此同時，在本地搭建小型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心用于存儲基本的數(shù)據(jù)，在沒有網(wǎng)絡(luò)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(nèi)網(wǎng)鏈接進(jìn)行對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基本操作。待本地連接到互聯(lián)網(wǎng)后，由本地服務(wù)中心通過Wi－Fi模塊將本地數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸同步到服務(wù)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(diǎn)［10］，本系統(tǒng)將為其搭建本地的服務(wù)中心，配置安裝SQlite數(shù)據(jù)庫和搭建nginx服務(wù)器系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)了公眾號的局域網(wǎng)訪問。

2數(shù)據(jù)的同步及管理

2．1數(shù)據(jù)內(nèi)容同步

WSN的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的初始配置信息存儲在本地服務(wù)中心，采集的數(shù)據(jù)在未連接網(wǎng)絡(luò)時可以通過TF卡進(jìn)行備份，然后再通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備手動更新到服務(wù)器端。用戶在本地服務(wù)中心設(shè)置用戶名、傳感器個數(shù)、傳感器類型、傳感器位置、傳感器數(shù)值范圍等信息，并將此配置傳輸?shù)椒?wù)器。當(dāng)服務(wù)器接收到不同家庭設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)時，則自動的根據(jù)配置信息對其進(jìn)行基本的格式處理。為減少本地與服務(wù)器端的通信頻率，則可以將數(shù)據(jù)在本地積累到一定的數(shù)量或符合設(shè)定的條件后再發(fā)送到服務(wù)器端。如用戶設(shè)置為實時查看數(shù)據(jù)時，則當(dāng)采集到數(shù)據(jù)時立刻進(jìn)行同步。在服務(wù)器端系統(tǒng)通過對比用戶采集的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)數(shù)據(jù)存在異常時則通過短信提醒用戶出現(xiàn)的異常情況。然而設(shè)備的使用者往往可能未攜帶手機(jī)等通信設(shè)備，為此，本系統(tǒng)要求用戶提供至少三個常用手機(jī)號，根據(jù)異常情況的嚴(yán)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(dǎo)致監(jiān)測傳感器異常時，則為三個用戶均發(fā)送提醒信息；當(dāng)洗手間濕度過大時，則可以只對戶主進(jìn)行提醒。用戶通過公眾號訪問數(shù)據(jù)時，可以訪問歷史記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史情況設(shè)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(shè)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(shè)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(jù)用戶習(xí)慣進(jìn)行設(shè)定，密集采集周期往往可以設(shè)置為5～10分鐘，稀疏采集則以小時為單位。

2．2數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理的主要內(nèi)容包含用戶設(shè)備管理、用戶連接管理、記錄的信息遷移、用戶數(shù)據(jù)顯示形式等功能，用戶可以選擇是否將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器還提供公眾號關(guān)于設(shè)備購買及設(shè)備維護(hù)服務(wù)。

3結(jié)束語

本文根據(jù)家居的環(huán)境特點(diǎn)，提高人民的生活環(huán)境質(zhì)量，設(shè)計了一套基于WSN的智能家居環(huán)境監(jiān)測服務(wù)，為用戶更智能化的了解家庭環(huán)境的基本情況，提高了居住的安全性，更好地保持家庭衛(wèi)生。

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作者：周慧怡   單位： 桂林航天工業(yè)學(xué)院