基于 WSN的智能家居环境监测服务

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摘要：针对房屋在日常中会遇到的安全使用问题，设计实现了一套基于WSN的智能家居监测服务平台，能够实时监测家庭内部的环境的基本情况，为家人带来舒心的生活环境。系统设备主要通过ZigBee进行内部网通信传输采集的数据，通过树莓派搭建本地服务中心进行局域网管理，在有网络的环境中能够自动地将数据备份到服务器中。当系统监测到家庭的环境变化时会对户主进行及时的安全提示，主要介绍了此套平台架构的设计思路。

关键词：智能家居；无线传感器网络；WSN；监测平台;树莓派服务中心；智能安全提示

随着5G网络建设，物联网得到了前所未有的发展，已经广泛应用于生活中，智能家居设备已经随处可见。智能音箱已经能够正常与人对话并且按照人们的语音指令完成相应的控制操作，例如，通过语音控制电灯打开及关闭，调节窗帘的打开范围。家居是越来越智能便捷，携带了各类传感器的智能小家电也不断地进入人们的眼帘［1］，让我们更方便地体验生活。与此同时，人们更加注重生活安全卫生，注重各种装修材料对身体造成的影响。在家居环境中，良莠不齐的装修材料在一定程度上对身体造成了影响。例如日常使用的柜子、家具设备均会不断地释放甲醛，当其含量达到一定浓度时，对身体是有危害的［2］。在阴雨天，雨水是否会飘进房间对地板或室内家具造成不可逆的影响。家里的电器设备是否温度过高而容易引发物品燃烧，空气中是否存在令人过敏的粉尘，均需要安全的对其进行监控［3］。目前市面上已经存在检测有害气体的工具，然后往往缺乏对人们安全的智能提醒［4］。对于人们居住时间最长的房屋而言，需要将室内的各项环境指标进行数字型、实时性、智能型、提醒性的智能监测。为了更好地评估室内居住环境，室内有害气体危害人体的健康［5］，本文提出了基于WSN的智能家居环境监测服务平台的框架。通过为建筑构建温度、天然气、煤气等传感器的监测［6］，由低功耗、低成本的ZigBee网络［7］进行汇集，中心设备进行数据传输和命令下发［8］，通过Wi－Fi发送到服务器，最后通过移动端对其进行查看监控。

1智能家居监测系统的设计思路

1．1智能家居系统的设计

WSN的智能家居环境监测总体功能框架主要分为监控子系统和控制子系统，具体功能如图1所示。从图1可知，在设计上围绕环境监测和系统控制两大模块进行设计，其中监控子系统主要部署了网络通信设施，包含传感器终端节点组网、命令送达及数据传输等功能。关键环节是数据的采集，包含对环境中慢性影响健康的气体传感器监测和短期伤害性较强的特征监测。基于传感器类型和房屋结构特征，根据区域特征设置传感器及采集周期。例如，洗手间由于其使用特性导致比较重的湿度和浴霸瞬间增加空气的温度，需要为其设置温度、湿度、空气质量的传感器，同时要求传感器节点必须保证具有一定的防水性和耐热性。洗手间在使用时采用密集采集的方式，而其余时间则采用稀疏采集模式。厨房是容易滋生细菌和各种小动物躲藏的绝佳地方，需要对空气湿度、地面湿度、墙面湿度、燃烧气体进行严格控制，还可以设置物体检测传感器。卧室是对居住环境要求最高的地方，主要监测噪声是否超标、空气湿度是否在舒服的范围内［9］、监测窗户是否出现飘雨的现象，提醒用户及时关窗；监测窗户光照强度变化，及时调整窗帘的闭合程度。对于房屋而言，装修材料的甲醛是威胁生命健康的重要因素之一，需要为各卧室和厅安装甲醛传感器。本套系统中主要选取空气质量、温度、湿度、光照强度、天然气／煤气、甲醛等作为监测的对象。在无线通信环节中，主要采用ZigBee在节点与汇集节点间进行近距离通信，由汇集节点实现对子节进行自主组网、下达工作采集命令、收集传感器数据、上传传感器数据等功能。由于无线传感器节点是部署在居住的环境中，可以直接使用家用电作为其主要电源，锂电池作为其备用电源。在控制子系统中，主要负责接收汇集节点接收到的数据，将其进行解析并保存并下达传感器采集指令。信息数据主要通过公众号进行显示，用户在公众号可实现数据显示、命令下发、历史数据对比等功能。

1．2实现流程

通过为用户在房屋中部署传感器节点及节点间组成Zig-Bee网络，形成统一的局域互联。与此同时，在本地搭建小型的网络服务中心用于存储基本的数据，在没有网络的情况下，用户依然可以通过连接到本地路由器后，通过公众号的内网链接进行对节点进行基本操作。待本地连接到互联网后，由本地服务中心通过Wi－Fi模块将本地数据进行远程传输同步到服务中心，用户在公众号链接中可以查看属于自己的房屋采集的基本信息。由于树莓派具有体型小而易拓展性的特点［10］，本系统将为其搭建本地的服务中心，配置安装SQlite数据库和搭建nginx服务器系统，进而实现了公众号的局域网访问。

2数据的同步及管理

2．1数据内容同步

WSN的智能家居环境监测系统的初始配置信息存储在本地服务中心，采集的数据在未连接网络时可以通过TF卡进行备份，然后再通过网络设备手动更新到服务器端。用户在本地服务中心设置用户名、传感器个数、传感器类型、传感器位置、传感器数值范围等信息，并将此配置传输到服务器。当服务器接收到不同家庭设备传来的数据时，则自动的根据配置信息对其进行基本的格式处理。为减少本地与服务器端的通信频率，则可以将数据在本地积累到一定的数量或符合设定的条件后再发送到服务器端。如用户设置为实时查看数据时，则当采集到数据时立刻进行同步。在服务器端系统通过对比用户采集的传感器数据进行分析，当数据存在异常时则通过短信提醒用户出现的异常情况。然而设备的使用者往往可能未携带手机等通信设备，为此，本系统要求用户提供至少三个常用手机号，根据异常情况的严重性选择通知提醒的号码。例如，如果是天然气或煤气泄漏而导致监测传感器异常时，则为三个用户均发送提醒信息；当洗手间湿度过大时，则可以只对户主进行提醒。用户通过公众号访问数据时，可以访问历史记录数据，根据历史情况设置各种传感器的采集周期。一般情况下，用户在家或特殊时间段的传感器采集周期会设置为密集采集。例如，天然气／煤气主要集中在用户做餐时间段和晚上洗澡时间段使用，故此时段设置为密集采集，而其余时间为稀疏采集。密集采集与稀疏采集的频率是相对而言的，具体采集的时间间隔根据用户习惯进行设定，密集采集周期往往可以设置为5～10分钟，稀疏采集则以小时为单位。

2．2数据管理

数据管理的主要内容包含用户设备管理、用户连接管理、记录的信息迁移、用户数据显示形式等功能，用户可以选择是否将传感器数据传输到服务器。服务器还提供公众号关于设备购买及设备维护服务。

3结束语

本文根据家居的环境特点，提高人民的生活环境质量，设计了一套基于WSN的智能家居环境监测服务，为用户更智能化的了解家庭环境的基本情况，提高了居住的安全性，更好地保持家庭卫生。

参考文献

［1］梁海珍．语音识别技术在智能家居领域应用［J］．电子技术与软件工程，2021（4）：100－101

［2］刘祎，刘萍，佘勃．“互联网＋”智能家居监控系统研究［J］．南方农机，2021，52（7）：46－47，62

［3］胡春海，张越，齐广学．高压电器设备在线温度监测技术的研究［J］．自动化与仪表，2001（1）：50－52

［4］白剑铭，江思维，冯荣幸．市面上已有的室内环境监测系统市场前景分析［J］．科技经济导刊，2020，28．732（34）：116－117

［5］潘晓贝．基于ZigBee的家居环境监测系统硬件设计［J］．湖南工业职业技术学院学报，2021，21（1）：73－77

［6］曹督尊，刘国彦，赵金才，等．基于STM32的智能室内空气质量监测系统设计［J］．科技视界，2020（16）：25－27

［7］李庆，黄传翔．基于ZigBee技术的家居环境多参数监测系统研究［J］．电子测试，2020（19）：43－45

［8］黄培灿，林锦峰，周培森，等．基于ZigBee技术的室内环境监测系统设计［J］．工业控制计算机，2020（5）

［9］杨晋，亢利军，胡程勇，等．基于室内环境多参量传感的监测系统设计与实现［J］．工业控制计算机，2020，33（9）：64－66，70

［10］徐望，朱宜炳，张常泉．一种基于树莓派的视频监控网络设计方案［J］．南方农机，2021，52（5）：41－42，44

作者：周慧怡   单位： 桂林航天工业学院