基于云平臺(tái)的智能家居氣象站的研究與設(shè)計(jì)

朱敏玲，徐雅斌

（北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100101）

工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展對(duì)人們賴以生存的環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞，全球環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，如全球變暖、異常天氣不斷發(fā)生等[1]。天氣狀況及空氣質(zhì)量直接影響著人們的日常生活，人們每天最關(guān)心的話題之一。互聯(lián)網(wǎng)未出現(xiàn)之前，人們主要從電視、廣播及收音機(jī)中來了解天氣；互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后，可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢[2]。但是這些查詢結(jié)果都是大環(huán)境下的宏觀參數(shù)，并不能完全準(zhǔn)確表達(dá)出人們居住環(huán)境的局部狀況。而每個(gè)人每天的家居生活平均約12個(gè)小時(shí)之多，因此，家居環(huán)境監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制成為備受關(guān)注的課題。

家居環(huán)境質(zhì)量除了受大氣環(huán)境的影響還要受到周邊環(huán)境和家庭各設(shè)施及使用情況的影響。故而，構(gòu)建個(gè)人氣象站，對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制對(duì)于人們的生活和健康非常有必要。隨著各種傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)及隨身攜帶的智能手機(jī)的出現(xiàn)，使得實(shí)時(shí)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制成為可能[3]。本文針對(duì)我國(guó)日趨惡劣的生活環(huán)境及人們改善生活質(zhì)量的急迫需求，基于云技術(shù)進(jìn)行了智能家居氣象站的研究與設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體模型

如圖1所示，系統(tǒng)中接入氣象站所需各待測(cè)參數(shù)的專業(yè)傳感器，并經(jīng)過MCU（Micro-Control Unit）的處理后，將有效數(shù)據(jù)經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再利用云端這個(gè)大的存儲(chǔ)平臺(tái)和各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷、表達(dá)和存儲(chǔ)，并且發(fā)送至智能終端（目前主流的是智能手機(jī)，以下以智能手機(jī)替代智能終端）。此時(shí)，用戶可通過智能手機(jī)所安裝的與云平臺(tái)配套的軟件即可進(jìn)行氣象站數(shù)據(jù)的查看，也能夠收到相關(guān)的報(bào)警和提示信息，用戶根據(jù)這些報(bào)警和提示信息再通過智能手機(jī)、云端及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)向相關(guān)智能家電或設(shè)備發(fā)送控制信息，如當(dāng)室內(nèi)的空氣質(zhì)量不如室外好時(shí)，用戶可通過智能手機(jī)發(fā)送命令打開窗戶進(jìn)行換氣。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)建模型

在此模型中，充分運(yùn)用了云、網(wǎng)絡(luò)及智能手機(jī)這些公用平臺(tái)，開發(fā)者可僅僅著重考慮數(shù)據(jù)采集與處理及數(shù)據(jù)如何傳輸這些環(huán)節(jié)上，能夠極大降低開發(fā)難度、周期與成本。同時(shí)，隨身攜帶的智能手機(jī)使得用戶能夠?qū)崟r(shí)查看天氣和控制家居設(shè)備，如當(dāng)在下班前，可通過智能手機(jī)開窗換氣、打開空調(diào)或打開空氣凈化器等。本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)能夠?qū)囟取穸取⒐庹铡⒋髿鈮毫凹?xì)顆粒物等5個(gè)主要?dú)庀笠剡M(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，并提供與云端的通信端口，及與智能家電或設(shè)備的控制端口和通信端口等。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(tǒng)中在室外設(shè)置了兩個(gè)氣象數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，室內(nèi)可以根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。室外每個(gè)采集站點(diǎn)都可采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、大氣壓力及細(xì)顆粒物濃度；室內(nèi)采集點(diǎn)可以采集溫度、濕度和細(xì)顆粒物濃度；同時(shí)，MCU控制單元設(shè)置在某個(gè)室內(nèi)采集點(diǎn)處。硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)方法，從而能大大降低維修難度和維護(hù)成本。溫度、濕度、光照強(qiáng)度、細(xì)顆粒物濃度和雨量的測(cè)量都有相對(duì)應(yīng)的傳感器模塊進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，以便于測(cè)量計(jì)算和采集。轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)的處理由成本較低的單片機(jī)模塊完成信號(hào)的預(yù)處理，并利用其集成的通信模塊完成信息數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 太陽能供電設(shè)計(jì)

因太陽能資源分布廣泛且取之不盡，用之不竭，能為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能源，且能消除室外傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的布線煩惱，故而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽能供電電路，如圖2所示。LTC3105芯片[4]是一款同步升壓型轉(zhuǎn)換器，比較適合從高阻抗可替代電源收集能量，比如，光伏電池。LTC3105芯片從光伏電池收集能量，收集的電壓范圍可在225 mV～5 V這樣比較寬的范圍，通過它的轉(zhuǎn)換后，可在4 V左右電壓對(duì)鋰電池進(jìn)行穩(wěn)定的充電。鋰電池作為恒壓源能保證在黑暗或光照很少時(shí)各個(gè)站點(diǎn)都能正常平穩(wěn)的工作。

圖2 太陽能供電電路

2.3 網(wǎng)絡(luò)層的組建與設(shè)計(jì)

為利用云來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存、顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理，以便氣象采集與相關(guān)控制的網(wǎng)絡(luò)化，合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是必須的。本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用了GPRS（General Packet Radio Service）無線組網(wǎng)技術(shù)，取締傳統(tǒng)有線的傳輸方式，使得系統(tǒng)沒有傳輸布線成本。整個(gè)家居氣象監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自上而下分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示，具體分析如下。

1）感知層。由室內(nèi)與室外的監(jiān)測(cè)站構(gòu)成。各站點(diǎn)的傳感器將采集到的各類信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)采集模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為信息數(shù)據(jù)，然后利用GPRS數(shù)據(jù)終端模塊將各類數(shù)據(jù)信息同步傳送到云平臺(tái)，最后完成對(duì)氣象數(shù)據(jù)的“感知”工作。

2）網(wǎng)絡(luò)層。由無線通信網(wǎng)絡(luò)和支撐系統(tǒng)組成；通過GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)控站點(diǎn)接入到云平臺(tái)；云平臺(tái)作為支撐系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)非常核心的部分。本設(shè)計(jì)利用樂聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理等工作。

圖3 氣象監(jiān)控站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3）應(yīng)用層。用戶通過樂聯(lián)網(wǎng)發(fā)布的唯一訪問接口對(duì)氣象信息進(jìn)行訪問，用戶終端（手機(jī)、PC及iPad）運(yùn)用各自權(quán)限實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的瀏覽、歷史查詢、數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)設(shè)置等功能，為人們的穿衣、佩戴和智能家電的調(diào)控提供參考。

2.4 云存儲(chǔ)、顯示及數(shù)據(jù)管理

因氣象信息具有明顯的時(shí)間和空間特征，需進(jìn)行多維空間的采集，其采集、整理加工及著錄格式等環(huán)節(jié)都必須是科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)致的，并且在實(shí)時(shí)性上要求較高，則數(shù)據(jù)量會(huì)更大[5]。因此，考慮到用戶的操作簡(jiǎn)便和檢索高效的需求，在氣象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)上做了特殊的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的氣象存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)由路由器、服務(wù)器、交換機(jī)及顯示器等系統(tǒng)硬件和Oracle、Sybase等數(shù)據(jù)庫管理軟件共同支持，顯示部分需配套開發(fā)專用平臺(tái)，并且為保證系統(tǒng)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的真實(shí)性，需要不斷的備份[6]。故而，開發(fā)和維護(hù)成本都非常高。現(xiàn)在隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)大量第三方的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，如樂聯(lián)網(wǎng)[7]。樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為用戶提供了方便便捷的服務(wù)平臺(tái)，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析與控制、API（Application Pro?gram Interface）及移動(dòng)手機(jī)客戶端接口等。

本設(shè)計(jì)利用此平臺(tái)將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到樂聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上進(jìn)行存儲(chǔ)，并能將采集的數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，以便用戶隨時(shí)查詢和分析，完成了云存儲(chǔ)，這樣使得存儲(chǔ)和運(yùn)營(yíng)成本大幅下降。同時(shí)，用戶可以隨時(shí)查詢不同時(shí)間點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，甚至幾十年前的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析上，提供了通用的歷史走勢(shì)分析、數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計(jì)及報(bào)警數(shù)據(jù)分析。而這些數(shù)據(jù)分析方法中，既有本站點(diǎn)的自身數(shù)據(jù)的分析，也有云數(shù)據(jù)的參考分析，并在分析后向智能手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，用戶可根據(jù)這些報(bào)警信息向相關(guān)智能家電發(fā)送控制信息。同時(shí)，利用樂聯(lián)網(wǎng)提供的手機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)智能家電的遠(yuǎn)程控制。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)執(zhí)行的效率，運(yùn)用3D（Three Dimensions）打印技術(shù)搭建了仿真家居系統(tǒng)環(huán)境，如圖4所示。在仿真的家居系統(tǒng)環(huán)境中，設(shè)置了一個(gè)室內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和一個(gè)室外監(jiān)測(cè)點(diǎn)；為替代真實(shí)智能家電的控制，以控制電機(jī)的方式來驅(qū)動(dòng)窗戶、空調(diào)的打開與關(guān)閉；差別環(huán)境的產(chǎn)生是通過人為制造局部環(huán)境，如制造局部室內(nèi)站點(diǎn)煙霧。同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)上，戶外站點(diǎn)供電方式設(shè)計(jì)為光伏發(fā)電，綠色環(huán)保。當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)煙霧時(shí)，智能手機(jī)就會(huì)馬上收到微信通知，如圖5a所示。于此同時(shí)，在新浪微博上也會(huì)收到相應(yīng)的通知（如圖5b），在新浪微博里還會(huì)提供穿衣指數(shù)等更佳細(xì)節(jié)和溫馨的提示信息。此時(shí)，用戶可通過微信發(fā)送控制信息，打開窗戶，相應(yīng)的電機(jī)即可轉(zhuǎn)動(dòng)并打開仿真家居的窗戶。在第三方網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)也能實(shí)時(shí)看到監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖6所示，分別是溫度、適度、大氣壓力、光照及細(xì)顆粒物測(cè)試結(jié)果。除了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果，本設(shè)計(jì)利用強(qiáng)大的云存儲(chǔ)，能夠存儲(chǔ)近幾個(gè)小時(shí)及近1個(gè)月的天氣結(jié)果。

圖5 微信與微博通知（截圖）

圖6 網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)顯示結(jié)果（截圖）

4 結(jié)論

本文提出的智能家居氣象站理論模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有繼續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用的可行性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵部分是數(shù)據(jù)的有效采集與處理、網(wǎng)絡(luò)的鏈接效果及與第三方網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的互操作性。在數(shù)據(jù)的有效采集方面，由于傳感器性能的不斷提高及種類的多樣化，數(shù)據(jù)的有效采集已經(jīng)不是難題，并且各智能算法的出現(xiàn)和完善，使得大量的數(shù)據(jù)處理方面也較為容易解決；網(wǎng)絡(luò)的鏈接效果在此模型中起到至關(guān)重要的作用，不僅僅是網(wǎng)絡(luò)能否鏈接上的問題，更重要的是實(shí)時(shí)性，目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選用的GPRS網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到室內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，但是在響應(yīng)速度上再快一些更好；第三方網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的支持程度也很重要，畢竟云端的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的出現(xiàn)時(shí)間還不長(zhǎng)，還是較新的事物，本系統(tǒng)在功能、內(nèi)容及接口兼容等方面需進(jìn)一步的開發(fā)與完善。

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